Исследование процесса выщелачивания алюминия из каолиновых глин Ангренского месторождения

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.

Из алюмосиликатов большое народнохозяйст­венное значение имеют каолины, алуниты, нефелины, бокситы, монтмориллониты. Они используются в алюминиевом производстве, из них изготавливают фарфор, керамзит, глиняную посуду, сувениры, силикатные кирпичи, бенто­порошки и др.

Каолины относиться к группе мономинеральных глин. Глины отличаются от каолинов более высокой дисперсностью частиц каолинита, большей пластич­ностью, способностью спекаться при высоких температурах и содержат более 50% минерала каолинита – Al₂Si₂O₅(OH)₄. В глинах преобладают частицы менее 2 мкм, в каолинах – менее 5 мкм.

В Узбекистане разведано 2 крупных месторож­дения каолина – Ангренское в Ташкентской и Альянс – в Самаркандской областях [2, 5].

Однако, каолинитовые глины из-за низкого содержания алюминия (Al₂O₃ = 13-25%), высокого содержания железа (Fe₂O₃ = 1,5-6,0% иногда до 12%) и оксида кремния (30-80%) в настоящее время не перерабатываются. На окраинах города Ангрен имеется более 0,45 миллиарда тонн серых вторичных каолинов, состава Al₂O₃ = 19-25%; Fe₂O₃ = 1,5-4,5%; SiО₂ = 40-58% и др.

Сырьевые ресурсы алюминия разнообразны, имеют свойственный только им состав, отличаются кристаллической структурой вследствие чего отличаются по выходу основного вещества при кислотно-щелочной переработке. Поэтому необходимо для каждого вида сырья проведение отдельных научных и технологических подходов, выбор наиболее подходящих методов переработки. Известные в мировой практике технологии не приемлемы для переработки каолиновых глин Ангренского месторождения.

Кислотные методы переработки алюминий­содержащего сырья предусматривают стадию предварительного обжига для перевода алюмосиликатов в более растворимую в кислотах форму.

Интерес к азотнокислотному вскрытию алюмини­йсодержащего сырья связан с легкостью регенерации кислоты путем термического гидролиза. При вскрытии непрокаленного аргиллита и боксита 40% кислотой степень извлечения не превышает 35-54%, соответственно. Использование предварительного обжига при температуре 650-750⁰С в течение 3 часа позволяет повысить степень извлечения алюминия до 81,6 и 98,32% соответственно [1].

Степень извлечения оксида алюминия из влади­мирских каолинов 20%-ной Н₂SO₄, не превышает 2-3% [6]. С увеличением температуры обжига образуется высокоактивный метакаолинит, легко разлагаемый серной кислотой по реакции:

Al₂O₃ · 2SiO₂ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 2SiO₂+ 3H₂O                     (1)

Степень извлечения оксида алюминия в раствор в результате этого резко повышается до 90%. С увеличением температуры обжига до 850⁰С и особенно до 900⁰С извлечение алюминия в раствор снижается, что объясняется образованием у-Al₂O₃ и муллита, труднорастворимых в серной кислоте [4]. Кремнезем в растворах Н₂SO₄ растворяется незначительно, и его содержание в сульфатном растворе невелико (0,1-0,2 г/дм³).

Сульфат алюминия являются наиболее эффек­тивным и широко применяемым коагулянтом, который находит широкое применение в промышленности при очистке производственных и сбросных вод, водоподготовке, в целлюлозно-бумажной промышленности, дублении кожи, крашении тканей [3]. Однако, несмотря на наличие мощной сырьевой базы для производства коагулянтов на основе солей алюминия они в Республике не производятся и завозятся в большем количестве из-за рубежа.

Поэтому исследования, направленные на пере­работку имеющихся каолиновых глин, на получение коагулянта – сульфата алюминия являются актуальными.

С целью переработки каолиновых глин Ангренского месторождения на сульфат алюминия изучено влияние продолжительности процесса термообработки каолиновых глин, нормы и концентрации серной кислоты, температуры, продолжительности процесса разложения каолина растворами серной кислоты на степень извлечения оксида алюминия в раствор.

Для исследований использовали каолиновые глины Ангренского месторождения, содержащие (масс. %): Al₂O₃ = 21,73; Fe₂O₃ = 1,68; SiO₂ = 65,2; TiO₂ = 0,4; СаО = 0,4; MgO = 0,65; R₂O = 0,8; SO₃ = 0,6; п.п.п. = 8,5.

На рисунке 1 приведены данные влияние продол­жительности прокалки при температуре 650^ОС на степень извлечения оксидов алюминия и железа в раствор 60%-ной серной кислоты при ее норме 100%.

Из рисунка видно, что с увеличением продолжительности прокалки с 30 мин до 300 мин степень извлечения алюминия повышается с 56,5% до 96,1%, при этом степень извлечения железа составляет 81,8%. Повышение продолжительности прокалки свыше 1 часа практически не влияет на степень извлечения оксидов алюминия и железа.

Дальнейшие исследования были направлены на изучения влияния технологических параметров на степень извлечения оксидов алюминия и железа из прокаленных каолиновых глин Ангренского месторождения.

Влияние концентрации серной кислоты изучали при 100%-ной норме, температуре 80⁰С и продолжительности процесса 1 час. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Из таблицы видно, что максимальная степень извлечения оксида алюминия отмечается при концентрации серной кислоты 60%. При этом степень извлечения алюминия составляет 97,1%, а железа 82,5%.

Рисунок 1. Влияние продолжительности процесса прокалки на степень извлечения: 1 – Al₂O₃, 2 – Fe₂O₃

Таблица 1.

Влияние концентрации серной кислоты на степень извлечения алюминия из прокаленного каолина

В таблице 2 приведены данные влияния нормы серной кислоты на степень извлечения оксидов алюминия и железа при концентрации кислоты 50, 55 и 60%, температуре 80⁰С и продолжительности процесса 1 час.

Таблица 2.

Влияние нормы и концентрации серной кислоты на степень извлечения оксида алюминия из прокаленного каолина

Из таблицы 2 видно, что с повышением нормы серной кислоты степени извлечения оксидов алюминия и железа возрастают и достигают значений 78,2-99,8 % и 84,6-88,8%, соответственно. Однако, с повышением концентрации серной кислоты с 50% до 60% степень извлечения окислов железа в раствор снижается. Так, при норме серной кислоты 100% степень извлечения оксида алюминия повышается с 75,7 до 97,1%, тогда как степень извлечения оксида железа снижается с 83,5 до 82,5%.

Приведенные исследования показали возможность переработки каолинов Ангренского месторождения сернокислотным методом. Для этого необходимо каолиновые глины прокалить при температуре 650-700^ОС в течение не менее 1 часа, а выщелачивание осуществлять серной кислотой с концентрацией 60% при норме кислоты не менее 100% из расчете на оксиды металлов. При этом степень извлечения алюминия составляет 97,1%, железа 82,5%.