ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ СУЛЬФАТА ЦИНКА И ЭФК

АННОТАЦИЯ

Предметом данного исследования является концентрация растворов сульфата цинка и извлечение фосфорной кислоты (EFA) из цинковых концентраций из месторождения Хандиза. Во-первых, были изучены плотность, вязкость и другие соответствующие характеристики чистого раствора сульфата цинка в связи с его физическими и химическими свойствами. Высококонцентрированный раствор был получен в процессе испарения, показывая более высокие уровни концентрации цинка. В частности, добавление дополнительного пара к испарению под высоким давлением значительно повышает термическую эффективность и облегчает удаление примесей. Результаты показывают, что более высокие скорости испарения повышают концентрацию цинка и вызывают соответствующее увеличение других вспомогательных элементов. Исследование также подчеркивает значение температуры и то, как она влияет на плотность и вязкость растворов. Эти результаты предоставляют ценную информацию для улучшения процедур извлечения цинка для промышленного использования, подчеркивая возможность создания более эффективных и экологически чистых процессов в химическом секторе.

ABSTRACT

The concentration of zinc sulfate solutions and the extraction of phosphorus acid (EFA) from zinc concentrations from the Khandiza deposit are the subjects of this investigation. First, the density, viscosity, and other pertinent features of a pure zinc sulfate solution were studied in relation to its physical and chemical properties. A highly concentrated solution was produced by the evaporation process, showing higher zinc concentration levels. Notably, adding additional steam to high-pressure evaporation greatly improves thermal efficiency and makes impurity removal easier. The findings demonstrate that higher evaporation rates raise zinc concentrations and cause corresponding increases in other ancillary elements. The study also highlights the significance of temperature and how it affects the density and viscosity of the solutions. These results offer valuable information for improving zinc extraction procedures for industrial use, highlighting the possibility of creating more effective and environmentally friendly processes in the chemical sector.

Ключевые слова: сульфат цинка, извлечение фосфорной кислоты, процесс концентрации, цинковый концентрат, месторождения Хандиза.

Keywords: zinc sulfate, phosphoric acid extraction, concentration process, zinc concentrate, Khandiza deposits.

Введение. Целью данного исследования было определение экологических рисков остатков экстракции цинка. Для этой цели; влияние pH, времени контакта и соотношения жидкость/твердое вещество на выщелачивание загрязняющих веществ в остатках экстракции цинка (ZER) было исследовано в экспериментах по выщелачиванию партиями, а потенциал загрязняющих веществ был определен с использованием процедуры выщелачивания с характеристикой токсичности (TCLP), процедуры выщелачивания синтетическим осаждением (SPLP), процедуры многократной экстракции (MEP) и последовательных экстракций [1].

Его химические свойства представляют интерес для многих исследователей, и его использование по-прежнему актуально. Это химическое соединение представляет собой яркий белый порошок. Фосфаты цинка также вызывают интерес как люминесцентные материалы [2].

Исследования по экстракции растворителем/электролизу цинка проводились с использованием ди-2-этилгексилфосфорной кислоты (D2EHPA), разбавленной в керосине в качестве органического экстрагента. Восстановление цинка из органической фазы достигалось с использованием отработанного раствора электролита. Было проведено несколько стадий испытаний по экстракции растворителем цинка для получения сильного кислотного электролита, подходящего для испытаний по электролизу. Белый цвет пигмента позволяет использовать его в широком цветовом диапазоне [3-4].

Исследования по экстракции растворителем/электролизу цинка проводились с использованием ди-2-этилгексилфосфорной кислоты (D2EHPA), разбавленной в керосине в качестве органического экстрагента. Восстановление цинка из органической фазы достигалось с использованием отработанного раствора электролита. Было проведено несколько стадий испытаний по экстракции растворителем цинка для получения сильного кислотного электролита, подходящего для испытаний по электролизу. В данной исследовательской работе основное внимание уделяется удалению мышьяка из загрязненной воды с использованием наноматериалов оксида цинка (ZnO), функционализированных ацетатом. Наноматериалы ZnO разных размеров (6–60 нм) были синтезированы с использованием различных мокрых химических путей. Эффективность удаления мышьяка наноматериалами ZnO, функционализированными ацетатом, была исследована при различных значениях pH и временных интервалах. Изучается естественная и искусственная мобилизация свинца, кадмия и мышьяка в отходах гидрометаллургии цинка с целью установления потенциально опасных уровней для окружающей среды и связанных с ними рисков в неконтролируемых ситуациях  [5-7].

Экспериментальная часть. Для определения оптимальных  параметров получения фосфата цинка из раствора сульфата цинка полученного их цинкового концентрата месторождения Хандиза и ЭФК изучены физико-химические свойства (плотность, вязкость, давление насыщенных паров) полученного 14,88%-ного раствора сульфата цинка. Полученный 14,88% раствор сульфата цинка был очищен от различных примесей, которые перечислены в предыдущих разделах.

Полученный 14,88% раствор сульфата цинка упаривали с получением раствора сульфата цинка, содержащего 24% цинка.

Вторичный пар, образующийся в процессе выпаривания, можно снова использовать в процессе выпаривания и для других целей. В этом методе, поскольку процесс ведется при высоком давлении, температура кипения растворов значительно возрастает.

Повторное использование вторичного пара, выделяющегося при испарении под высоким давлением, позволяет полностью использовать тепло по сравнению с вакуумным испарением. Поэтому этот метод применяют только для упаривания термостойких растворов.

В промышленных масштабах предлагается процесс проводить в многокорпусных испарителях, которые часто собираются из нескольких аппаратов. В таких устройствах в первом случае используется только первичный пар. Во втором, третьем и ключевом случаях использование вторичного пара, выделяемого в предыдущем случае, это даст возможность использовать неприрывную технологию и приведет к снижению расхода пара.

Результаты и их обсуждение. В лабораторных условиях исследования по приготовлению раствора сульфата цинка, содержащего 24% цинка, проводились в стеклянном реакторе, снабженном термостатом.

Состав раствора сульфата цинка, взятого на упаривание (мас.%): Zn-14,88; Ca-0,065; Fe-0,011; Cu-0,0008; Cd-0,0004; Pb-0,0006; K-0,004. Плотность очищенного раствора сульфата цинка определяли ареометром.

Для повышения степени конверсии быль получен раствора сульфата цинка с содержанием 24% Zn.

Состав растворов сульфата цинка представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав раствора сульфата цинка

Из таблицы видно, что с увеличением количества Zn в очищенных растворах сульфата цинка пропорционально увеличивается и содержание других компонентов.

Так, содержание компонентов в растворе сульфата цинка с 24% Zn составляет: Са 0,065-0,104%, Fe 0,011-0,017%, Cu 0,0008-0,0012%, Pb 0,0006-0,0009% и K 0,004-0,006%.

Полученные результаты показывают, что чем больше выпаривается раствор сульфата цинка, тем больше увеличивается его концентрация вместе с другими элементами в его составе. Концентрация раствора сульфата цинка составляет 14,88%, а плотность 1,184 г/см³ при температуре 20°С. Его плотность при 20°С составляет 1,320 г/см³ при концентрации Zn 10%. При повышении температуры до 40°С их плотность составляет 1,173 г/см³ и 1,308 г/см³ при концентрации Zn 18,23% и 30% соответственно.

Для проведения экспериментов были использованы ЭФК производства АО «АммофосМаксам» следующего состава (мас.%): Р₂О₅-18,23; СаО -0,60; MgО -0,38; Аl₂О₃-0,48; Fе₂О₃-0,35; SО₃-0,23. Изучены физико-химические свойства ЭФК (плотность, вязкость, давление насыщенных паров).

Экстракционная фосфорная кислота, полученная из фосфоритов Центральных Кызылкумов, характеризуется высоким содержанием фтора, сульфата и магния. Особенно негативную роль играют фторидные соединения. В связи с этим для наших исследований были получены дефторированная экстракная фосфорная кислота на основе загрязненных фтором фосфоритов Центральных Кызылкумов.

Экстракционную фосфорную кислоту выпаривали для повышения концентрации кислоты.

Исследования по получению концентрированной экстракционной фосфорной кислоты проводили в стеклянном реакторе, снабженном механической мешалкой и установленном в термостате. Экстракцию предварительно очищали от сульфата и фторида с использованием фосфатно-фосфорного концентрата и солей карбоната натрия и метасиликата. Процесс коцентрировании экстракционной фосфорной кислоты проводили с ЭФК состава (мас.%): Р₂О₅-18,23; SО₄-0,23; СаО-0,60; MgO-0,38; Fе₂О₃-0,35; AI₂O₃-0,48; F-0,30 были в наличии. Плотность очищенных экстракционных фосфорных кислот определяли ареометрами.

Концентрированные экстракционные фосфорные кислоты с содержанием 50% P₂O₅ получают упариванием дефторированной и десульфатированной экстракционной фосфорной кислоты.

Состав фосфорных кислот представлен в таблице 2.

Таблица 2.

 Химический состав экстракционной фосфорной кислоты

Из таблицы видно, что с увеличением содержания Р₂О₅ в очищенных кислотах пропорционально увеличивается и содержание других компонентов.

Так, в кислоте с 50% P₂O₅ содержание оксида кальция составляет от 0,60% до 1,64%, магния от 0,38% до 1,04%, оксида железа от 0,35% до 0,95%, оксида алюминия увеличивается с 0,48% до 1,31% с увеличением сульфат-ионы. Увеличивается с 0,23% до 0,63%. Количество фтора снижается с 0,99% до 0,38%. Полученные результаты показывают, что чем больше выпаривается экстракционная фосфорная кислота, тем больше увеличивается ее концентрация, а количество фтора в ней уменьшается, что способствует удалению фтора. Концентрация P₂O₅ в ортофосфорной кислоте составляет 18,23%, а плотность 1,184 г/см₃ при температуре 20°С. Плотность P₂O₅ при 200°С составляет 1,320 г/см³ при концентрации 30%. При повышении температуры до 400°С концентрации P₂O₅ составляют 18,23% и 30% соответственно, а их плотность 1,173г/см³ и 1,308г/см³. Из этих результатов видно, что при одинаковой температуре их плотность увеличивается по мере увеличения концентрации P₂O₅ в экстрагируемой фосфорной кислоте. С повышением температуры их плотность уменьшается. Таким образом, повышение концентрации десульфурированных и дефторированных экстрагируемых фосфорных кислот осуществляли путем выпаривания экстракционной фосфорной кислоты. Видно, что количество остальных компонентов вместе с P₂O₅ увеличилось, только количество фтора уменьшилось с 0,3% до 0,15%. Изучено также влияние концентрации и температуры очищенных кислот на вязкость и плотность.

Заключение. Исследования подтверждают, что процесс упаривания является удобным методом концентрирования растворов сульфата цинка и одновременно эффективного удаления примесей. Достижение концентрации цинка 24% из исходного 14,88% раствора демонстрирует эффективность и практичность метода. В исследовании также подчеркивается важность использования вторичного пара в процессе испарения, что способствует максимальному использованию тепловой энергии и энергоэффективности. Результаты подчеркивают необходимость постоянной оптимизации процессов экстракции цинка и фосфорной кислоты, подчеркивая потенциал повышения устойчивости и снижения воздействия на окружающую среду при промышленном применении.

Список литературы:

1. Özverdİ, A. and Erdem, M., 2010. Environmental risk assessment and stabilization/solidification of zinc extraction residue: I. Environmental risk assessment. Hydrometallurgy, 100(3-4),pp. 103-109. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2009.10.011
2. Samadiy, M., Ramazonova, D., Umarov, S., Shamishova, A., Mamatova, K., Ayakulov, N., Samadiy, M. Solubility Studies of Sulfates of Copper, Zinc and Cobalt in Phosphoric Acid at 30 ºC // Asian Journal of Chemistry. – 2023. Vol.35(9), pp. 2285–2288. https://doi.org/10.14233/ajchem.2023.28499.
3. Neira, M., O'Keefe, T.J. and Watson, J.L., 1992. Solvent extraction reagent entrainment effects on zinc electrowinning from waste oxide leach solutions. Minerals Engineering, 5(3-5), pp.521-534. https://doi.org/10.1016/0892-6875(92)90231-W
4. Lee, Ch., Madhusudan, P., Kim, J.O. Recovery of phosphate using a zinc oxide/hydroxide and lanthanum hydroxide nanoflower adsorbent prepared via co-precipitation in water // Separation and Purification Technology. – 2024. – Vol.30. pp. 125313. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125313.
5. Carmona, D.M., Cano, Á.F. and Arocena, J.M., 2009. Cadmium, copper, lead, and zinc in secondary sulfate minerals in soils of mined areas in Southeast Spain. Geoderma, 150(1-2), pp.150-157. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2009.01.023
6. Singh, N., Singh, S.P., Gupta, V., Yadav, H.K., Ahuja, T., Tripathy, S.S. and Rashmi, 2013. A process for the selective removal of arsenic from contaminated water using acetate functionalized zinc oxide nanomaterials. Environmental Progress & Sustainable Energy, 32(4), pp.1023-1029. https://doi.org/10.1002/ep.11698
7. Martínez-Sánchez, M.J., Solan-Marín, A.M., Hidalgo, A.M. and Pérez-Sirvent, C., 2019. Characterization and mobilization of toxic metals from electrolytic zinc waste. Chemosphere, 233, pp.414-421. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.05.257