Кавитационное разложение каолина в кислотном растворе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кавитационное разложение каолина в кислотном растворе

Разработан новый способ и исследовано влияние ультразвуковой кавитации на процесс разложения в азотнокислом растворе предварительно обожженного каолинового концентрата на алюминатную и силикатную составляющие. Определены зависимости выхода гидроксида алюминия от температуры предварительного обжига, времени кавитационной обработки, кислотности раствора. Разработана схема процесса в лабораторных условиях. Максимальный выход гидроксида алюминия составил 91,44% от стехиометрического содержания алюминия в породе.

Разрушающее действие кавитации научились использовать. Ее положительное влияние на объекты основано на изменении физических и химических свойств твердых материалов и жидкостей. Кавитацию используют в пищевой, косметической, фармацевтической промышленности для смешивания трудно смешиваемых жидкостей, для отмывки изделий со сложной поверхностью, как основную операцию технологического процесса в химическом производстве для ускорения процессов. В металлургии кавитация применяется при рафинировании жидких металлов или выделения шлаков.

В добывающей промышленности кавитацию практически не используют. Есть сведения о ее применении в ограниченном масштабе при дроблении минералов до микроуровня как предварительную операцию перед последующей химической обработкой.

В наших экспериментах кавитация применяется как операция основного технологического процесса - разложение каолинового концентрата на алюминатную и силикатную составляющие в азотнокислом растворе.

Каолины трудно взаимодействуют с растворами химических веществ. Это связано с особенностями их кристаллического строения. Основной минерал каолина - каолинит имеет двухслойную пластинчатую структуру с прочной связью между слоями по типу O - H, что препятствует внутрикристаллическому разбуханию решетки и проникновению в нее ионов и катионов реагента. Поэтому без дополнительной  активации взаимодействие может происходить только на внешних механически разорванных связях.

В настоящих исследованиях была поставлена задача: в условиях кавитационного воздействия на каолиновый концентрат в растворе азотной кислоты получить максимально возможное количество алюмината и определить условия для максимального выхода на действующей установке.

При выполнении этой задачи использовали собственный опыт по технологии кавитационной обработки [1], [2], [3] и  технологии ультразвуковой и электроискровой обработке необожженного каолина в кислотах и щелочах, т.к. в литературных источниках нет сведений о подобного рода работах.

Методика эксперимента

Укрупненно технологический процесс состоит из следующих операций: подготовка каолинового концентрата путем обжига, кавитирование порции обожженного каолина в растворе кислоты, фильтрация полученного рабочего раствора от непрореагировавшего осадка, упаривание раствора, осаждение гелеобразного осадка аммиачным раствором, фильтрация геля и его сушка с получением гидроксида алюминия, получение глинозема. Для оценки эффекта от кавитации в лабораторных условиях ограничились получением  гидроксида. На этапе получения гидроксида алюминия уже становится понятно влияние кавитации на результат эксперимента. Каолиновый концентрат состоит из каолинита, свободного диоксида кремния, ортоклаза и окислов примесных металлов. С раствором кислоты в условиях данного эксперимента взаимодействует только каолинит. Предварительная подготовка каолинового концентрата состоит в обжиге при температурах от 500 до 850єC с шагом 50 єC в муфельной печи. При этом происходит удаление внутрикристаллической воды из структуры каолинита по (1):

Он переходит в аморфное состояние. Полученный метакаолинит становится способным к взаимодействию с раствором кислоты при высокой температуре и давлении, которые в известных технологиях создают в специальных реакторных установках [9].

Согласно теории кавитации, вблизи схлопывающихся кавитационных пузырьков температура и давление достигают величин, предельных для данной жидкости. Поэтому  во всем ее объеме и температура, и давление повышаются до уровня, необходимого для выполнения химического процесса взаимодействия метакаолинита с раствором кислоты.

Опыты выполнялись в лабораторной установке (см. рисунок 1) на базе ультразвукового аппарата мощностью 1 ВА с рабочей частотой 20 кГц. Принцип преобразования электрических колебаний в механические -  пьезоэффект. Установка состоит из самого аппарата с водяным и воздушным охлаждением, рабочего столика с лифтовым подъемным механизмом, на котором устанавливается стакан с образцом, защитного кожуха с прозрачными стенками и вытяжки. Генератор ультразвуковых колебаний на фото не показан.

Рис. 1 - Основной узел кавитационной установки

Образец массой 20 г помещался в раствор кислоты с концентрацией от 3% до 40%, объемом 500, 800 и 1000 мл. Время обработки от 10 минут до полутора часов. В результате взаимодействия метакаолинита с кислотой происходит разрушение структуры метакаолинита и образование соединения алюминия с кислотным остатком по (2). Двуокись кремния с  кислотой не взаимодействует. Остальные компоненты каолинового концентрата практически не участвуют в данной реакции.

Полученный раствор фильтруется от непрореагировавшего осадка. Осадок промывается дистиллированной водой до pH 6 - 6,5. Фильтрованные раствор и промывная вода упариваются до 300 - 350 мл.

Следующая операция - выделение гидроксида алюминия из раствора [10]:

В упаренный раствор при температуре от 60 до 80єC небольшими дозами наливается аммиачный раствор и медленно перемешивается. При определенной концентрации аммиака в растворе происходит образование сгустков белого аморфного вещества, которое, по мере увеличения концентрации аммиака, увеличивается и занимает практически весь объем жидкости. Обработка заканчивается при pH 6 - 6,5. Конечные операции эксперимента - промывка и сушка геля. В процессе сушки гель переходит в кристаллическое состояние. По количеству полученного вещества в процентах от стехиометрического содержания алюминия в каждой порции метакаолинита оценивается эффективность использованных приемов и параметров данного эксперимента.

Обсуждение результатов эксперимента

В экспериментах использовался каолиновый концентрат, где межкристаллитная вода составляет 12,42% [6], после обжига ее содержание практически равно нулю. В таблице 1 приведен состав концентрата до и после обжига.

Таблица 1 - Оксидный состав исходного и обожженного концентрата, %

По сравнению с исходным в обожженных образцах соотношение между оксидами алюминия и кремния не изменилось. Рентгенограммы обожженного концентрата практически одинаковые (рисунок 2) и имеют вид, характерный для аморфного вещества - метакаолинита, за исключением пиков, принадлежащих свободному диоксиду кремния и ортоклазу, которые в данном температурном диапазоне остаются неизменными.

Рис. 2 - Рентгенограммы образцов: 1 - исходный каолин;  каолин после обжига: 2 - при 600°C; 3 - при 700°C; 4 - при 800°C

В [10] для технологии реакторного разложения рекомендованы концентрации раствора кислоты 30 до 45%. В наших экспериментах использовались концентрации от 3 до 40% по основному веществу. Это значительно больше стехиометрической нормы. Перерасход кислоты связан с требованиями к работе кавитационного аппарата - он должен работать при определенном уровне жидкости.

Кавитационное разложение предварительно подготовленного каолинового концентрата, так же как и исходного [1], происходит не до конца - часть метакаолинита не разлагается. По нашим оценкам, это связано, в первую очередь, с недостаточной мощностью аппарата. А также с тем, очевидно, что в ходе кавитационного воздействия на исследуемое вещество, могут происходить  и другие процессы, например, возникновение новых более стойких структур вследствие перекристаллизации. Они, полученные в небольших количествах, не дают характерных пиков при рентгенофазовом анализе. Косвенно подтверждает это предположение некоторое несовпадение на отдельных участках рентгенограммы 1 на рисунке 3 для непрореагировавшего осадка с рентгенограммами 2, 3, 4 на рисунке 2. Они все расшифрованы как смесь SiO₂ и аморфного вещества.

Рис. 3 - Рентгенограммы: 1 - непрореагировавшего осадка; высушенного геля: 2 - 27% раствор кислоты; 3 - 5% раствор кислоты

После высушивания (старения) гель, полученный в результате (3), имеет вид кристаллического вещества, которое при рентгенофазовом анализе расшифровывается как Al(OH)₃ (кривая 2 на рисунке 3) или смесь Al(OH)₃ с AlO(OH) (кривая 3 на рисунке 3). Полученный  порошок состоит как из кристаллической, так и из рентгеноаморфной форм в разных соотношениях. В таблице 2 приведено содержание этих веществ и непрореагировавшего осадка после кавитации.

Таблица 2 - Содержание основных оксидов к рисунку 3, %

На рисунке 4 приведен график выхода гидроксида алюминия в процентах от стехиометрии в зависимости от концентрации азотной кислоты в растворе при кавитации. Максимальный выход составил 91,44% при кислотности раствора 40%. При большей кислотности опыты не проводились, но можно предположить, что с дальнейшим повышением содержания кислоты кривая графика будет плавно стремиться к горизонтали, не достигая 100 %-ного результата.

Рис. 4 - Выход гидроксида алюминия от кислотности раствора

Количество конечного продукта также зависит от температуры обжига и времени кавитационного воздействия. Максимальный выход получен для каолина, обожженного при 700єC, и  длительности обработки 90 минут. Но за период от одного до полутора часов кавитации прирост готового продукта составил около 1%. Поэтому кавитационная обработка свыше одного часа не имеет практического значения в связи с неэффективными затратами  времени и электроэнергии.

Заключение

По результатам настоящих исследований можно сделать следующее заключение - поставленная задача о разработке лабораторной технологии по разложению обожженного каолинового концентрата в азотнокислом растворе в условиях кавитации выполнена. Определены основные характеристики процесса, влияющие на результат. Получен выход гидроксида алюминия, близкий к результатам, получаемым в реакторных технологиях. Дальнейшие исследования в данном направлении будут связаны с поиском более выгодных сочетаний всех параметров процесса.

Конечным продуктом, получаемым в настоящих экспериментах, является гидроксид алюминия, из которого по известным технологиям может быть получен глинозем - источник сырья для алюминиевой промышленности. Но т.к. разработка данной технологии находится на начальном этапе и исследования проводятся с использованием маломощного оборудования, говорить о том, что данная технология может быть применима в промышленных масштабах для производства глинозема, пока рано.

Список литературы

каолиновый обжиг силикатный

1.Еранская Т.Ю. Влияние кавитации на обогащение каолинов / Т.Ю. Еранская, В.С. Римкевич // Химическая технология. - №5. - С. 291-296.

2.Еранская Т.Ю. Обогащение каолина кавитационным воздействием / Т.Ю. Еранская, В.С. Римкевич // Инновации в науке. Новосибирск: СибАК, 2013. - № 17. - С. 163-166.

3.Еранская Т.Ю. Физико-химические методы обогащения минерального сырья / Т.Ю. Еранская, Р.В. Белов. // Сборник докладов в 2-х томах. - Благовещенск: ИГиП ДВО РАН. 2014. - Т. 2. - С. 68-71.

4.Еранская Т.Ю. Электрохимический метод переработки каолинов / Т.Ю. Еранская // Инновационная наука. - №6. - С. 277-280.

5.Еранская Т.Ю. Электрохимический метод получения гидроксида алюминия из каолинов / Т.Ю. Еранская, В.С. Римкевич // Химическая технология. - Том 17. - № 1. - С. 7-13.

6.Eranskaya T.Yu. Electrochemical Production of Aluminum Hydroxide from Kaolins / T.Yu. Eranskaya, V.S. Rimkevich // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. - V. 50. - № 5. - P. 806-811.

7.Еранская Т.Ю. Влияние электроискрового разряда на разложение каолина в щелочной среде / Т.Ю. Еранская // Austria-science. - №2. - С. 4-9.

8.Еранская Т.Ю. Способ разложения каолина в щелочной среде / Т.Ю. Еранская // Международный научно-исследовательский журнал. - № 10 (64). - Часть 3. - С. 41-45.

Размещено на Allbest.ru