Исследование влияния процесса прокалки на извлечение окиси алюминия из ангренских каолинов

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты исследований по вовлечению каолиновых глин Ангренского месторождения в процесс извлечения из них глинозема. Показано, что прокалка при температуре 400-500°С практически не влияет на изменение содержания компонентов каолиновых глин. Начиная с 600°С, повышается содержание основных компонентов – кремния, алюминия и железа. Стабильный химический состав наблюдается при температуре обжига 600-700°С. Дальнейшее повышение температуры до 800°С приводит к повышению содержания кремния и алюминия.

На основе анализа дериватограммы и рентгенограмм выявлено, что при прокаливании каолина удаляется конституционная вода и происходит изменение кристаллической  структуры с переходом трудновскрываемого каолинита в кислоторастворимую форму метакаолинита. При температуре выше 900°С образуется нерастворимый в кислотах муллит.

Приводятся данные влияния температуры прокалки от 400 до 800°С на содержание кислоторастворимых форм алюминия в зависимости от продолжительности процесса. С повышением температуры обжига степень извлечения алюминия в 40% раствор азотной кислоты при стехиометрической норме, температуре 100°С в закрытом объеме имеет максимальные значения при температуре прокалки 700°С. Увеличение продолжительности процесса прокалки повышает содержание кислоторастворимых форм алюминия. Максимальная степень извлечения алюминия 90,94-93,29% наблюдается при температуре прокалки 600-700°С и продолжительности процесса не менее 2 часов.

RESEARCH OF CALCINATION PROCESS INFLUENCE ON EXTRACTING ALUMINIUM OXIDE FROM ANGREN KAOLIN

Research results of the involvement of kaolin clays of Angren deposit in the extraction process of alumina from them are presented. It is shown that calcination at the temperature of 400-500 °C does not practically affect the change in the content of the kaolin clays components. Starting from 600 °C, the content of main components increases - silicon, aluminum and iron. A stable chemical composition is observed at a firing temperature of 600-700 °C. Further increase in temperature up to 800 °C leads to increase in the content of silicon and aluminum. 

Based on the analysis of the thermogram and X-ray diffraction patterns, it is revealed that when calcinating kaolin, constitutional water is removed and a change in the crystal structure occurs with the transition of the difficult-to-hide kaolinite into the acid-soluble form of metakaolinite. At a temperature above 900 °C, insoluble in acids mullite is formed.

Data on the influence of the calcination temperature from 400 to 800 °C on the content of aluminum acid-soluble forms is presented depending on the duration of the process. With increase in the firing temperature, the degree of aluminum extraction in a 40% solution of nitric acid at a stoichiometric rate, at a temperature of 100 °C in a closed volume, has maximum values ​​at a calcination temperature of 700 °C. Increase of calcination process duration raises the content of acid-soluble forms of aluminum. The maximum degree of aluminum extraction 90.94-93.29% is observed at calcination temperature of 600-700 °C and the process duration of at least 2 hours.

Глинозем является сырьем для алюминиевой промышленности и для его получения используют высококачественное сырье, которое в Узбекистане отсутствует. Отсутствует и производство глинозема. Но имеются сырьевые источники в виде каолиновых глин, алунитовых пород, некондиционных бокситов, золы каменных углей. Богатейшие залежи каолиновых глин, пригодных для переработки на глинозем, имеются в районе города Ангрен, общие запасы которых составляют более одного миллиарда тонн [1, 3, 5]. Эту породу можно добывать открытым способом.  Мощность полезной толщи в среднем 30- 40 м.

В продуктивной глинистой толще выделяются переслаивающиеся между собой серые, белые, цветные разновидности глин. Их минералогический состав однообразен – глинистое вещество, основной компонент которого каолинит. В этой примеси – кварцевый песок, органическое вещество и минералы железа в виде сульфидов, оксидов и пирита. Карбонатов, слюды и хлоритов, обычно присутствующих в других глинах, здесь при анализах встречается в незначительных количествах. Основными окислами, входящими в состав глины, являются: Al₂O_3, SiO_2, H₂O, в небольших количествах примеси: Fe₂O_3, TiO_2, CaO, MgO, K₂O, Na₂O и другие.

По гранулометрическому составу глины Ангрена относятся к крупночешуйчатым, причём фракция с размерами частиц менее 0,001 мм наиболее богата каолинитом, а крупная состоит главным образом из примесей.

Известные способы получения глинозема – щелочные и электролитические для условий нашей страны в настоящее время не приемлемы. Из кислотных методов переработки предпочтение имеет азотнокислотный способ, так как его производство является безотходным [2, 4, 6]. Большой спрос на глинозем, отсутствие приемлемой технологии переработки каолиновых глин ставит проблему получения глинозема в разряд актуальнейших.

Из перечисленных способов для условий нашей страны приемлемы кислотные способы получения глинозема. Поэтому наши исследования были направлены на получение глинозема азотнокислотным разложением каолиновых глин Ангренского месторождения.

Для исследований отобрали образцы каолиновых глин Ангренского месторождения, содержащих (масс. %): SiO₂ - 54,30; Al₂O₃ – 23,50; Fe₂O₃ – 0,47; К₂О – 0,38; СаО – 0,30. Спектральный анализ показал присутствие в каолиновых глинах соединений натрия, калия, кальция, магния, железа и др. элементов, содержание которых составляет десятые и сотые доли процента.

Ввиду того, что на процессы извлечения оксида алюминия существенное влияние оказывает обжиг, исследования начали с изучения влияния процесса термообработки на изменение химического состава  каолиновых глин.

Исследования проводили в муфельной печи в интервале температур 400-800°С в течение 1 часа. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Из данных таблицы видно, что температуре прокалки 400-500°С практически не влияет на изменение содержания компонентов каолиновых глин Ангренского месторождения. Начиная с 600°С увеличивается содержание  основных компонентов каолиновых глин. Наиболее стабильный химический состав  основных компонентов наблюдается при температуре обжига 600-700°С. Дальнейшее повышение температуры до 800°С приводит к некоторому повышению SiO₂ до 58,14% и Al₂O₃ до 25,16%. Содержания остальных компонентов практически сохраняется на прежнем уровне.

Таблица 2.

Влияние температуры обжига на химический состав каолина

Для выяснения температурных изменений протекающих при прокалке каолиновых глин была снята дериватограмма исходного каолина в условиях линейного нагрева до 1200°С  в атмосфере воздуха. На термограмме  наблюдаются эндотермический эффект с интенсивным минимумом при 550°С и экзотермический эффект с максимумом при 955°С. При этих температурах происходит значительная потеря массы, соответствующая удалению химически связанной воды, входящей в состав каолинита.

Для установления фазового состава образцов, соответствующих эндотермическому эффекту, были сняты рентгенограммы исходного и обожженного при 600°С каолиновых глин. Анализ показал, что при прокаливания исходного каолина на рентгенограмме исчезают пики 7,224 Å, 3,585 Å, характерные для каолинита и появляется пик при 1,257 Å, соответствующий Al₂Si₂O₇. Отсюда следует, что при прокаливании из каолинита уделяется конституционная вода и происходит изменение кристаллической структуры с переходом трудновскрываемого каолинита в кислоторастворимую форму метакаолинита Al₂Si₂O₇ по реакции

Al₂Si₂O₅ → 3Al₂Si₂O₇ + 2Н₂О

При обжиге свыше  900^оС образуется муллит 3Al₂O₃•2SiO₂ по реакции

3Al₂Si₂O₇ → 3Al₂O₃•2SiO₂,

который нерастворим в минеральных кислотах.

         Для выяснения влияния температуры прокалки каолина на содержание кислоторастворимых форм алюминия проведены исследования по влиянию продолжительности процесса на степень извлечения алюминия. Исследования процесса выщелачивания из прокаленного при различных температурах проводили 40% азотной кислотой при стехиометрической норме, температуре 100°С, постоянном перемешивании в закрытом объеме в течение 1 часа. Полученные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Влияние температуры и продолжительности обжига на степень извлечения  алюминия из Ангренских каолиновых глин.

Из данных таблицы видно, что с увеличением продолжительности процесса обжига степень извлечения алюминия увеличивается с повышением температуры.  При температурах обжига 600-700°С и продолжительности процесса 2 часа степень извлечения составляют 90,94-93,29%. Увеличение продолжительности обжига более 2 часов практически не влияет на степень извлечения алюминия.

Дальнейшее повышение температуры до 800-1000°С приводит к снижению степени извлечения алюминия до 10,12%, железа до 6,79%. Оптимальной температурой обжига для максимального извлечения алюминия из каолиновых глин является температура 600-700°С.

Таким образом, проведённые исследования показали возможность повышения степени извлечения алюминия из каолиновых глин Ангренского месторождения путём предварительного термического обжига. Оптимальными параметрами прокалки каолинов Ангренского месторождения являются температура 600-700°С и продолжительность процесса обжига не менее 2 часов. При этом степень извлечения алюминия достигает 90,94-93,29%.