Международный
научный журнал

Кинетика разложения доломита соляной кислотой


Kinetics of decomposition of dolomite by hydrochloric acid

Цитировать:
Хамракулов З.А., Азизова У.Х. Кинетика разложения доломита соляной кислотой // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2019. № 7(64). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/7671 (дата обращения: 21.10.2019).
 
Прочитать статью:


АННОТАЦИЯ

Изучена кинетика процесса разложения доломита соляной кислотой в зависимости от концентрации и температуры. Установлены основные кинетические параметры процесса разложения и выведены уравнения зависимости константы скорости разложения и ее логарифма от температуры.

ABSTRACT

The kinetics of the decomposition of dolomite with hydrochloric acid was studied depending on the concentration and temperature. The main kinetic parameters of the decomposition process are established and the equations for the dependence of the decomposition rate constant and its logarithm on temperature are derived.

 

Ключевые слова: агротехнологии, минеральные удобрения, рациональное использование, подъем экономики, многочисленные разновидности, расширение видов, минерал анкерит, неорганические соединения, соляная кислота, разложение доломита.

Keywords: аgrotechnologies, mineral fertilizers, rational use, economic recjvery, numerous species, expansin of species, mineral ankerite, inorganic compounds, of hydrochloric acid, dolomite decomposition.

 

В мире более 85% хлопка-сырца выращивают такие страны, как Китай, США, Индия, Бразилия, Пакистан, Узбекистан, Мексика, Египет, Турция и Судан.

В сельском хозяйстве Узбекистана особое внимание уделяется широкому внедрению современных агротехнологий и улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель. В постоянном повышении урожайности и улучшении плодородия земель важную роль играют химические препараты – минеральные удобрения, стимуляторы роста, пестициды, в том числе дефолианты и десиканты.

Одним из условий успешной и качественной уборки урожая хлопка-сырца в доморозный период является проведение дефолиации хлопчатника. Проведение качественной дефолиации дает возможность осуществлять полную уборку хлопка в сжатые сроки. Это создает условия для раннего посева зерна, проведения осенне-зимних мероприятий и получения обильного урожая следующего года.

Важнейшими резервами и факторами экономического роста и структурных преобразований в экономике являются создание на базе местного сырья импортозамещающей продукции, насыщение внутреннего рынка необходимыми потребительскими товарами, максимальная загрузка созданных производственных мощностей, экономия и рациональное использование валютных средств.

Известно, что в производстве широко применяемых в сельском хозяйстве республики дефолиантов ХМД, УзДеф, Супер ХМД ж, ПолиДеф в качестве основного сырья используется бишофит (хлорид магния), который завозится из-за рубежа за валюту.

При решении данной задачи одной из актуальных проблем является использование в качестве сырья вместо импортного «бишофита» продуктов разложения местного доломитного минерала соляной кислотой.

Развитие производства дефолиантов должно быть связано не только с количественными, но и с качественными изменениями, с переходом на новый, более высокий технический уровень, с внедрением новых методов производства, новой, более совершенной технологии, с расширением видов и источников сырья.

Узбекистан обладает мощной минерально-сырьевой базой и большими перспективами ее увеличения, располагает реальными возможностями для подъема экономики страны за счет дальнейшего наращивания разведанных запасов и добычи полезных ископаемых. В настоящее время выявлено 1717 месторождений, в том числе 235 месторождений углеводородов, 136 – металлов; 3 – угля; 55 – горнорудного, 26 – горнохимического и 30 – камнесамоцветного сырья; 615 – строительных материалов различного назначения и 617 – пресных и минеральных подземных вод [9].

Сказанное в полной мере относится как к использованию в качестве сырья природного доломита, содержащего одновременно карбонаты кальция и магния, так и к предлагаемой новой технологии синтеза хлоратов натрия, кальция, магния.

Доломит относится к классу карбонатов, в котором образует собственную группу с многочисленными разновидностями, самыми известными из которых являются широко распространенный минерал анкерит и собственно доломит.

Месторождения доломита имеются и в Узбекистане, в частности, в Ташкентской, Бухарской, Самаркандской, Ферганской, Наманганской, Навоинской и Кашкадарьинской областях.

Минерал доломит – СаMg(СО3)2 – имеет теоретический состав (масс. %): CaO – 30,41; МgО – 21,86; СО2 – 47,73, или в пересчете на карбонаты СаСО3 54,27; MgСО3 45,73. Отношение CaO:МgО равно 1,391. Магний может частично замещаться Fe2+, реже Mn2+ [8, с. 5].

В литературе имеются сведения по разложению доломитных минералов азотной [7], фосфорной [1] и серной кислотами [3]. В Нигерии исследовано разложение доломитного минерала соляной кислотой [10]. Эти работы направлены на получение минеральных удобрений и других видов продукции из неорганических соединений. Предложен способ получения кристаллов гипса (сульфат кальция) и бишофита (хлорид магния), включающий обработку полуобожженного доломита соляной кислотой с последующей обработкой серной кислотой [2; 6]. Конечной целью этих исследований не являлось получение хлорат кальций-магниевого дефолианта.

Для физико-химического обоснования процесса получения хлорат кальций-магниевого дефолианта нами изучена кинетика разложения доломита соляной кислотой.

Для исследования нами был использован доломит Навоийского месторождения «Навбахор», состав которого приведен ниже (табл. 1).

Таблица 1.

Химический состав образца доломита (масс. %)

Наименование

месторождения доломита

Содержание в % на воздушно-сухое вещество

CaO

MgO

Al2O3

Fe2O3+FeO

SiO2

MnO

TiO2

Na2O

K2O

P2O5

SO3общ.

СО2

м.р. «Навбахор»

30,02

19,67

0,39

0,20

2,47

0,08

0,07

0,26

0,72

0,02

0,24

45,68

 

Процесс разложения доломита изучали в зависимости от концентрации соляной кислоты и температуры. Норму соляной кислоты на разложение кальций и магниевых минералов рассчитывали в 100% от стехиометрии. Опыты проводили при температуре 10-60°С в термостатированном реакторе, в который наливали расчетное количество соляной кислоты, а затем в течение 1-2 минут добавляли доломит. Через определенные промежутки времени определяли содержание ΣCaO и MgO комплексонометрическим методом [4] в растворе и рассчитывали степень извлечения CaO и MgO в раствор, т. е. степень разложения доломита. Результаты экспериментальных данных (табл. 2) показывают, что с уменьшением концентрации соляной кислоты и повышением температуры процесса степень разложения доломита повышается.

Процесс разложения доломита соляной кислотой протекает легко, с обильным выделением в газовую фазу диоксида углерода. Основная масса доломита разлагается в течение 5 минут. При разложении доломита 35,0% HCl степень разложения (Кр) за 2 минуты составляет 78,29%. С увеличением времени взаимодействия с 5 до 30 минут степень извлечения CaO и MgO повышается в 1,09 и 1,03 раз соответственно. При разложении доломита 31,0% HCl за 5 минут (Кр) составляет 89,53%, за 30 минут – 96,21%, т. е. наблюдается повышение степени разложения доломита.

При разложении доломита 25,0% соляной кислотой за 5 минут (Кр) составляет 90,10%, за 30 минут – 96,83%, т. е. наблюдается повышение степени разложения доломита. Уменьшение концентрации соляной кислоты до 25,0% приводит к повышению коэффициента разложения доломита. Например, при 5-минутном взаимодействии компонентов степень разложения по сравнению с 31,0 и 35,0% HCl возрастает в 1,01 и 1,06 раз. При дальнейшем взаимодействии скорость процесса разложения замедляется и за 30 минут (Кр) равна 96,21%. Важным фактором, определяющим степень разложения доломита, является температура. Так, при 10°С разложение доломита 35,0% соляной кислотой в течение 1 минуты способствует переходу в раствор 71,91% CaO и MgO, при 20°С этот показатель увеличивается на 3,79%, а при 60°С – на 15,76% (рис. 1 – а, б, в). Такая же закономерность наблюдается при разложении доломита 31,0 и 25,0% соляной кислотой.

Таблица 2.

Степень извлечения в раствор суммы СаО и MgO в зависимости от концентрации соляной кислоты и температуры

Время,

минут

Степень извлечения суммы СаО и MgO, % при концентрации соляной кислоты

25,0% HCl

31,0% HCl

35,0% HCl

10°С

20°С

30°С

40°С

50°С

60°С

10°С

20°С

30°С

40°С

50°С

60°С

10°С

20°С

30°С

40°С

50°С

60°С

ΣСаО и MgO

ΣСаО и MgO

ΣСаО и MgO

1,0

74,61

80,71

86,62

88,07

89,21

90,29

74,08

79,84

83,49

84,86

85,99

87,13

71,91

75,70

80,88

81,89

86,69

87,67

1,5

80,19

85,90

89,89

90,91

91,92

92,60

76,97

82,57

86,20

87,91

88,68

89,94

75,67

80,31

84,90

87,61

89,81

91,86

2,0

82,44

88,24

92,23

92,96

93,56

94,06

79,76

84,71

88,61

90,53

91,19

92,09

78,29

83,69

87,97

90,34

91,64

93,69

3,0

86,19

90,59

94,19

95,25

95,73

96,14

83,81

88,50

92,32

93,92

94,47

95,19

82,19

88,40

91,65

92,05

93,79

94,87

4,0

88,31

92,57

95,72

96,68

97,07

97,41

87,19

91,47

94,73

96,07

96,39

96,87

83,30

90,54

93,09

93,49

94,97

95,96

5,0

90,10

94,22

96,81

97,51

97,78

98,08

89,53

93,41

96,11

97,19

97,58

98,03

84,61

91,73

93,98

94,52

95,77

96,74

10,0

93,26

96,41

97,94

98,37

98,52

99,07

92,77

95,82

97,57

98,09

98,40

99,09

87,21

94,38

96,25

96,67

96,79

97,85

15,0

94,41

97,49

98,46

98,63

98,88

99,62

93,68

96,58

98,07

98,44

98,79

99,30

89,19

95,31

97,21

97,26

97,62

98,09

20,0

95,53

98,05

98,96

99,01

99,10

99,77

94,52

97,31

98,51

98,98

99,15

99,54

90,22

96,25

97,81

97,94

98,07

98,81

25,0

96,11

98,57

99,47

99,52

99,61

99,83

95,40

98,19

99,08

99,33

99,58

99,69

91,07

97,17

98,59

98,59

98,68

99,49

30,0

96,83

99,30

99,67

99,73

99,82

99,87

96,21

98,91

99,50

99,69

99,75

99,79

91,93

98,01

99,30

99,59

99,71

99,76

 

Процесс взаимодействия доломита с соляной кислотой практически полностью завершается в течение 30 минут.

На рисунке 1 (а, б, в) приведена зависимость степени извлечения CaO и MgO в раствор от времени, температуры и концентрации соляной кислоты. Из рисунка следует, что кинетическая кривая процесса разложения доломита двухстадийная.

То есть вначале скорость процесса определяется скоростью химической реакции кислоты с доломитом (кинетическая область), а затем лимитирующим фактором становится скорость диффузии кислоты к доломиту и продуктов реакции в раствор.

Зависимость степени извлечения CaO и MgO от времени и температуры можно представить в виде трех областей: кинетической – I, промежуточной – II и диффузионной – III. В областях I и III характер зависимости степени извлечения CaO и MgO от времени и температуры близок к прямолинейному, поэтому процесс описывается кинетическим уравнением первого порядка [5].

По опытным данным рассчитаны константы скорости реакции и энергии активации процесса разложения образца доломита м. р. «Навбахор» (табл. 3). 

Таблица 3.

Зависимость константы скорости и энергии активации от температуры

Т, К

1/Т·103

25,0% HCl

31,0% HCl

35,0% HCl

К·10-2-1

Еa, ккал/моль

К·10-2-1

Еa., ккал/моль

К·10-2-1

Еa., ккал/моль

283

3,5

0,68432

2,22612

0,65173

2,54828

0,60017

3,04705

293

3,4

0,71369

0,68702

0,63961

303

3,3

0,74601

2,06928

0,72304

2,20557

0,68432

2,41401

313

3,2

0,78141

0,75315

0,71737

323

3,1

0,82082

1,61499

0,79798

1,70851

0,76043

2,11028

333

3,0

0,86020

0,84401

0,80869

 

Рисунок 1. Зависимость степени извлечения в раствор суммы CaO и MgO от концентрации соляной кислоты и температуры

 

Константа скорости реакции разложения доломита м. р. «Навбахор» в зависимости от температуры подчиняется уравнению Аррениуса и эмпирически выражается следующими уравнениями:

для 25,0% HCl      К = ;             для 31,0% HCl    К = ;

для 35,0% HCl      К= .

Рассчитанные по уравнениям значения lgК для 30 и 40°С хорошо укладываются на графике (рис. 2).

1 – 35,0% HCl; 2 – 31,0% HCl; 3 – 25,0% HCl

Рисунок 2. Зависимость константы скорости реакции от температуры при разных концентрациях соляной кислоты

 

Из рисунка видно, что зависимость константы скорости реакции от температуры выражается прямой линией.

На основании полученных результатов установлены оптимальные параметры процесса: концентрация HCl – 31,0%, время взаимодействия – 30 минут, температура – 30-40°С. При этом из доломита месторождения «Навбахор» в раствор извлекается 99,50-99,69% суммы CaO и MgO.

Выводы

Таким образом, исследованием кинетики процесса разложения доломита м. р. «Навбахор» в зависимости от указанных факторов установлены оптимальные параметры процесса: концентрация соляной кислоты – 31,0%, продолжительность взаимодействия – 30 минут, температура – 30-40°С. Наибольшее количество извлекаемых в раствор оксидов кальция и магния из доломита составляет порядка 99,50-99,69% СаО и MgO.

Из опытных данных следует, что кинетическая кривая процесса разложения доломита двухстадийная, вначале скорость процесса определяется скоростью химической реакции, затем лимитирующим фактором становится скорость диффузии кислоты к доломиту и продуктов реакции в раствор.

В начале и конце процесса характер зависимости lgКр от 1/Т близок к прямолинейному и процесс описывается кинетическими уравнениями первого порядка.

По опытным данным рассчитаны константы скорости и энергии активации в зависимости от температуры для каждых экспериментальных концентраций кислоты и получены соответствующие уравнения зависимостей констант скоростей от температуры, которые выражены эмпирическими уравнениями.

 

Список литературы:
1. Бозаджиев П., Узунова К., Михайлов Б. Исследования процесса разложения доломита фосфорной кислотой // Годишн. высщ. хим.-технол. ин-т. – София, 1981. – С. 24-30.
2. Дадаходжаев А.Т. Разработка и внедрение технологических процессов переработки доломита // Узбекский химический журнал. – Ташкент, 2015. – № 3. – С 53-57.
3. Иргашев И.К. Исследование взаимодействия магнийсодержащих фосфатов с разбавленными растворами фосфорной, серной и азотной кислот: Автореф. дис … канд. тех. наук. – Ленинград, 1971. – 15 с.
4. Методы анализа фосфатного сырья, фосфорных и комплексных удобрений, кормовых фосфатов / М.М. Винник, Л.Н. Ербанова, П.М. Зайцев и др. – М.: Химия, 1975. – 218 с.
5. Оспанов Х.К. Физико-химические основы избирательного растворения минералов. – М.: Недра, 1993. – 175 с.: ил. – ISBN 5-247-03046-Х.
6. Патент IAP 0485 Республики Узбекистан. Получение бишофита из местного сырья / У.Х. Хасанов, Ё.В. Хасанов, Т.Х. Раупов. – Заявлено 20.11.2014; Опубл. 28.11.2014 // Расмийахборотнома. – 2014. – № 11. – C. 18.
7. Разложение доломита азотной кислотой / М.Л. Чепелевецкий и. др. // Сообщение о науч.-техн. работах НИУИФ. Вып 2. – М.: 1957. – С. 36-58.
8. Семеновский Ю.А., Бобрикова Е.В. Минеральное сырье – доломит: Справочник. – М.: ЗАО «Геоинформ-марк», 1998. – 24 с.
9. Турамуротов И.Б. Минерально-сырьевая база Республики Узбекистан // Мат-лы Междунар- науч-техн. конф. «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития геологической отрасли Республики Узбекистан» (18 августа 2014 г., Ташкент). – Ташкент: ГП «НИИМР», 2014. – С. 7-9.
10. Baba A.A., Omipidan A.O., F.A. Adekola. Optimization study of Nigerian dolomite ore dissolution by hydrochloric acid. J. Chem. Technol. metall. 2014. Vol 49. No. 3. Р. 280-287.

 

Информация об авторах:

Хамракулов Зохидбек Абдусаматович Zohidbek Hamrakulov

д-р техн. наук, Ферганский филиал Ташкентского университета информационной технологии, 150118, Узбекистан, г. Фергана, ул. Мустакиллик, 185

Doctor of science in technics, Fergana branch of Tashkent university of information technology, 150118, Uzbekistan, Fergana, Mustakillik str., 185


Азизовa Умида Хабибуллаевна Umida Azizova

ассистент, Наманганский инженерно-технологический институт, Узбекистан, г. Наманган

Assistant, Namangan Engineering and Technology Institute, Uzbekistan, Namangan


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5122

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66236 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в: 

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

 

OpenAirediscovery

CiteFactor

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.