Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования науки российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ)

Кафедра горного дела и комплексного освоения ресурсов

Реферат

по дисциплине: Метрология и стандартизация в горном деле

На тему: «Извлечение германия из ископаемых углей и дальнейшее его использование»

Выполнил студент гр. С3304а

Тимошкин И.С.

Проверил преподаватель

Андреев А.В.

г. Владивосток

2016

Оглавление

Введение

Германий

Процесс извлечения германия из ископаемых углей

Оценка германиеносности углей России

Использование германия в современном мире

Заключение

Список литературы

Введение

Германий был открыт в 1886 году немецким химиком Клеменсом Винклером при изучении им минерала аргиродита. Первое время германий считался редким элементом. Его содержание в литосфере оценивалось в сто миллиардные доли процента. Но в 1926 году известный ученый Гольдшмит заявил, что эта редкость является кажущейся. Им было высказано предположение, что германий должен быть скрыт в минералах кремния благодаря кристаллохимическому сходству соединений германия и кремния. Вслед за тем германий был обнаружен во многих сульфидных минералах, в метеоритном железе, в подземных водах и так далее. Оказалось, что германий совсем не редкий элемент, в космосе его куда больше, чем ртути и свинца, а в твердой оболочке земли в среднем на каждую тонну земной массы приходится 7 граммов германия. В природе германий встречается в некоторых минералах и горных породах. Промышленная добыча германия ведется путем выделения оксида металла из никелевых, полиметаллических и вольфрамовых руд. Чистый германий получают, применяя метод зонной плавки.Вопрос об источниках германия особенно остро встал с развитием радио и электронной техники. Германий обладает наилучшими детекторными свойствами. Будучи в контакте с заостренным металлическим проводником, германиевая пластинка служит отличным выпрямителем. В связи со все более широким применением германия в технике в большинстве стран стали проводиться интенсивные поиски новых источников получения этого элемента. Было, в частности, установлено, что германий встречается во многих углях. В этом реферате пойдет речь о том, каким же образом германий может быть добыт из ископаемых углей, а также - где и как используется этот элемент.

Германий

германий ископаемый уголь

Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный Германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент экасилицием из-за близости свойств его с кремнием. Собственные минералы Германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu2(Cu, Fe, Ge, Zn)2 (S, As)4, аргиродит Ag8GeS6, конфильдит Ag8(Sn, Ge)S6 и другие. Основная масса Германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов,, в некоторых оксидных минералах (хромите, магнетите, рутиле и других). Источниками германия также являются полиметаллические руды, ископаемые угли и некоторые типы вулканогенно-осадочных месторождений железных руд.

Процесс извлечения германия из ископаемых углей

В нашей стране бурые угли являются основным источником германия в настоящее время. Все российские промышленные запасы германия сосредоточены именно в углях, месторождения которых расположены на Дальнем Востоке и в Забайкальском крае (отметим, что в мире главным источником германия являются полиметаллические сульфидные руды).

Изобретение относится к технологии органических соединений и металлургии и может быть использовано для получения германиевого концентрата.

Известен способ получения германиевого концентрата из ископаемых углей путем улавливания обогащенной соединениями германия летучей золы, образующейся при сжигании данных углей в энергетических котлах (Металлургия рассеянных и легких редких металлов. М.А.Котенкова, О.Е.Крейн. Москва, 1977, с.21).

Недостатком этого способа является низкая степень извлечения германия (примерно 45%) из угля и низкое содержание соединений германия в летучей золе (до 5 кг/т), требующее пирометаллургического обогащения для получения германиевого концентрата, пригодного для извлечения германия. Значительная часть соединений германия содержится в шлаке, при концентрациях, недостаточных для экономически эффективного его извлечения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения германиевого концентрата из летучей пыли, смолы и надсмольных вод коксохимических производств в газогенераторных установках (Химия германия. И.В.Тананаев, М.Я.Шпирт. Москва, 1967, с.366).

Недостатками данного способа являются низкая степень извлечения (20-30% - при коксовании и до 75% - при газификации угля) германия из угля, низкое содержание германия, требующее энергоемкой и многостадийной пирометаллургической и реагентной обработки для получения германиевого концентрата, а также экологическая опасность и токсичность смолистых веществ и надсмольных вод, образующихся при коксовании и газификации угля.

Изобретение решает задачу повышения степени извлечения германия из ископаемых углей.

Технический результат при использовании изобретения заключается в получении германиевого концентрата без пирометаллургического обогащения и отходящих газов, например для генерации электрической энергии.

Он достигается способом получения германиевого концентрата из ископаемых углей, включающим термообработку ископаемого германийсодержащего угля, согласно которому термообработку угля в виде слоев осуществляют в аппарате шахтного типа путем подачи воздуха в нижнюю часть аппарата и нагрева верхнего слоя угля до температуры горения, после создания устойчивой зоны горения нагрев верхней зоны прекращают, а температуру в горящем слое не ниже 1000°С и в слое огарка не ниже 700°С и скорость движения зоны горения поддерживают путем регулирования расхода воздуха при его удельной подаче 250-300 нм3/м2ч, и при достижении зоны горения нижней части аппарата подачу воздуха прекращают.

Известно, что теплопроводность слоя углеродсодержащего материала зависит от его фракционного состава, степени метаморфизма, влажности. Если при этом конвективный отвод тепловой энергии от слоя в воздух будет меньше теплового потока, поступающего в слой за счет механизма теплопроводности, то будет осуществляться прогрев слоевой засыпки навстречу потока воздуха - образуется "тепловая волна". То есть слой последовательно проходит стадии нагрева, сушки и выделения летучих (пиролиза). Продукты пиролиза, содержащие в числе прочих горючие компоненты, такие как оксид углерода, водород, жидкие и газообразные углеводороды, вместе с твердым углеродом реагируют с кислородом воздуха, образуя фронт горения. Температура в нем достигает 750-1200°С, и в этой зоне реагирует весь кислород воздуха. За фронтом горения находится восстановительная зона, в которой продукты горения (углекислый газ и водяной пар) путем восстановления на углеродной поверхности превращается в горючие компоненты попутного газа по следующим реакциям:

С+СО2>2СО,

С+H2O>Н2+СО,

С+2Н2>СН4,

и частичное восстановление диоксида германия до оксида:

GeO2+СО>GeO+СО2,

GeO2+Н2>GeO+Н2O.

Необходимая восстановительная атмосфера создается определенным соотношением СО:CO 2. Поскольку температура в аппарате выше 700°С, оксид германия удаляется из аппарата в летучем виде вместе с отходящим газом и зольным уносом.

При удельной подаче воздуха в аппарат 250-300 нм3/м2ч линейная скорость отходящего газа 0,6-0,75 м/с, при такой скорости вынос летучей золы незначителен и не превышает 200 мг/нм3. Далее отходящие газы охлаждаются до температуры 100-200°С и подаются на фильтр, где происходит отделение сконденсированных оксида и диоксида германия вместе с летучей золой.

Степень извлечения германия в описанном способе составляет 80-90%, а концентрация соединений германия в твердом остатке, удаляемом из фильтра - 50%, что позволяет использовать твердый остаток в качестве германиевого концентрата без пирометаллургического обогащения.

В описанном способе зона пиролиза ископаемого угля расположена перед высокотемпературной зоной окисления по ходу дутья, и все углеводородные соединения, образующиеся при термическом разложении угля, в том числе смолистые вещества, расщепляются и окисляются в высокотемпературной зоне. Отходящие газы состоят из оксида и диоксида углерода, водорода, водяного пара, азота и незначительного количества метана. Отсутствие смолистых веществ, надсмольных вод, бензопирена и других токсичных веществ обеспечивает экологическую безопасность производства, а отходящие газы после фильтра, без дополнительной очистки могут быть использованы в качестве энергоносителя для генерации тепловой и электрической энергии, а также в различных технологических процессах.

Использование хлорированного угля и его растворимых хлорных производных -- сырье для органического синтеза и, возможно, добавки к коксовой шихте для обессеривания кокса и повышения степени извлечения редких и рассеянных элементов из угля. Например, с помощью таких добавок Лосев осуществлял более полное извлечение германия из подмосковных бурых углей. Оказалось, что переход германия в воду облегчается при повышении температуры хлорирования и скорости подачи хлора. Многоступенчатым хлорированием удалось в некоторых случаях перевести в водную фазу до 70% германия.

Например:

Одну тонну угля определенного состава (гранулированного) загружают в слоевой аппарат. В нижнюю часть аппарата подают воздух, а в верхней части за счет электрических спиралей создают необходимую температуру для стартового горения верхнего слоя угля в течение примерно 30 мин. После получения устойчивой зоны горения угля нагрев спиралей отключают. Далее температура и скорость движения зоны горения регулируются расходом воздуха снизу. Температура в горящем слое поддерживается не ниже 1000°С, а температура в слое огарка - не ниже 700°С. Когда зона горения достигнет нижней части слоевого аппарата, подача воздуха прекращается - режим отработан.

По такой технологии, например, из 1 т угля марки Д калорийностью 4200 ккал/кг и содержанием германия 404 г/т получается 740 г германиевого концентрата с содержанием германия 47% (т.е. степень извлечения германия 86%). Удельный выход горючего газа с калорийностью 4,9 МДж/нм3 составляет 3600 нм3/т. Газ пригоден для генерации электрической и тепловой энергии.

Оценка германиеносности углей России

Ресурсы германия в углях России столь значительны, что способны обеспечить производство этого металла на уровне ведущих мировых стран, но эти ресурсы пока практически не используются. Нос. Балансом запасов ПИ РФ в настоящее время учтены запасы германия, сосредоточенного в бурых углях Павловского месторождения (Приморский край) в количестве 0,7 тыс. т.Германий используется во многих отраслях промышленности и спрос на него постоянно возрастает. Согласно современным требованиям содержание германия в энергетических углях должно превышать 10 г/т (воздушно-сухого веса), в коксующихся - 3 г/т. Оценка германиеносности угольных пластов Донбасса проводилась при геологоразведочных и эксплуатационных работах. Изучено 2200 керновых и бороздовых проб угля, 1101 среднесуточных, среднемесячных и пластово-промышленных проб. Содержание германия определялось фотоколориметрическим и спектральным полуколичественными методами в Центральной химической лаборатории и лабораториях тематических экспедиций ПО "Укруглегеология" по ГОСТ 10175-75 и ГОСТ 12711-77. Исследованиями установлено, что повышенное содержание германия в углях характерно для Донецко-Макеевского, Петропавловского, Красноармейского и Луганского углепромышленных районов. Концентрация германия в пределах отдельных шахтных полей достигает 63,4 г/т, в среднем 4,7 г/т, а по отдельным пробам содержание превосходит в 21 раз среднее значение в углях Донбасса (3 г/т). Угли с промышленными содержаниями германия занимают 20-30% площадей шахтных полей.

Оценка германиеносности углей Сибири с разной степенью детальности выполнена для подавляющего числа месторождений и бассейнов. Запасы металла промышленных категорий установлены в энергетических углях Черногорского месторождения Минусинского бассейна и в двух месторождениях коксующихся углей Кузбасса. Прогнозные ресурсы германия, подсчитанные для меловых лигнитов одного только Нижне-Касского участка восточной окраины Западно-Сибирского бассейна, составляют 11 тыс. т. Высокогерманиеносные угли известны и в других районах Западно-Сибирского и Тунгусского бассейнов. Вовлечение германиеносных углей региона в промышленную переработку с целью извлечения металла ограничивается разными причинами. Получение германия из коксующихся углей Кузнецкого бассейна сдерживается отсутствием встроенной в основной технологический процесс коксования адаптированной для конкретных углей технологии его извлечения. Традиционная технология, используемая для извлечения металла из донецких углей, требует доработки в применении к углям Кузбасса.

Использование германия в современном мире

Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм, оптических окон датчиков. Наиболее важная область применения -- оптика тепловизионных камер, работающих в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон. Такие устройства используются в системах пассивного тепловидения, военных системах инфракрасного наведения, приборы ночного видения, противопожарных системах. Германий также используется в ИК-спектроскопии в оптических приборах, использующих высокочувствительные ИК-датчики. Материал обладает очень высоким показателем преломления (4.0) и требует использования антибликового покрытия. В частности, используется покрытие из очень твердого алмазоподобного углерода, с показателем преломления 2.0. Германий применяют в радиоэлектронике и электротехнике как полупроводниковый материал для изготовления диодов и транзисторов. Сплавы германия с некоторыми металлами, отличающиеся повышенной стойкостью к кислым агрессивным средам, используют в приборостроении, машиностроении и металлургии. Некоторые сплавы германия с другими химическими элементами -- сверхпроводники. Для медицинских нужд наиболее широко германий первыми начали применять в Японии. Испытания различных германийорганических соединений в опытах на животных и в клинических испытаниях на людях показали, что они в разной степени положительно влияют на организм человека. Прорыв наступил в 1967 г., когда доктор К. Асаи обнаружил, что органический германий, способ синтеза которого был ранее разработан в нашей стране, обладает широким спектром биологического действия.

Среди биологических свойств органического германия можно отметить его способности:

· обеспечивать перенос кислорода в тканях организма;

· повышать иммунный статус организма;

· проявлять противоопухолевую активность

Так японскими учеными был создан первый препарат с содержанием органического германия «Германий - 132», использующийся для коррекции иммунного статуса при различных заболеваниях человека.

В России биологическое действие германия изучалось давно, но создание первого российского препарата «Гермавит» стало возможным только в 2000 г., когда финансы в развитие науки и, в частности, медицины стали вкладывать российские бизнесмены, понимающие, что здоровье нации требует самого пристального внимания, а его укрепление является важнейшей социальной задачей нашего времени.

Заключение

Германий -ценный редкоземельный металл, широко используемый по всему миру. Как было выяснено, добыча германия из угля не так эффективна во всем мире, как в России, ведь все российские промышленные запасы германия сосредоточены именно в углях, месторождения которых расположены на Дальнем Востоке и в Забайкальском крае; также было отмечено, что в мире главным источником германия являются полиметаллические сульфидные руды. На основании анализа отечественной сырьевой базы и состояния технологии обоснована необходимость разработки способов повышения извлечения германия при пирометаллургическом получении германиевых концентратов из продуктов слоевого сжигания углей в котельных Дальнего Востока.

Список литературы

1. http://www.findpatent.ru/patent/229/2293133.html

2. © FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2016

3. Prospects of technological use of coals in Russia

4. M.V. Golitsyn, V.I. Vyalov, A.Kh. Bogomolov, N.V. Pronina, E.Yu. Makarova, D.V. Mitronov,

5. E.V. Kuzevanova, D.V. Makarov

6. Металлогения и геохимия угленосных и сланцесодержащих толщ СССР: Геохимия элементов / В.Р.Клер, Г.А. Гурвич и др. - М.: Наука, 1987.

7. Металлогения и геохимия угленосных и сланцесодержащих толщ СССР: Закономерности концентрации элементов и методы их изучения / В.Р.Клер, В.Ф.Ненахова, Ф.Я.Сапрыкин и др. - М.: Наука, 1988.

8. 3. Бондаренко С.С., Лубенский Л.А., Куликов Г.В. Геолого-экономическая оценка месторождений подземных промышленных вод. - М.: Недра

9. 1988. 4. Голева Г. А. Гидрогеохимия рудных элементов. - М.: Недра, 1977. . УГОЛЬ Украины, ноябрь-декабрь, 2001м

10. Юный техник 1959-05, страница 57 проф. Б. Лосев «Германий из угля

Размещено на Allbest.ru