Получение буркеита из сульфатных солей Узбекистана

Буркеит (2Na₂SO₄·Na₂CO₃) является важнейшим компонентом для получения эффективных и экологически безопасных синтетических моющих средств (СМС). Экспериментально установлено, что при содержании в СМС 20-40% буркеита, повышается его главная моющая функция.

Существуют различные технологии получения буркеита [1-3]. В частности, применяется способ [3], где с целью повышения содержания буркеита в продукте к раствору сульфата натрия добавляют карбонат натрия при соотношении сульфата и карбоната натрия от 95:5 до 75:25. Такая процедура позволяет достигать концентрации суммы солей 10-25 масс.%, а содержание буркеита в продукте при этом достигает более 80 %.

Вместе с тем следует отметить, что у данного метода имеются существенные недостатки, обуслов­ленные необходимостью применения чистого сульфата натрия и высоких энергозатрат для удаления избыточной воды из 10-25% раствора. При этом выход целевого продукта –буркеита не превышает 80-85%.

В другом способе [4] очистка сульфатов производится кальцинированной содой, в результате чего происходит выделение малорастворимой соли – буркеита. Затем осадок буркеита отделяют на вакуум-фильтре и промывают небольшим количест­вом воды, а фильтрат направляют на дальнейшее выпаривание.

Недостатками и этого способа также являются повышенные энергозатраты, недостаточная степень очистки сульфатов и невысокое содержание буркеита в готовом продукте.

Целью настоящего исследования является разработка технологии более экономичного способа получения буркеита из местных сырьевых источников.

Исходным сырьем для получения буркеита служил мирабилит Тумрюкского месторождения и Аральского моря. В работе также использовалась кальцинированная сода Унитарного предприятия (УП) «Кунградский содовый завод».

Теоретической основой разрабатываемой техно­логии послужил анализ и обобщение литературных данных о бинарных системах и экспериментальное исследование узловых точек тройной системы Na₂CO₃-Na₂SO₄-H₂O, что, в свою очередь, позволило изучить взаимную растворимость солей в данной системе изотермическим методом при температурах 30 и 70⁰С [5; 6].

Экспериментально было установлено, что в интервале концентрации растворов 24,81-30,80% и 0,0-7,0% сульфата и карбоната натрия, соответственно, в системе кристаллизуется тенардит. Интервалу концентраций 3,90-24,70% сульфата натрия и 8,06-28,90% карбоната натрия соответствуют области кристаллизации буркеита (2Na₂SO₄·Na₂CO₃), который занимает основную часть диаграммы растворимости. Это указывает на его малую растворимость относительно других компонентов системы. Области кристаллизации одноводного карбоната натрия соответствует раствор с содержанием 0-2,35% Na₂SO₄ и 29,91-31,37% Na₂CO₃.

Анализ диаграммы растворимости при 70⁰С показывает, что наблюдается исчезновение полей кристаллизации мирабилита, семи- и десятиводного карбоната натрия и появление поля кристаллизации моноводного карбоната натрия.

Таким образом, по результатам анализа системы Na₂SO₄ - Na₂CO₃ - H₂O предложено два варианта получения буркеита.

Первый вариант включает четыре стадии, а другой – две.

Стадиями первого варианта являются:

• очистка раствора сульфата натрия;
• получение тенардита и растворов при 30^оС и 70^оС;
• получение буркеита и карбоната натрия;
• получение буркеита и растворов при 30^оС и 70^оС из тенардита, образующегося на третьей стадии.

Стадии второго варианта являются:

• очистка раствора сульфата натрия;
• получение буркеита и растворов при 30^оС и 70^оС из очищенных растворов сульфата и карбоната натрия.

Расход исходных компонентов рассчитывался по специально разработанным формулам для каждого варианта и этапа производственного процесса [7].

Как было отмечено выше, в экспериментальных исследованиях использовали природный мирабилит побережья Аральского моря состава, масс. %: Na₂O - 37,41; SO₄ - 57,66; CaO - 0,06; MgO - 0,02; нерастворимые вещества - 0,1; известковое молоко 5%-ной концентрации и кальцинированную соду, произведенную на УП «Кунградский содовый завод».

Очищенные при различных температурах растворы сульфата натрия имели следующий химический состав, масс. %:

• при 30^оС: Na₂SO₄ – 29,15; CaO – 0,001; MgO – 0,002;
• при 70^оС: Na₂SO₄ – 30,80; CaO – 0,001; MgO – 0,003.

При очистке 100 кг раствора при 30⁰С и 70⁰С получается 22,35 и 23,60, соответственно, по первому технологическому варианту получения буркеита и 42,0 и 49,69 кг буркеита – по второму варианту.

Экспериментальные данные показали, что с повышением температуры от 30 до 70^оС выход буркеита повышается с 22,35 до 42,00 кг при 30^оС и с 23,60 до 49,69 кг при 70^оС по первому и второму варианту, соответственно. Таким образом, оптимальным можно считать второй вариант процесса, осуществляемый при 70^оС.

Изучение системы Na₂CO₃-Na₂SO₄-H₂O также показывает, что для получения буркеита из очищен­ных растворов сульфата натрия, концентрацию последнего необходимо поддерживать в интервалах 29-30 %.

В таблице 1 приведены результаты химического анализа образцов буркеита, полученных на модель­ной установке при соответствующих температурных и концентрационных режимах, а на рисунке 1 представлены рентгенограммы этих образцов [8].

Таблица 1.

Результаты химического анализа образцов буркеита, полученных на модельной установке

Образец № 1

Образец № 2

Образец № 3

Рисунок 1. Рентгенограммы образцов буркеита, полученных на модельной установке в условиях, соответствующих номерам образцов табл.1

Из полученных результатов химического и рентгенофазового анализов образцов на содержание в них Na₂O, SO₃ и CO₂ следует, что состав и кристаллические характеристики полученного продукта соответствуют природному минералу буркеит - 2Na₂SO₄ ∙ Na₂CO₃.

В ранее предложенной нами технологии [7], процесс получение буркеита включал стадии растворения и очистки растворов мирабилита с отделением твердой фазы буркеита и добавления к нему кальцинированной соды, с последующим отделением буркеита из пульпы и возвращение маточного раствора в начало процесса.

На основании этой технологии нами предлагается блочная схема производства буркеита из природных марабилитов и кальцинированной соды УП «Кунградский содовый завод». На рисунке 2 приводится блочная схема, поясняющая этот технологический процесс.

Рисунок 2. Блочная схема получения буркеита:

1 – растворение; 2-конверсия; 3-кристаллизация;4-фильтрация; 5-сушка

Согласно блочной схеме получения буркеита на модельной установке, смонтированной на УП «Кунградский содовый завод», вода подавалась в процесс из линии водооборотного цикла предприятия и сюда же поступали очищенный раствор сульфата натрия, маточный раствор и твердая кальцинированная сода. Водный раствор сульфата натрия готовился в растворителе (поз. 1), при температуре 50ºС и подавался при соотношении Na₂CO₃:Na₂SO₄ = 1:(0,5-2,0) в реактор (поз. 2), снабженный паровой рубашкой и перемешивающим устройством. В реакторе (поз.3) при температуре 70-90ºС в течение 15-30 минут проводился синтез буркеита с образованием суспензии, которая поступала для разделения твердой и жидкой фазы на нутч-фильтр (поз. 4), где вакуум создавали с помощью вакуум-насоса. Жидкая фаза (маточный раствор) направлялась в сборник фильтрата и далее циркулировалась на стадию растворения или выпарки. Влажный осадок буркеита подавался на сушку (поз.5) при температуре более 100ºС. После сушки получали готовый продукт с влажностью не более 0,3-0,6%.

На основании проведенных исследований были установлены следующие оптимальные технологические параметры производства буркеита: 

Таким образом, на основании проведенных исследований системы Na₂SO₄ - Na₂CO₃ – Н₂О были установлены концентрационный и температурный интервал образования буркеита и предложена эффективная технологическая схема получения целевого продукта - буркеита из местных сырьевых источников.

Список литературы:
1. Кошанова Б.Т., Эркаев А.У., Таиров З.К., Юлчиев М.Р. Технология получения буркеита из природного ми-рабилита // Хим.технология. Контроль и упр. – 2013. - №4. – С.30-35.
2. Сумич А.И. Получение солевых композиций для малофосфатных и бесфосфатных моющих средств агломе-рационным способом // Автореф…..канд. техн. наук. – Минск:, БГУТ, 2017. -29 с.
3. Патент RU 2430151 C2. Покрытые оболочкой частицы перкарбоната натрия / Ш. Лайнингер, Х. Якоб, У. Коттке. / Дата публикации заявки: 10.09.2010.
4. http://pandia.ru/text/78/443/15826-9. Технология растворения полидисперсной соли. (Дата обращения 14.12.2018).
5. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресур-сов твердых полезных ископаемых. Озерные соли. – Москва, 2007. – 43 с.
6. Сумич А.И., Ещенко А.И. Исследование состава солей кислот (НхAn), образующихся при «сухой» нейтра-лизации в системе Na2CO3 – HxAn – H2О // Труды БГТУ, серия 2. – 2018. - №2. – С.89-92.
7. Патент UZ - № IAP 05634. Способ получения буркеита. / А.У. Эркаев, Б.Т. Кошанова , А.К. Бегдуллаев и др. Опубликован: Расмий ахборотнома (Бюллетень интеллектуальной собственности РУз 2018. - №8(208). – С.37.
8. Ковба Л.М., Трунов В.К. Рентгенофазовый анализ.- М.: Изд-во МГУ, 1969. - 160с.