Содержание

• Введение
• 1. Технологическая переработка отходов металлов
• 2. ТПО цветных металлов и полиметаллов
• 3. ТПО металлургических производств и их переработка
• 4. Переработка и комплексная утилизация содержащих тяжелые металлы отходов гальванических и металлургических производств
• 5. Способ переработки отходов алюминиевых сплавов
• 6. Задача
• Выводы
• Список литературы

Введение

Промышленных отходов переработка, удаление бесполезных либо вредных материалов, образующихся в ходе промышленного производства. Отходы вырабатываются практически на каждой стадии промышленного технологического процесса. Удаление вредных отходов, угрожающих как здоровью человека, так и состоянию окружающей среды, - неотложная задача мирового масштаба. Хотя вредные отходы составляют только примерно 15% всех промышленных отходов, крайняя степень наносимого некоторыми из них вреда требует, чтобы они удалялись правильно и тщательно.

Вредные отходы металлов получаются в результате таких видов деятельности, металлургическое производство, изготовление бесчисленных материалов и изделий. Отходы образуются в виде твердых материалов. Они включают вещества, которые могут быть токсичными, воспламеняемыми, вызывающими коррозию, химически активными, инфекционными или радиоактивными. Существуют токсичные отходы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть и другие тяжелые металлы), которые не поддаются переработке. При неправильном или небрежном захоронении вредные отходы могут отравить почву и водные источники.

Основные виды отходов машиностроения:

ТПО из черных металлов, т.е. металлов на основе железа, подверженных влиянию светопогоды и природных факторов.

ТПО из нержавеющей стали.

ТПО из полиметаллов.

ТПО из цветных металлов.

ТПО из черных металлов.

1. Технологическая переработка отходов металлов

Металлоперерабатывающие производственные подразделения имеют даже при неполной загрузке большое количество металлической стружки и пыли.

Металлическая стружка и металлическая пыль образуется при механической обработке, заготовке, при заточке, шлифовке изделий. Зачастую на одном и том же оборудовании, на одном и том же станке могут образовываться отходы разных металлов, так как обрабатываются заготовки из разных металлов. Для отделения отходов разных металлов можно использовать магнитные свойства отходов железа. Притягиваясь к магниту стальные опилки отделяются от других металлических отходов и собираются отдельно в соответствующей таре. Далее они направляются на переработку. В частности из однотипной стружки можно способом горячей штамповки при t=+1000-1200°С получать монолитную деталь не требующую дальнейшей обработки. Преимущество горячей штамповки: работа при более низких температурах (огромная экономия энергетики), отсутствие потерь, 100% использование ТПО. ТПО из нержавеющей стали собираются в отдельную тару и ни в коем случае их нельзя смешивать с другими металлическими отходами. После сбора такие ТПО направляются на переработку.

Во ВНИИ твердых сплавов разработан способ утилизации металлической стружки, который заключается в том, что стружка не перерабатывается в порошковую сталь. Это исключает дорогостоящий процесс литья, который для своего проведения требует значительного количества энергетики. Этот способ может быть использован на любом металлоперерабатывающем производстве. Согласно этого способа металлическая стружка, отмытая от масел в бензине или в керосине загружается в шаровую или в вибромельницу в среду этанола и размалывается до заданной степени помола. Полученный таким способом порошок замешивается в смесителе на растворе синтетического каучука в бензине и прессуется на 500-тоном прессе. Полученный таким образом полуфабрикат, обладающий значительной пористостью (около 30%), далее спекается в защитной атмосфере или в вакууме. С целью получения заданной формы заготовку подвергают горячей ковке или прокатке. Таким способом получают порошковую сталь с мелкими зернами. Это позволяет вводить в такую сталь практически любые легирующие добавки. Следует отметить, что стойкость и стабильность резцов , полученных вышеописанным способом больше обычных в три раза. Болем того предварительное введение в смесь небольших количеств титана (Ti) повышает твердость инструмента, уменьшает коэффициент трения, увеличивает срок службы резцов. Более того, добавка титана позволяет интенсифицировать ряд технологических операций: размол, прессование, спекание. В 80-х годах разработаны технологические приемы переработки ТПО сверхтвердых сталей, которые основаны на вакуумной и электрошлаковой переплавке в специальном пульсирующем магнитном поле. Проведенные в то время специальные исследования показали, что электрошлаковый переплав ТПО сверхтвердых сталей в пульсирующем магнитном поле - эффективный способ восстановления изношенного инструмента для горячей штамповки.

Брак, литники, металлическая стружка после механической обработки являются хорошим материалом для приготовления шихты. В то же время применение для плавки одних отходов не рекомендуется, так как при этом может повысится газонасыщенность металла и увеличится содержание окислов.

При этом количественное содержание отходов, вводимых в плавку не должно превышать 35-40% от общей массы шихты. Если требуется проведение нескольких литейных сплавов, то нужно строго следить, чтобы не производилось смешивание ТПО металла различного состава. Поэтому возврат (ТПО металла) следует хранить строго по сплавам, ни в коем случае не допуская даже ошибочного разового смешения, в четко замаркированной таре и в разных местах для разного сплава так, чтобы случайное смешение свести к минимуму.

Для литейного производства характерно одновременное движение большого количества металла, песка и вспомогательных материалов. Важным этапом литейного производства является регенерация отработанных формовочных смесей. Эта регенерация включает следующие стадии технологического процесса:

Дробление кусковой использованной формовочной массы.

Очистка от металлических включений.

Просев с одновременным продуванием воздухом и отсосом пыли.

Оттирка зерен песка от связующего.

Повторное обеспыливание.

Дробление формовочной смеси производится в два этапа:

Предварительное дробление на валковых дробилках.

Окончательное дробление на роторных дробилках.

Очистка раздробленной формовочной массы от металла производится с помощью магнитных сепараторов. Наиболее удобным способом конструктивного исполнения такого сепаратора является установка электромагнитной очистки формовочных.

Ее конструктивное исполнение позволяет полностью извлекать металлические частицы из отработанной и хорошо раздробленной формовочной смеси. При дроблении, магнитной сепарации и обеспыливании разрушаются частично глинистые корки и пленки связующих с поверхности частиц песка. Для окончательной очистки песка производится его пневморегенерация (т.е. регенерация струей воздуха). Весьма часто для очистки песка используется способ «кипящего» слоя. Для этого в движущийся слой песка вводят вращающиеся лопатки. При этом скорость воздуха рассчитывается так, чтобы частицы песка не уносились с воздухом, а находились в потоке во взвешенном состоянии, т.е. как бы кипели. Скорость движения песка регулируется так, чтобы период нахождения частицы песка был вполне достаточным для ее полной очистки. Сложнее переводится регенерация жидкостекольных самоотверждающихся смесей. Для восстановления таких смесей применяется способ химического восстановления свойств песка, который основывается на селективном растворении в кипящем растворе щелочи. Концентрация щелочи 1- 15%; время обработки = 1 час, температура +100°С; степень извлечения жидкого стекла не менее 70%. Эффективность процесса регенерации на основе селективного растворения позволяет его использовать не только с обычными материалами типа кварцит, но и с дефицитными продуктами, такими как например электрокорундом. Способ селективного растворения обеспечивает высокое качество регенерации. Содержание примесей в регенерированном продукте составляет: SiO₂ 0,6%; FeO₃ 0,12%; Na₂O 0,04%. Переработка ТПО основных материалов литейного производства не решает всех проблем и в частности использования вспомогательных материалов. К таким материалам следует отнести золу и шлак, которые образуются при сжигании. Шлаки в зависимости от места добычи содержат различные ценные компоненты. Известно, что бурые угли, дают шлаки с высоким содержанием алюминия. Поэтому, мартеновские шлаки применяются в качестве флюсов в доменных печах. Сварочные шлаки из нагревательных печей богаты железом.

Поэтому, такие шлаки добавляются в шихту в доменных печах для частичной замены руды с целью ее экономии. Шлаки, содержащие фосфор, могут использоваться в качестве минеральных удобрений. Однако здесь следует обратить пристальное внимание на то, чтобы в таких продуктах не содержались канцерогенные вещества и особенно галоидированные ДО и ДПВ. Как известно I и II представитель ДО, как наиболее опасные (См. предыдущие главы) имеют высокую температуру плавления и кипения. А ДО, содержащие бром, синтезируются в качестве побочных продуктов при t=+700-900°С и это является очень опасным фактором. Поэтому при использовании шлаков всех видов необходимо знать предысторию и экогеографию добычи исходного топлива, которое служит сырьем для получения шлака. Бездумно использовать любой практически продукт, содержащий ценный компонент ни в коем случае нельзя.

Особенно это касается сырьевых материалов, где могут участвовать галогены хлор, бром. Опыт подсказывает, что в некоторых случаях шлаки с успехом могут применяться в медицинской практике. Доменные шлаки с учетом вышесказанной оговорки содержат ряд химических соединений серы, кальция, магния, железа. Растворяясь в воде и используя такую воду после проведения тщательного анализа, можно излечивать ряд болезней: невралгические заболевания, различные формы костно-суставных заболеваний. Но разумеемся перед применением для лечения такую воду следует проанализировать на содержание канцерогенов в том числе и на супертоксиканты - галоидированные ДО и ДПВ. Для проведения анализа на эти ксенобиотики ДО и ДПВ требуется применение специальных методов анализа: концентрирования и отделения от фоновых веществ, и далее проведение анализа на ДО и ДПВ с помощью газовой хроматографии и масс-спектрографии с высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Без проведения таких анализов использовать шлаки для приготовления минерализованной лечебной воды нельзя.

Кроме данного применения шлаки используются в качестве наполнителя в строительной индустрии для формования из цементной смеси шлакоблоков. Но это подробно рассматривается в соответствующем параграфе.

2. ТПО цветных металлов и полиметаллов

Под понятием полиметалла понимается масса ТПО металла, которые состоят из нескольких сортов различных металлов, нанесенных электрохимическим путем.

Часто основой изделия является железо или медь, а в качестве покрытия используются цветные и редкие или даже драгоценные металлы: золото, платина, серебро. Это относится в первую очередь ТПО от радиоэлектронных изделий, некоторых типов контрольно-измерительных приборов, некоторых электротехнических агрегатов (например, выпрямителей тока и ТП). Собранные в зависимости от вида ТПО таких изделий подвергаются переработке в гальваническом производстве, где производится снятие металлических покрытий послойно электрохимическим способом. Например, олово и его сплавы снимаются в растворе, содержащем 50-100 г/л

NaOH

при температуре +60-70°С.

Серебренное покрытие удаляется смесью концентрированных азотной и серной кислот. Способы переработки солей серебра основаны на получении хлористого серебра

AgCl,

который при его образовании всегда выпадает в осадок. Это является важнейшей качественной реакцией на серебро, точнее на катион серебра Ag⁺. Металлическое серебро снятое с тонких поверхностей полиметаллов растворяются в азотной кислоте в виде азотнокислого серебра -

AgNO₃

и также осаждается далее из раствора подачей соляной кислоты и образованием осадка хлористого серебра AgCl. Далее после ряда препараций (промывка водой, подкисление соляной кислотой HCl) осадок кипятят с цинком.

После окончания реакции восстановления серебра, его отделяют от цинка и после ряда химических стадий очистки получается чистый готовый продукт.

Снятие золота с поверхности полиметалла производится также определенным химико-технологическим приемом с применением азотной кислоты. Работы выполняются при эффективной работающей тяге с вытяжкой воздуха для того, чтобы свести к минимуму выброс оксидов азота, которые должны улавливаться сорбентом (активированным углем или другим поглотителем). Другой способ снятия золота заключается в обработке полиметаллических поверхностей раствором щелочи. Для этого поверхность полиметалла несколько раз обливается горячим раствором щелочи. Диффузия раствора щелочи нарушает адгезию (прилипание) с другим основным металлом и золотое покрытие снимается в воде губкой или щеткой. Если материал основной металлической поверхности медь, то вышеописанная обработка оказывается неэффективной.

Изделие из полиметалла, где основная поверхность медь с целью отделения золота от меди направляется на соответствующее медеплавильное производство, где металлы разделяются обычным способом. Следует отметить, что коэффициент использования металла по данным 1990г., составила всего 0,7, то есть 70%. Таким образом ~30% металла шло по данным 1990г. в так называемые отходы. Сейчас, очевидно, этот коэффициент только снизился для всех видов металла. Это конечно не допустимо.

Использование вторичного сырья на сегодня приобретает еще большую значимость, так как крайне дорогими оказываются цены на энергетику.

Использование ТПО черных и цветных металлов вместо руды дает значительную экономию энергетики в процентах:

для:

- алюминия - 95

- меди - 83

- свинца - 64

- цинка - 60

- стали - 74.

3. ТПО металлургических производств и их переработка

ТПО металлургических производств можно несколько условно подразделить на 2 группы:

ТПО в черной металлургии.

ТПО в цветной металлургии.

Отходы в черной металлургии образуются уже на стадии добычи руды. При этом следует отметить, что ~ 70% вскрытых пород и отходов обогащения можно использовать для производства строительных материалов. Так например породы железной руды Курской магнитной аномалии можно использовать для этой цели.

Агломерационные производства также дают большой процент отходов. Так очистка агломерационных газов от пыли, которая содержит железосодержащий компонент осуществляется сухим или мокрым способом. Очистка газа с использованием электрофильтров и способ сухой транспортировки сорбируемой пыли позволяет устранить почти полностью сброс сточных вод.

Важным шагом использования шламов, содержащих железо и улавливания всеми способами пыли является присадка этих шламов к агломерационной шихте. Кроме того, необходимо, чтобы все шлаки и пыль, улавливаемые всевозможными способами полностью утилизировались по прямому назначению. Из мировой практики известно, что в ряде стран Европы пыль из рукавных фильтров ферросплавленных печей используется для выплавки углеродистого ферромарганца. Применяется также пыль магнетизирующего обжига железоборитовой руды на одном из производств Европы. Известно также, что пыль аморфного кремнезема, который получается как отход ферросицилия, применяется при получении ряда пластических масс в качестве наполнителя.

В черной металлургии применяется большое количество огнеупорных материалов, которые сравнительно быстро изнашиваются. Поэтому для того, чтобы использовать их повторно предложена технология применения этих изношенных состарившихся огнеупорных материалов в производстве огнеупорного бетона в строительной отрасли производства. Для этого огнеупорные состарившиеся материалы дробятся, а затем смешиваются с высокими марками цемента и замешивается обычный цементный раствор в 2-х лопастном смесителе Вернера - Пфлейдерера. Раздробленные огнеупорные материалы служат наполнителем в таком строительном растворе. Из полученного раствора формуется огнеупорный бетон или отдельные огнеупорные изделия. В металлургическом производстве 80% от общего количества ТПО составляют шлаки. Шлаки определяют практически сущность организации безотходного металлургического производств. Доменный шлак широко применяется для массового производства широкого ассортимента строительных деталей (блоков, плит и т.п.). Главными товарными изделиями для реализации из ТПО металлургии являются следующие (в процентах):

Различные виды гранулированного шлака - 54,

Щебень - 35,

Шлаковая пемза - 3,6,

Обратный продукт для металлургии - 4.

В значительной степени используются и перерабатываются доменные шлаки.

Все нормальные серьезные металлургические производства имеют участки по переработке доменных шлаков. Особенно важным товарным продуктом, получаемым на основе доменных шлаков есть гранулированный шлак. У нас в 90-х годах около 30% цемента производилось на основе шлаков. При условии введения в шихту до 30% шлака энергетические затраты на производство особых видов шлакоцемента снижается на 20%.

Широко применяется шлак для получения такого продукта, как шлаковая пемза. Шлаковая пемза используется как пенистый наполнитель ряда конструкционных бетонов. При этом старение таких бетонов в отличие от наполнителей на основе синтетических полимерных материалов не сопровождается выделением каких-либо продуктов синтетической химии. Тяжелые фракции шлаковой пемзы применяются для получения минеральной ваты. Шлаковый щебень, получаемый медленным охлаждением шлака способствует образованию кристаллической структуры. Щебень получается из жидких шлаков, из остывших шлаков и из отвалов. Широкое применение шлакового щебня позволяет избежать строительства новых карьеров. В металлургических производствах работают установки по производству минеральной ваты из огненно-жидких шлаков.

Использование жидких шлаков позволяет не только экономить сырье, но и снизить энергетические затраты. Трудоемкость производства минеральной ваты на основе жидких доменных шлаков ниже, чем изделий из щебня. За последние десятки лет возросла переработка шлаков сталеплавильного производства.

Конвертерные шлаки, содержащие

40-50% CaO; 25% Fe2O3; 8% MnO2; ~ 8% Fe

используются для выплавки чугуна в аглошихте. Это восстанавливает имеющееся в шлаках содержание марганца, а дополнительное металлическое железо позволяет уменьшить потребность во флюсе. В 90-е годы возросла переработка ферросплавных шлаков. Они перерабатываются на оборотный продукт для металлургии, для производства щебня, гранулированного шлака для стройиндустрии. При переработке шлаков из них извлекаются металлические включения различными способами в том числе магнитными сепараторами.

Ферросплавные шлаки, содержащие значительный процент ценнейших элементов и большой процент железа целесообразно использовать в самой металлургии.

Использование при выплавке чугуна, содержащего существенный процент углерода, шлаков ферросицилия, смеси силикатов - 40-60%; корольков - 30-45%; и карбида кремния от 3 до 16% позволяет существенно увеличить производительность доменной печи и снизить расход кокса, при одновременном уменьшении расхода кварцита. Шлаки от производства марганцовых сплавов применяются при их производстве и при плавке чугуна. Это позволяет значительно экономить марганец в металлургическом производстве.

Примером безотходного производства в черной металлургии является бездоменный способ получения железа на Оскольском электрометаллургическом комбинате на основе высокосортных железных руд КМА. Применение бездоменной (бескоксовой) технологии получения стали обеспечивало в течение ряда лет отечественные предприятия высококачественной металлургической продукцией.

Одновременно такая технология является более прогрессивной так как наносит меньше вреда окружающей природной среде.

При производстве цветных металлов также имеются ТПО. Так например, обогащение руд цветных металлов расширяет применение предварительной концентрации в тяжелых средах, и различных видов сепарации. Процесс обогащения в тяжелых средах позволяет комплексно использовать сравнительно бедную руду на обогатительных фабриках, которые перерабатывают никелевые, свинцово-цинковые руды и руды других металлов. Легкая фракция, получаемая при этом, используется в качестве закладочного материала на рудниках и в строительной индустрии. В Европейских странах используются отходы, образующиеся при добыче и обогащении медной руды, для закладки выработанного пространства и опять-таки в производстве строительных материалов, в дорожном строительстве.

При условии переработки бедных низкокачественных руд широкое распространение получают гидрометаллургические процессы, которые используют сорбционные, экстракционные и автоклавные аппараты. Для переработки ранее выбрасываемых трудноперерабатываемых пирротиновых концентратов, которые являются сырьем для получения никеля, меди, серы, драгоценных металлов существует безотходная окислительная технология, проводимая в аппарате-автоклаве и представляющая из себя экстракцию всех основных вышеназванных компонентов. Эта технология используется на Норильском горно-обогатительном комбинате. Из отходов заточки твердосплавного инструмента, шлаков при производстве алюминиевых сплавов также извлекаются ценные компоненты.

Нефелиновые шламы при производстве цемента также используются и позволяют повысить производительность цементных печей на 30% при снижении расхода топлива. Почти все ТПО цветной металлургии можно использовать для производства строительных материалов. К сожалению, пока еще не все ТПО цветной металлургии используются в строительной индустрии.

На Ачинском глиноземном комбинате со второй половины 80-х годов снизилась себестоимость глинозема почти в 2 раза за счет комплексной переработки нефелиновых руд на глинозем, содопродукты. Это позволило предприятию снизить себестоимость производства кальцинированной соды

(Na₂CO₃)

почти также в 2 раза по сравнению с другими предприятиями.

В ряде стран восточной Европы внедрена практически безотходная технология переработки бокситов, утилизируется так называемый красный шлам, уменьшены потери при производстве щелочных металлов. По специально разработанному технологическому процессу получают глинозем, оксиды железа, продукты для цементной промышленности. На Челябинском электролитном заводе действует гидрометаллический способ переработки цинкового сырья по практически безотходной технологии. На этом предприятии высоки показатели извлечения металлов, серы. Известно, что затраты на минеральное сырье в цветной металлургии составляют более 70% всех затрат на производство продукции.

Сложный состав сырья, перерабатываемого на производствах цветной металлургии и низкое содержание полезных компонентов создают условия для образования самых больших в добывающей отрасли отходов от добычи руды до переработки. Однако, несмотря на ряд положительных фактов в наше трудное переходное время много действующих предприятий работает по старой традиционной технологии переработки сырья, предусматривающей полезное использование только сравнительно незначительной части сырья. Сейчас это особенно усилилось, так как, во-первых, сократились или полностью приостановлены все исследовательские работы по комплексному использованию сырьевых ресурсов и переработке всех отходов. Во-вторых, значительно снижены требования природоохранных организаций к выполнению ряда работ по разработке безотходных технологий. В-третьих, для полной реализации результатов исследовательских работ из большинства предприятий металлургического производства нет материальных средств, как и во всех других отраслях народного хозяйства.

4. Переработка и комплексная утилизация содержащих тяжелые металлы отходов гальванических и металлургических производств

Один из основных источников загрязнения почвы, водоемов, водоносных горизонтов и сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами -- сточные воды и шламы гальванических производств. Известные методы очистки технологических стоков сводятся к их переработке в гидроксиды тяжелых металлов и выделению их в виде гальваношламов. При неэффективной очистке гальваностоков тяжелые металлы попадают в природные водоемы, почву и по трофическим путям питания доходят до человека. Аналогичная ситуация возникает при выщелачивании тяжелых металлов кислотными дождями и природными органическими кислотами из шламов в местах их захоронения. Таким образом, круг замыкается, и растворы солей тяжелых металлов в конечном итоге попадают в водоемы.

Известные разнообразные предложения непосредственного применения гальваношламов как добавку-наполнитель в стройматериалы приводят к тем же результатам, так как стройконструкции недолговечны, и через 10-50 лет превращаются в строительный мусор, оказываются на свалке. Кислотными дождями соединения тяжелых металлов постепенно разрушаются с образованием соединений различной степени растворимости, вновь попадающих в питьевую и/или поливную воду. В результате возникает ряд экологических проблем:

теряется природная способность водоемов к самоочищению;

нарушается функционирование активного ила на станциях очистки городских стоков;

гальваноотходы неконтролируемо взаимодействуют с отходами химической, нефтехимической, пищевой промышленности, кроме того, при стандартном хлорировании воды на станциях водозабора дополнительно возникают органические хлорпроизводные, например, диоксины;

образующиеся таким путем сложные металлоорганические соединения ядовиты, не удаляются кипячением, обладают мутагенным и тератогенным действием, подавляют иммунитет. В результате увеличивается общая заболеваемость, возникает ситуация, которую, по нашему мнению, можно обозначить как "Синдром экологически приобретенного иммунодефицита" -- экологический СПИД.

Другой недостаток существующей схемы очистки гальваностоков -- ее исключительно затратный подход, требующий значительных ассигнований (на строительство, функционирование очистных сооружений, полигонов для захоронения гальваношламов).

В настоящее время разработана, проходит патентование, пилотную отработку принципиально иная концепция, согласно которой возможно производить селективную очистку гальваностоков от ионов тяжелых металлов с их одновременной рекуперацией, в том числе -- в виде высокодисперсных металлических порошков. Очистке от ионов тяжелых металлов подлежат технологические водные растворы солей металлов, в том числе и промывные воды гальванопроизводств непосредственно в гальванических цехах, без образования общей смеси стоков от всех производственных линий.

Метод позволяет извлекать тяжелые металлы из водных растворов с начальной весовой концентрацией (0,001-20)%, в том числе из низкоконцентрированных промывных вод. Это важно как с экологической точки зрения, так и в экономическом плане.

Блок технологий позволяет обеспечить:

практически полное извлечение ионов ряда тяжелых металлов в виде безвредного высокодисперсного металлического порошка (с микронными размерами частиц -- 0,1-20 мкм) и чистотой не менее 95%;

высокую степень очистки стоков от ионов тяжелых металлов до уровня экологических требований;

широкие возможности рентабельного использования полученных порошков металлов;

резкое снижение объемов образующихся гальваношламов и их токсичности;

возможность создания производств по выпуску высокорентабельной продукции на базе полученных металлических порошков, а также организация выпуска соответствующих модульных очистных установок.

Масса выделяемого конкретного металла зависит как от среднегодового объема гальваностоков, так и от их концентрации. Так, для гальваностоков линии Ni-покрытия (средняя концентрация 100 мг/л, объем стоков -- 8 м³/час) реально получение ~ 1700 кг/год Ni-порошка.

Проведен цикл исследований морфологии (методом сканирующей электронной микроскопии) как порошков чистых металлов, так и полиметаллических порошковых систем, не являющихся интерметаллидами, а также цикл рентгеновских исследований (элементный анализ). Обнаружено, что как для порошков чистых металлов, так и для полиметаллических систем характерны высокопористые разветвленные структуры, распространяющиеся в субмикронную область вплоть до нанометровых размеров, фактически представляющие собой фрактальные оболочечные полые структуры, имеющие высокую удельную поверхность. Уже сейчас получены системы

Ni-Cu, Fe-Pd, Ni-Pd

и др. с удельной поверхностью до 50 м²/г).

Стоки производств, очищенные от ионов тяжелых металлов, могут смываться в обычную городскую канализацию, или, после дополнительной обработки, использоваться для вспомогательных технологических операций (например, первичной промывки) на основном производстве. Потенциально возможно использование таких очищенных стоков для дорожного строительства.

Направления использования порошков металлов:

изготовление деталей, запчастей методом порошковой металлургии;

получение сырьевых полупродуктов;

производство катализаторов для пищевой, химической, нефтехимической промышленности;

системы очистки воздуха, газов;

системы очистки воды, технологических жидкостей;

магнитные жидкости;

электропроводящие компаунды;

смазочные материалы;

биоактивные пищевые добавки;

производство композитных материалов и др.

Схема 1. Конечная продукция от переработки гальваноотходов (технологических стоков) по проекту

Разработан техпроцесс переработки накопленных гальваношламов в устойчивые композитные материалы с последующим использованием:

изготовление деталей, запчастей;

получение сырьевых полупродуктов (стекловидных и/или пористых);

производство абразивных материалов;

строительство, включая дорожное.

Схема 2. Конечная продукция от переработки гальваноотходов (технологических стоков) по проекту

Таким образом, концепция по переработке и утилизации гальваноотходов представляет собой пример комплексного использования промышленных отходов, сочетая экологический и экономический подход как саморазвивающийся и самоокупаемый проект, основанный на использовании высоких технологий.

5. Способ переработки отходов алюминиевых сплавов

Известен способ извлечения лития и магния из металлических отходов в две стадии. Для извлечения лития и магния из отходов на первой стадии используют флюс

 КСl= AlCl₃

с перемешиванием расплава аргоном. В результате взаимодействия лития и магния с хлоридом алюминия получают солевую фазу, содержащую хлориды лития, магния и калия, и металлическую фазу, в которой содержится лития 0,002%, магния 0,003% и остальное алюминий. После удаления солевой фазы в ванну добавляют хлорид калия и обрабатывают металл хлоргазовой смесью (5% Сl₂), снижая в нем литий и магний до 0,001%. При этом получают солевую фазу с содержанием ? 52% AlCl₃ и 48% KCl, который возвращают на первую стадию. Солевую фазу после первой стадии (20-30% LiCl) измельчают и выщелачивают в спирте. После упарки раствора извлекают хлористый литий, а затем электролизом получают литий.

Недостатками способа являются: сложная аппаратурная схема по извлечению лития, включающая электрохимический дорогой передел и малопроизводительную гидрохимическую схему; высокие потери алюминия в виде хлорида алюминия ? 6% ; магний теряется в виде хлорида.

Известен способ извлечения лития из алюминиевого лома. Переплав лома осуществляется в электролизере, в котором расплавленный лом является анодом, литий или сплав Al c Li катодом, а электролитом - расплав на основе хлоридов, содержащих литий. Оставшийся после переплава лом (анод) может затем использоваться как обычный алюминиевый лом.

Недостатками способа являются: большие капитальные вложения; ограничения содержания в ломе магния до 1,0%.

Известно удаление натрия и лития из первичного алюминия обработкой солями в ковше с мешалкой. Первичный алюминий из электролизера содержит, г/т: Na 30-40; Li 15-20. Показано, что обработка солями MgCl₂ и AlF₃ снижает содержание в металле натрия и лития за 5-10 мин до < 1 г/т. Указанная технология не может быть реализована для отходов трехкомпонентного сплава, содержащего, %: Li 1-2; Mf 3-5, так как этот способ не предусматривает регенерацию лития.

Известно извлечение лития из скрапа алюминиево-литиевых сплавов хлорированием. Показана селективность хлорирования компонентов в отходах алюминиевого сплава (Li, Mg, Cu, Zr). Предложено две схемы технологического процесса с добавками хлористого калия - прямое хлорирование и хлорирование с возвратом частично образующихся хлоридов алюминия и магния на первую стадию. Способ проверен в лабораторных условиях.

Недостатками способа являются: потеря алюминия ? 5% в виде хлорида алюминия с шлаком; сложная технологическая схема разделения хлоридов магния и лития, не ясна экономическая целесообразность дальнейшего их использования.

Наиболее близким к предлагаемому является способ выделения алюминия и отходов, в котором в качестве флюса используются фториды щелочных и (или) щелочно-земельных металлов. Процесс идет при температуре выше температуры плавления фторидов и предпочтительно при давлении 100 мм рт.ст. Испаренные продукты конденсируются в виде жидкостей в зоне отстоя на металлический алюминий высокой чистоты и фтористые соли. Металлические примеси из реакционной зоны периодически удаляются.

Способ имеет следующие недостатки: согласно способу получают алюминий, загрязненный магнием: отсутствует комплексная переработка отходов сплавов; образующийся шлак, который содержит фтористые соли, требует дополнительную обработку; при переработке отходов, содержащих элементы с низкой температурой кипения, например цинк, требуется предварительное удаление этих примесей; сложная аппаратурная схема удорожает процесс переработки отходов; не позволяет удалять литий и магний из лома и других неочищенных источников. В процессе обработки очищенный алюминий загрязняется магнием.

Целью изобретения является повышение выхода компонентов из отходов сплава.

Указанная цель достигается тем, что переработку отходов алюминиевых сплавов, включающую расплавление отходов под флюсом, содержащим фториды щелочных и щелочно-земельных металлов, разделение фтористых солей и металлического алюминия ведут при 800-900оС не менее 30 мин с одновременным перемешиванием расплава инертным газом.

В качестве флюса используют 30-60% фторида магния и до 5% фторида лития, остальное фториды натрия и алюминия и получают литийсодержащий компонент и алюминиево-магниевый сплав, который подвергается последующей обработке флюсом, содержащим фториды натрия и алюминия в молярном соотношении 0,8-2,0 с получением алюминия и магнийсодержащего солевого компонента.

Сущность способа заключается в селективном извлечении лития за счет взаимодействия фторида магния с литием (извлечение лития составляет 75-85%, магния 0-5%) с получением литийсодержащего компонента и сплава, обогащенного магнием. Алюминиево-магниевый сплав обрабатывается фторидом натрия и алюминия для извлечения магния и оставшегося лития. Так как в сплаве имеется всего 0,3-0,5% лития, а магния более 5%, то получаемый флюс обогащается фторидом магния.

Способ осуществления в интервале 800-900оС. При снижении температуры процесса значительно снижается извлечение лития и магния. При повышении температуры выше 900^оС увеличиваются потери флюса за счет испарения легколетучих компонентов. Продолжительность менее 30 мин не обеспечивает высокого извлечения лития и магния. Верхний предел продолжительности стадии определяется концентрацией лития и магния в отходах.

Для обработки отходов применяется флюс из фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов, а состав его определяется следующими факторами: увеличение содержания MgF₂ более 60% требует повышения температуры процесса в связи с повышением температуры плавления флюса более 900^оС, а проведение процесса менее 800-900^оС сопровождается снижением извлечения лития вследствие нахождения флюса в твердом виде; снижение содержания MgF₂ менее 30% сопровождается совместным извлечением лития и магния.

Далее алюминиево-магниевый сплав обрабатывается флюсом, содержащим фториды натрия и алюминия при соотношении NaF:AlF₃ в интервале 0,8-2, которое определяется: если соотношение ниже 0,8, то значительно увеличиваются потери алюминия за счет его испарения; если соотношение выше 2, то требуется повышение температуры процесса в связи с повышением температуры плавления флюса, особенно при переходе в него фторида магния.

Таким образом, при применении переработки отходов в предложенном интервале составов флюсов и температуры можно при минимальных затратах достичь максимального селективного извлечения лития и магния во фтористые соли.

В результате переработки отходов получаются следующие полезные компоненты: флюс с литийсодержащим компонентом при ограниченном содержании фторида магния, который можно применить как добавку к электролиту при электролитическом получении алюминия взамен дорогих литийсодержащих солей; флюс с магнийсодержащим компонентом, который частично идет на обработку отходов сплава, а остальная часть используется в качестве добавки к электролиту для пусковых электролизеров; очищенный металл - для производства вторичных алюминиевых сплавов.

Примеры конкретного выполнения.

В синтеркорундовом тигле при навеске 50 г отходов алюминиево-литиевых сплавов (Li - 2,0% ; Mg - 5,0%) выполнена переработка при 750^оС с 10 г флюса, содержащего 53% MgF₂ и 3% LiF, NaF + AlF3 - 44%. После расплавления металла и достижения температуры 850оС при перемешивании инертным газом, содержимое тигля выдерживалось 30 мин. Расход аргона составил 3 л/ч. После обработки получено: 50,5 г металла (Li - 0,25%, Mg - 7,8%) и 9,0 г флюса (LiF - 40%, MgF₂ - 15%, остальное AlF₃ и NaF). Извлечение лития и магния составило соответственно 90% и 1%. Литийсодержащий компонент удаляется из тигля и может быть использован как литийсодержащая добавка для электролита алюминиевых электролизеров. Металл, содержащий Mg - 7,8%, Li - 0,25% , обрабатывался криолитом (К. 0-1,0). В тигель, где находилось 50,5 г сплава, загружалось 17 г криолита и при температуре 850оС с перемешиванием аргоном процесс осуществлялся 30 мин. После обработки получено: 1) - 49,5 г алюминия, где Li - 0,01%, Mg - 0,1%; 2) 17,5 г флюса, который содержит MgF₂ 53%, LiF 3,0%, остальное AlF₃ и NaF. Часть флюса 10 г используется для обработки отходов алюминиевых сплавов.

Остальная часть 7,5 г рекомендуется для использования в качестве добавки к электролиту пусковых электролизеров. Извлечение лития и магния при обработке фторидами натрия и алюминия соответственно составило 97 и 98%.

Примеры выполнения переработки при различных технологических параметрах представлены в таблице.

Осуществление технологического процесса в промышленных условиях аналогично лабораторным.

В печь (ИТА-6) загружают 4 т отходов сплава и 600 кг флюса (_MgF2 50-60% , LiF 2-5%, остальное NaF + AlF. После расплавления и достижения 820-850оС осуществляют перемешивание расплава механической или барботажем аргона в течение 30 мин. Полученный литийсодержащий компонент (40-50% LiF) в количестве 550 кг выгружают вакуум-ковшом и заливают в электролизеры для получения первичного алюминия и замораживают в изложницах в виде чушек и затем загружают в электролизеры. В оставшийся жидкий металл загружают 1400 кг фторидного флюса при криолитовом соотношении 5,0-0,8-2,0. После установки температуры 820-850^оС производится перемешивание в течение 30 мин. Отрафинированный жидкий металл (масса - 3700 кг) откачивается из печи вакуум-ковшом и используется для приготовления сплавов. Образовавшийся магнийсодержащий солевой компонент (MgF₂ - 40-60%) частично откачивается (800 кг) и направляется в пусковые алюминиевые электролизеры для корректировки состава электролита по фтористому магнию. Оставшаяся часть (600 кг) солевого компонента используется при рафинировании отходов алюминиево-литиевых сплавов.

6. Задача

Природный газ, используемый в бытовых газовых плитах имеет состав:

Метан (СН₄) - 94 %

Этан (С₂Н₆) - 2 %

Оксид углерода (СО) - 2 %

Диоксид углерода (СО₂) - 1 %

Азота (N₂) - 1 %

Какой объем воздуха используется при сжигании 100 м³ этого газа?

Решение

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

2С₂Н₆ + 5О₂ = 4СО₂ + 6Н₂О

н(газа) = 100 / 22,4 = 4,46 моль

н(О₂) =4,46 * 7 = 31,25 моль

V(возд.) = 31,25 * 22,4 / 0,29 = 2413,8 м³

Выводы

Переработка (также вторичная переработка) -- повторное использование или возвращение в оборот отходов производства. Наиболее распространена вторичная, третичная и т. д. переработка в том или ином масштабе таких материалов, как алюминий, железо, и др.

Большинство металлов целесообразно перерабатывать вторично. Ненужные либо же испорченные предметы, так называемый металлолом, сдаются на пункты приема вторсырья для последующей переплавки. Особо выгодна переработка цветных металлов (меди, алюминия, олова), распространенных технических сплавов (победит) и некоторых черных металлов (чугун).

Известные методы очистки технологических стоков сводятся к их переработке в гидроксиды тяжелых металлов и выделению их в виде гальваношламов.

Способ переработки отходов алюминиевых сплавов, включающий расплавление отходов под флюсом, содержащим фториды щелочных и щелочноземельных металлов, разделение фтористых солей и металлического алюминия, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода компонентов сплава, расплавление ведут при 800 - 900^oС не менее 30 мин с одновременным перемешиванием расплава инертным газом, в качестве флюса используют смесь: 30 - 60% фторида магния, до 5% фторида лития и остальное - фториды натрия и алюминия с получением литийсодержащего компонента и алюминиево-магниевого сплава и последующей обработкой алюминиево-магниевого сплава флюсом, содержащим фториды натрия и алюминия в молярном соотношении 0,8 - 2,0, с получением алюминия и магнитсодержащего солевого компонента.

Список литературы

1. Антропогенные проблеми экологии / А.И.Коблева. - Днепропетровск: Проминь, 1997. - 144 .

2. Баженов В.С. Вредные химические вещества. - Л.: Химия, 1990. - 318 .

3. Борнацкий И.И. Теория металлургических процессов. - К.: Техника, 1978. - 430 .

4. Брылов С. А., Штродка К., Грабчак Л. Г. и др. Охрана окружающей среды. -- М.: Высш. шк., 1986. -- 272с.

5. Владимиров А. М., Ляхин Ю. И., Матвеев Л. Т. и др. Охрана окружающей среды.-- Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-- 423с.

6. Воскобейников В.Г., Кудрин В.А., Якушев В.А. Общая металлургия. - М.: Металлургия, 1979. - 488с.

7. Глинка Н. Л. Общая химия. -- Л.: Химия, 1988. -- 702 с.

8. Григорьев А. А. Экологические уроки прошлого и современности. -- Л, 1991. -- 249с.

9. Гуляев А.П. Материаловедение. - М.: Металловедение, 1986 . - 542с.

10. Карапетьянц М. X., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. -- М. Высш. шк., 1981. -- 632с.

11. Лаптев А. А., Приемов С. И., Родичкин И. Д. и др. Охрана и оптимизация окружающей среды. -- К., 1990. -- 254с.

12. Мухленов И.М., Табоцева В.Д., Горштейн А.Е. Основы химических технологий. - М.: Просвещение, 1964. - 632с.

13. Николаев Л. А. Неорганическая химия. - М.: Просвещение, 1982. -- 640с.

14. Основы химической технологии. / Под ред. И.П.Мухленова. - М.: Высш школа, 1991. - 463 с.

15. Охрана и оптимизация окружающей среды. / Под ред. А.А.Лаптева. - К. Лыбидь, 1990. - 256с.

16. Химия окружающей среды. / Под ред. Д.Бокриса. - М.: Химия, 1989. - 580с.