ТЕХНОЛОГИЯ СОЛЯНОКИСЛОТНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ АЛЮМОСИЛИКАТОВ

АННOТАЦИЯ

С целью разработки технологии получения коагулянта - сульфата алюминия из Гавасайской глины изучено разложение алюмосиликатной глины, предварительно увлажненной концентрированной соляной кислотой, и разработана технологическая схема получения продукта.

ABSTRACT

In order to develop a technology for obtaining a coagulant - aluminum sulfate from Gavasai clay, the decomposition of aluminosilicate clay, previously moistened with concentrated hydrochloric acid, was studied, and a technological scheme for obtaining the product was developed.

Ключевые слoва: алюмосиликаты, каолин, бентонит, глинозем, глинозем, коагулянт, сульфат алюминия, железо (III), водоподготовка, производство бумаги, солянокислотная обработка алюмосиликатов.

Keywords: aluminum silicates, kaolin, bentonite, alumina, alumina, coagulant, aluminum sulphate, iron (III), water treatment, paper manufacture, hydrochloric acid processing of aluminosilicates.

Алюмосиликаты, т.е. каолинитовые, монтмориллонитовые глины, алуниты и другие минералы являются очень ценным сырьем в производстве огнеупоров, керамики и используются для получения бумаги, сульфата алюминия, глинозема и др. химических веществ [1,2,3,4,5].

Путем кислотной, в частности сернокислотной обработки алюмосиликатов из них получают сульфат алюминия, который используется в качестве коагулянта на водоочистных, бумажных и других предприятиях [6,7,8,9,10]. Для такого процесса в составе было меньше комбинаций соединений железа (особенно Fe⁺²), с низким содержанием соединений требуется основной компонент - алюмосиликаты, богатые оксидом алюминия [11,12]. На оксиде алюминия, который имеет в своем составе много соединений железа, а также те компоненты, которые считаются важными для других отраслей обрабатывающей промышленности (например, соединения калия являются наиболее необходимым минеральным удобрением для сельского хозяйства), важно перерабатывать бедные алюмосиликаты и превращать их в эффективные продукты [13,14,15]. Наличие алюмосиликатов, состав и свойства которых различны в условиях территории Наманганской области, их свойства, запасы и возможности использования подробно изучены и продолжают изучаться. Работа по превращению таких гомашей в производительные продукты для народного хозяйства путем переработки является одной из важных задач, стоящих перед химиками и химиками-технологами [16,17,18]. Целью данного исследования является кислотная переработка Гавасайского монтмориллонита на целевые продукты [19,20,21,22,23,24].

С этой целью нами изучена солянокислотная переработка монтмориллонита Гавасайского месторождения, состава (масс.%): Al₂O₃ = 19,56; SiO₂ = 61,35; Fe₂O₃ = 2,70; FeO = 1,87; K₂O = 4,21; MgO = 1,46; TiO₂ = 1,29; CaO = 0,02 и др.

После измельчении природных пород их подвергали термической обработке при температуре 400-800^ОС. При этом каолинит, который содержится в составе монтмориллонита, переходит на высокоактивный метакаолинит:

Это соединение под действием кислот переходит в соответствующие соли. Из таблицы 1 видно, что в отличии от каолина при термообработке в газовую фазу выделяется до 4,24% летучих соединений (в каолине свыше 8%, в богатых породах доходят до 10-12%). Значит, в составе глин Гавасай основное количество SiO₂ находится в свободном виде. Так этого кремнезема можно выделить путем гидрообогащении и обогатить сырье полезными компонентами.

После термической обработке монтмориллонита в течение 60 минут обрабатывали соляной кислотой концентрацией 25% и для выделения алюминия на сульфат алюминий для регенерации анионита использовали серную кислоту, концентрацией 30,91%. Кислотной переработке подвергали прокаленный при температуре 600^ОС, в течение 1 часа, состава (масс.%): Al₂O₃ = 20,41; SiO₂ = 64,01; Fe₂O₃ = 2,82; FeO = 1,95; K₂O = 4,38; MgO = 1,41; TiO₂ = 1,34; CaO = 0,02.

Таблица 1.

Влияние технологических показателей термообработки минеральных глин Гавасай на химический состав

Основными показателями технологических параметров являются: влияние стехиометрической нормы соляной кислоты на содержание компонентов (Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, K₂O и MgO) в сырье и концентрации кислоты (т.е. Ж:Т) на выход Al₂O₃ и Fe₂O₃. При солянокислотной переработке глин образуются солянокислые соли соответствующих компонентов, содержащихся в составе глин. Процесс разложения прокаленного монтмориллонита соляной кислотой проводили в термостатированных условиях при температуре 80^ОС в течение одного часа в трехгорлой колбе, в одной из них установлен термометр, в другой обратный холодильник. В основное горло установлена мешалка, подсоединенная к электродвигателя. Концентрацию соляной кислоты варьировали в интервале 10-25%, стехиометрическую норму брали 90-105% по отношению масс компонентов (Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, K₂O и MgO) в сырье. В колбу сперва заливают кислоту, а затем дозируют глину. После процесса разложения суспензию отфильтровывали и в фильтрате определили содержания компонентов (табл. 2). На основании полученных данных вычисляли выход Al₂O₃ и Fe₂O₃. Результаты показали, что при стехиометрической норме кислоты 100% и концентрации ее 10% (Ж:Т = 5,81:1) в раствор переходит 47,5% Al₂O₃ и 42,2% Fe₂O₃. При этой норме и повышении концентрации кислоты до 25% (Ж:Т = 2,32:1) повышается выхода Al₂O₃ до 83,0% и Fe₂O₃ до 59,3%. Уменьшении нормы кислоты до 90% и концентрации до 20% приводит к снижению выхода Al₂O₃ до 72,9% и Fe₂O₃ до 40,5%. Повышение нормы кислоты до 105% при такой же концентрации приводит к повышению выхода Al₂O₃ до 83,9% и Fe₂O₃ до 57,8%. Эти результаты близки с результатами, полученным при использовании 25%-ной кислоты при норме 100% от стехиометрии. В случае использования нормы кислоты 105% от стехиометрии избыточную кислотность необходимо нейтрализовать.

Таблица 2.

Влияние технологических параметров солянокислотной переработки местных (Гавасай, Наманганской области) алюмосиликатных глин на химический состав промежуточных растворов и выход продукта

Поэтому оптимальной нормой соляной кислоты можно считать 100% и концентрацию 20-25%. При этом выход основных компонентов составляет по Al₂O₃ = 82,3-83,0% и по Fe₂O₃ = 55,1-59,3%. После фильтрации суспензии шлам промывали водой, а фильтрат возвращали на разбавление исходной кислоты.

Шлам можно использовать для получения строительных материалов.

Для замещения соединений хлоридов, содержащихся в фильтрате, на сульфатные соли, фильтрат пропускали через анионит с сульфат анионами. Нейтрализацию избыточной кислотности и осаждения соединений железа проводили введением в раствор, после ионитной очистки, карбоната кальция до рН среды 4,5-5,0. При этом в осадок выпадает 90-95% железа и 4-6% алюминия. В процессе нейтрализации раствор насыщали углекислым газом (CO₂). В результате карбонат кальция переходит в раствор по следующей реакции:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂                                          (1)

Бикарбонатам кальция осаждают железа по следующей реакции:

Fe₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ = 2Fe(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂                  (2)

Содержащееся в шламе железо, можно выделить кислотной переработкой или же шлам можно использовать в качестве флюса в черной металлургии.

Повышение рН среды раствора свыше 5,0 приводит к увеличению степени осаждения алюминия в твердую фазу, а при рН среды ниже 4,0 уменьшается степень осаждения железа в твердую фазу и продукт – сульфат алюминия загрязняется соединениями железа.

Упариванием полученного раствора получен высококачественный сульфат алюминия, состава (масс.%): Al₂O₃ = 14,4; Fe₂O₃ = 0,04; FeO = 0,02; H₂SO_4(своб.) = 0,07; н.о. = 0,1 и др.

Кроме целлюлозно-бумажной промышленности можно использовать кристаллизованный сульфат алюминия с примесью сернокислого соединения железа (III), полученный без осаждения железа.

Принципиальная технологическая схема и материальный баланс процесса солянокислотной переработки алюмосиликатов проведены на рис.1.

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема и материальный баланс процесса солянокислотной переработки алюмосиликатов Гавасай

Для получения 1044 кг коагулянта 1000 кг измельченная (размеры частиц 2-4 мкм) минеральная глина Гавасай (19,56% Al₂O₃) поступает в печь (желательно электропечь) и подвергается обжигу при температуре 600^ОС в течение 1 часа. В газовую фазу выделяется около 40 кг летучей фракции. Получают 960 кг (20,41% Al₂O₃) обоженной глины которую подают в реактор, который заранее заполнен 2230 кг соляной кислоты с концентрацией 25%. Сюда же поступает 630 кг оборотного раствор после отмывки шлама для установления соотношения Ж:Т = 2,90:1. При этом концентрация соляной кислоты в жидкой фазе составляет 20%. В реакторе процесс протекает при температуре 80^ОС в течение 1 часа при непрерывном перемешивании. Выделяющуюся 73 кг парогазовую смесь (пары воды и соляной кислоты) направляют в абсорбер и очищенную фазу выбрасывают в атмосферу.

Полученную 3747 кг суспензию (5,90% Al₂O₃) направляют на фильтрующее устройство для разделения жидкой (2733 кг) и твердой (1014 кг, 5,18% Al₂O₃) фаз.

Твердую фазу отмывают 300 кг воды и отмытый (930 кг, 3,84% Al₂O₃, 1,35% Fe₂O₃ и ~20% H₂O) шлам выбрасывают в отвал. Полученный фильтрат отправляют через сборник в цикл.

Раствор, полученный при фильтрации, направляют в ионитную колонну SO₄^--форме, где хлорид ионы заменяются SO₄^--ионами. Раствор, содержащий сернокислых солей алюминия, железа и других катионов направляют в нейтрализатор, нейтрализуют карбонатом кальция (мел, содержащий 95% CaCO₃) и насыщают углекислым газом. При этом в газовую фазу выделяется 190 кг парогазовой смеси. Суспензию подают на фильтр для разделения жидкой (2356 кг, 6,42% Al₂O₃) и твердой (680 кг, 2,54% Al₂O₃) фаз. Твердую фазу отмывают 204 кг воды, а полученный (632 кг, 1,39% Al₂O₃, 2.26% Fe₂O₃ и около 14% H₂O) шлам выбрасывают в отвал. Фильтрат подают через сборник в цикл.

Основной фильтрат в количестве 2356 кг (6,42% Al₂O₃) подают на выпарку и упаривают до состоянии плава (1076 кг). При этом в газовую фазу выделяется 1280 кг воды. Плав кристаллизуют на барабанном кристаллизаторе (испаряется 32 кг воды) с получением 1044 кг продукта – коагулянта, содержащего 14,4% Al₂O₃, 0,04% Fe₂O₃, 0,02% FeO и др.

Регенерацию анионита производят серной кислотой, концентрацией 30,91%, а регенерат, содержащий соляную кислоту, используют в процессе разложении сырья.

Таким образом, установлены оптимальные условия солянокислотной переработки алюмосиликатов с относительно низким содержанием Al₂O₃ и повышенным содержанием соединений железа. Оптимальными условиями являются: температура обжига 600^ОС, время обжига 60 минут, концентрации соляной кислоты 25%, норма кислоты 100% от стехиометрии (Ж:Т = 2,9), температура разложения 80^ОС, время 60 минут. В результате из монтмориллонитовых глин в раствор переходит 82% алюминия и 55% железа.

Список литературы:

1. Мамаджонов, З. Н. (2018). Исследование процессов сернокислотной переработки местных алюмосиликат и получение коагулянтов на их основе.
2. Dybina P.V. Technology of mineral salts. - M .: Goshimizdat, 1949. - S. 224.
3. Shamshidinov, I. T., Mamadaliev, A. T., & Mamajanov, Z. N. (2014). Optimization of the process of decomposition of aluminosilicate of clays with sulfuric acid. In The First International Conference on Eurasian scientific development (pp. 270-275)..
4. Мамаджанов, З. Н., & Шамшидинов, И. Т. (2018). Исследование процесса выщелачивания алюминия из каолиновых глин Ангренского месторождения. Universum: технические науки, (3 (48)), 33-36.
5. Shamshidinov I. T., Mamajanov Z. N. Use of low-grade of phosphorites at picking calcium and microelement containing nitrogen-phosphorus fertilizers // Europaische Fachhochschule. – 2014. – №. 3. – С. 117-119.
6. Шамшидинoв И. Т., Мамаджанoв З. Н., Мамадалиев А. Т. Изучение кoагулирующей спoсoбнoсти сульфата алюминия пoлученнoгo из ангренскoгo каoлина //НАУКА XXI ВЕКА: ТЕOРИЯ, ПРАКТИКА, ПЕРСПЕКТИВЫ. – 2014. – С. 48-55.
7. Шамшидинов, И. Т., Мамаджанов, З. Н., Арисланов, А. С., & Мамадалиев, А. Т. (2023). СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ КОМПЛЕКСНЫХ УДОБРЕНИЙ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ. Universum: технические науки, (4-6 (109)), 17-23.
8. Мамаджанов, З. Н., Шамшидинов, И. Т., Абдуллаев, А. Н., Турсунов, Л. А., & Сайфидинов, О. И. ИЗУЧЕНИЕ КОАГУЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СУЛЬФАТА АЛЮМИНИЯ НА ОСНОВЕ АНГРЕНСКОГО КАОЛИНА. Achemistry, 199.
9. Mamadaliev, A., Mamadjonov, Z., Arislanov, A., & Isomiddinov, O. (2022). ҚИШЛОҚ ХЎЖАЛИГИДА УРУҒЛИК ЧИГИТЛАРНИ АЗОТ ФОСФОРЛИ ЎҒИТЛАР БИЛАН ҚОБИҚЛАШ. Science and innovation, 1(D5), 180-189.
10. Арисланов, А. С., Шамшидинов, И. Т., Мамаджонов, З. Н., & Рустамов, И. Т. (2020). Способ получения сульфата алюминия из местных бентонитов. In International scientific review of the problems of natural sciences and medicine (pp. 11-17).
11. Гафуров, К., Мамадалиев, А. Т., Мамаджанов, З. Н., & Арисланов, А. С. (2022). Комплекс минерал озуқаларни хўжаликлар шароитида тайѐрлаш ва қишлоқ хўжалиги уруғларини макро ва микро ўғитлар билан қобиқлаш.
12. Соддиков, Ф. Б., Мамаджанов, З. Н., Турсунов, Л. А., & Юлдашева, М. А. (2021). ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИТЕРМА РАСТВОРИМОСТИ ТРЕХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ [20, 0% KCL+ 80, 0% NACL]-NH4HCO3-H2O. Universum: технические науки, (4-4 (85)), 42-45.
13. Arislanov, A., Abdullaev, M., Mamadaliev, A., Mamadjonov, Z., & Isomiddinov, O. (2022). Пахта ҳосилдорлигини оширишда уруғлик чигитларни минерал ўғитлар билан қобиқлаш ва электрокимёвий фаоллашган сув билан ивитиб экиш. Science and innovation, 1(D5), 171-179.
14. Жалолдинов, А. Б., Соддиков, Ф. Б., Мамаджанов, З. Н., & Турсунов, Л. А. (2021). Исследование распределения химического состава и кальциевого модуля мытого обожженного фосфоритового концентрата Центрального Кызылкума по фракциям. Universum: технические науки, (8-2 (89)), 33-36
15. Mamadjanov, Z., Mamadaliev, A., Bakieva, X., & Sayfiddinov, O. (2022). СУЮҚ ЎҒИТАММИАКАТЛАР ОЛИШ ВА УЛАРНИ ИШЛАТИШ УСУЛЛАРИ. Science and innovation, 1(A7), 309-315.
16. Mirjalol, K., Kholtura, M., & Zokir, M. (2019). Study of the process of ammonization of nitrogen-acid solutions of the leaving of the kaolin clays of the Angren deposit. CHEMISTRY AND CHEMICAL ENGINEERING, 2019(1), 2.
17. Мамадалиев, А. Т., & Бакиева, Х. А. СУЮҚ ЎҒИТ-АММИАКАТЛАР ОЛИШ ВА УЛАРНИ ИШЛАТИШ УСУЛЛАРИ Мамаджанов Зокиржон Нематжонович. PhD, доцент.
18. Кенжаев, М. Э., Мирзакулов, Х. Ч., & Мамаджанов, З. Н. (2019). Исследование процесса аммонизации азотнокислых растворов выщелачивания каолиновых глин Ангренского месторождения. Химия и химическая технология,(1), 8-11.
19. Мамадалиев, А. Т., & Мамаджанов, З. Н. (2022). Минерал ўғитлар ва микроэлементли композицияларни сувдаги эритмаси билан қобиқланган тукли чигитларни лаборатория-дала шароитида синаш натижалари. Экономика и социум, (2-1 (93)), 382-387.
20. Шамшидинов, И., Мамаджанов, З., Мамадалиев, А., & Ахунов, Д. (2014). Ангрен каолинларига термик ишлов бериш жараёнини саноат шароитида ўзлаштириш. ФарПИ илмий-техник журнали. Фарғона, 4, 78-80.
21. Шамшидинов, И. Т., Тураев, З., Мамаджанов, З. Н., Мамадалиев, А. Т., & Уктамов, Д. А. (2015). Таркибида кальций тутган микроэлементли азот-фосфорли ўғитлар олишда куйи навли (-15% Р2О5) фосфоритлардан фойдаланиш. Ўзбекистон Республикаси Фанлар Академиясининг маърузалари, 3.
22. Шамшидинов, И. Т., Тураев, З., Мамаджанов, З. Н., Мамадалиев, А. Т., & Уктамов, Д. (2015). Получение микроэлемент содержащих удобрений типа двойного суперфосфата с использованием бедных фосфоритов. Узбекский химический журнал, 3.
23. Nematjonovich, M. Z., & Tukhtamirzaevich, M. A. (2023). PRODUCTION OF LIQUID FERTILIZERS AND THEIR SIGNIFICANCE IN THE ECONOMY. PRINCIPAL ISSUES OF SCIENTIFIC RESEARCH AND MODERN EDUCATION, 2(1).
24. Шамшидинов, И. Т., Мирзакулов, Х. Ч., & Мамажанов, З. Н. (2017). Исследование процесса получение удобрения типа двойного суперфосфата из фосфоритов Каратау. Химия и химическая технология, (1), 12-15.