Извлечение оксида магния из хроматного шлама с применением сульфаминовой кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева, Караганда, Казахстан

Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, Казахстан

Извлечение оксида магния из хроматного шлама с применением сульфаминовой кислоты

Каргина Н.А.¹, Фомин В.Н. ²

¹ORCID: 0000-0003-1744-8437, Кандидат технических наук,

²ORCID: 0000-0002-2182-2885, Кандидат химических наук,

Аннотация

магний хром гидрохимический выщелачивание

Изучена возможность извлечения оксида магния из токсичного отхода производства солей хрома - хроматного шлама гидрохимическим методом с использованием сульфаминовой кислоты. В исследованиях применен метод вероятностно-детерминированного планирования эксперимента, разработанный в Химико-металлургическом институте г. Караганды. Найдены математические модели извлечения оксида магния в продукты выщелачивания хроматного шлама. Определены оптимальные условия процесса выщелачивания. Предложенный метод к решению задачи извлечения магния из отходов производства соединений хрома с использованием нетоксичного выщелачивающего реагента - сульфаминовой кислоты является новым.

Ключевые слова: хроматный шлам, выщелачивание, сульфаминовая кислота, восстановление хрома, извлечение магния.

Abstract

Kargina N.A.¹, Fomin V.N. ²

¹ORCID: 0000-0003-1744-8437, PhD in Engineering,

Chemical-Metallurgical Institute named after. Zh. Abisheva, Karaganda, Kazakhstan

²ORCID: 0000-0002-2182-2885, PhD in Chemistry,

Karaganda State University named after E.A. Buketova, Kazakhstan

Extractiing magnesium oxide from chromate mud with the application of sulfamine acid

The possibility of extracting magnesium oxide from the toxic waste of the production of chromate salts, chromate mud, by means of the hydro-chemical method using sulfamic acid was studied. The method of probabilistic and deterministic planning of the experiment, developed at the Chemical-Metallurgical Institute of the city of Karaganda, was applied in the study. Mathematical models of extracting magnesium oxide in chromate mud into leaching products are found. The most efficient conditions for the leaching process are determined. The proposed method for solving the problem of magnesium extraction from waste products of chromium compounds using a non-toxic leaching reagent, sulfamic acid, is a new one.

Keywords: chromate mud, leaching, sulfamic acid, chromium recovery, magnesium extraction.

Токсичные отходы переработки хромитовых руд, миллионы тонн которых складируются в шламонакопителях, содержат от 30 до 40% оксида магния, который практически не используется, хотя на его основе вполне возможно производить многие виды товарной продукции, которые являются на рынке очень востребованными [1, С. 79].

Несмотря на большое количество исследований, задача утилизации хроматного шлама нигде в мире не решена, что обусловило закрытие производства в ряде развитых стран Европы и Японии [2, С. 20]. Все, предлагаемые ранее способы утилизации данного отхода были направлены в основном на нейтрализацию токсичности шлама, содержащего шестивалентный хром, текущего производства, не решая эту проблему для ранее накопленных отходов [3, С. 59], [4, С. 128]. Кроме того, большинство предлагаемых решений, предлагаемых в патентах [5], [6], [7], [8], [9], [10] ориентировалось на высокотемпературные технологии [5], [6], [7] с применением достаточно агрессивных реагентов, таких как минеральные кислоты [8], [9], [10] и сульфидсодержащие материалы [8], [9], [10]. Так в способе [10] предложено перерабатывать шлам с получением хромсодержащего концентрата и обогащенного магнием раствора. Однако данный процесс осуществляется в автоклаве при температуре 110-160⁰С с использованием агрессивной серной кислоты. Разработанный учеными Уральского научно-исследовательского уральского химического института (УНИХИМ, АЗХС) метод извлечения оксида магния из хроматного шлама ОАО «Русский хром» в виде бикарбоната магния [11], так и не был реализован. Описанная в работе [12, С. 115] солянокислотная технология получения металлического магния из рассматриваемого техногенного сырья также не была реализована.

В настоящей статье рассмотрена возможность извлечения оксида магния из хроматного шлама Актюбинского завода хромовых соединений, содержащего 31,2% оксида магния, с использованием сульфаминовой кислоты. Выбор сульфаминовой кислоты был обусловлен ее малой токсичностью хорошей растворимостью сульфаматов многих металлов, низкой коррозионной активностью, а также возможностью проведения процесса выщелачивания при обычной температуре в реакторах без кислотоупорной футеровки.

Изучение процесса выщелачивания оксида магния проводили с использованием метода вероятностно-детерминированного планирования эксперимента в модифицированном варианте [13]. Использовали пятифакторный план эксперимента (табл. 1). Варьируемыми факторами являлись: расход сульфаминовой кислоты (m_cк, г/г шлама), время выщелачивания (ф, мин), отношение жидкого к твердому (Ж:Т, G). Навеска хроматного шлама оставалась постоянной и составляла 5 г. Контролируемыми показателями являлись: выход кека (в,%) и извлечение оксида магния в раствор (е_MgOр ) (табл. 2).

Таблица 1 - Факторы и их уровни

Извлечение оксида магния в кек (е_MgOк) и в раствор (е_MgOр) определяли следующим образом:

(1)

(2)

При взаимодействии с сульфаминовой кислотой компоненты шлама растворяются с образованием солей сульфаминовой кислоты - сульфаматов:

Cr₂O₃ + 3HSO₃NH₂= Cr (NH₂SO₃)₃ + 3H₂O, (3)

MgO + 2HSO₃NH₂ = Mg (NH₂SO₃)₂ + H₂O. (4)

Таблица 2 - План эксперимента. Результаты опытов (в_кэ, е_MgOрэ) и расчётов (в_кт, е_{MgOр т}); R -коэффициент корреляции, t_R - его значимость

Обработка полученных экспериментальных данных состояла в вычислении среднего арифметического названных выборок. При выполнении этой операции предполагалось, что в процессе усреднения выбранных групп чисел, вклады всех факторов, за исключением одного рассматриваемого, будут нейтрализоваться с нахождением зависимости только одного фактора, именуемой частной зависимостью. Полученные частные зависимости исследуемых факторов далее были описаны алгебраическими уравнениями (5) - (8) и графически представлены на рис.1. Приведенные на рисунке точки - данные эксперимента, линии - результаты расчета. Извлечение оксида магния в раствор, е_MgOр:

ln е_MgOр1 = 2,6509 + 6,4742 ·10^-1 lnm_ск, (5)

ln е_{MgOр 2} = 3,5449 +1,5164·10^-1lnф, (6)

ln е_MgOр.3 = 4,9857 - 3,0134·10^-1 lnG. (7)

ln е_MgOр = 2,7669 + 6,4742 ·10^-1 lnm_ск +1,5164·10^-1lnф - 3,0134·10^-1 lnG. (8)

Установлено, что заметное воздействие на процесс выщелачивания в исследуемом диапазоне варьируемых факторов оказывает расход сульфаминовой кислоты. Извлечение оксида магния в раствор возрастает с увеличением расхода сульфаминовой кислоты, что свидетельствует о более полном протекании процесса растворения. Продолжительность процесса также ведет к более интенсивному переходу магния в раствор, тогда как сильное разбавление, наоборот, несколько снижает его содержание.

Рис. 1 - Частные зависимости извлечения оксида магния в раствор (е_MgOр) а - от массы сульфаминовой кислоты (m_Ск, г); б - от времени (ф, мин); в - от соотношения жидкого к твердому (Ж:Т, G), г, д - вакантные факторы

С целью исключения возможности превышения физического предела (100%) при расчете по многофакторному уравнению полученные частные зависимости (5 - 8) были обработаны с использованием экспоненты Полученные зависимости имеют вид:

ln(ln100-lnе) = 2,1863 - 1,2885 lnm_cк, (9)

n(ln100-lnе) = -6,1076·10^-1 -7,2923·10^-1ln ф, (10)

ln(ln100-lnе) = -2,5797 +7,20595·10^-1 lnG. (11)

После потенцирования (13-15) найдем:

е₁ = 100 exp (8,9022 ·m_cк ^-1,2885 ), (12)

е₂ = 100 exp (5,4294·10^-1 ·ф^-0,72923), (13)

е₃ = 100 exp (7,5791·10^-2 ·G^0,7206). (14)

Многофакторное уравнение получим путем сложения функций (12) - (14) и вычитания из суммы величины общего среднего арифметического значения всех опытов, умноженного на 2 (количество объединяемых функций, уменьшенное на 1):

ln(ln100-lnе) _ср = -1,1044,

ln(ln100-lnе) = 1,4984 - 1,2885 ln m_cк - 7,2923·10^-1 ln ф+7,20595·10^-1 ln G. (16)

После потенцирования будем иметь:

е = 100exp (4,4745· m_cк ^-1,2885 ·ф^-0,72923·G^0,7206). (15)

Оптимальные условия протекания процесса выщелачивания определяли с помощью полученного многофакторного уравнения (15), на основании которого была рассчитана табличная номограмма (табл. 3). Табличная номограмма позволяет определять не какое-то одно, а целое пространство оптимальных условий. Выделенные значения образуют определенные площади в многофакторном пространстве, по величине которых можно судить о предпочтительности тех или иных комбинаций факторов. На этом основании можно утверждать, что условия, относящиеся к наибольшим площадям выделенных областей, соответствуют оптимальным значениям варьируемых факторов.

Таблица 3 - Выдержки из табличной номограммы. Извлечение оксида магния в раствор (е_{MgO, %}) при варьировании расхода сульфаминовой кислоты (m_ск,г), времени (ф,мин), отношения жидкого к твердому (G)

Оптимальные параметры процесса выщелачивания хроматного шлама сульфаминовой кислотой, составляют: Расход сульфаминовой кислоты 4:1, время 180 минут, Ж:Т - 8-12. При этих условиях извлечение оксида магния в раствор составляет 96,80% (табл. 2), что свидетельствует о возможности применения сульфаминовой кислоты для выщелачивания MgO из хроматного шлама и дальнейшего получения товарной продукции на его основе.

Таким образом с применением метода вероятностно-детерминированного планирования эксперимента в модифицированном варианте был изучен процесс извлечения оксида магния из хроматного шлама с использованием сульфаминовой кислоты. Были найдены математические модели процесса и установлены его оптимальные параметры.

Список литературы / References

1. Сарсенов А.М., Кабиева А, Амерханова Ш. Проблемы увеличения комплексности использования сырья при переработке хромитовых руд // Промышленность Казахстана, 2012. - №4 (73). - С.79-82.

2. Плышевский Ю.С., Гаркунова Н.В., Ткачев К.В. О переработке некоторых техногенных отходов // Тр. УНИХИМ-Вып.72, Екатеринбург, - 2005. - С.20-25 // http://unichim.ru/back/tmp_file/820363491.pdf.

3. Рябин В.А., Попильский М.Я., Солошенко А.А. и др. Современные технологи переработки хромовых руд, нейтрализации и утилизации токсичных отходов // Сб. науч.-техн. конф. по переработке техногенных образований Техноген-97, Екатеринбург. - С. 59-61.

4. Авербух Т.Д., Павлов П.Г. Технология соединений хрома. Л.: Химия, 1967. - 376 С.

5. Пат. 2096511РФ. Способ получения водонерастворимых соединений хрома / Джузеппе Бруцоне, Диего Перроне и др. Опубл. 20.11.97.

6. А.с. 975580 СССР. Способ переработки хроматных шламов / Середа Б.П., Пономарева И.М., Портнягина Э.В. и др. Опубл. 23.11.82.

7. Патент 29596 Украины. Способ обезвреживания шламов хроматного производства / Каримов Н.Х., Охотникова Н.А., Котенко П.Г и др. Опубл. 15.11.2000, бюл. №6.

8. Пат. 2083497 РФ. Способ переработки шлама хроматного производства / Середа Б.П., Демидова О.В., Попов Б.А. и др. Опубл. 10.07.97.

9. Патент 2281249 РФ. Способ переработки шлама хроматного производства / Пышевский Ю.С., Гаркунова Н.В. и др. Опубл. 10.08.06.

10. А.с. 969674 СССР. Способ переработки хроматных шламов / Середа Б.П., Пономарева И.М., Рябин В.А. и др. Опубл. 30.10.82.

11. Пат. 24764 РК. Способ переработки шлама хроматного производства /Жарменов А.А., Тельбаев С.А., Еденбаев С.С. и др.; опубл. 10.2011, бюл. №10.

12. Сарсенов А. М. Рациональное использование минерального сырья при переработке хромитовых руд / А. М. Сарсенов, М. Т. Жугинисов, С. М. Базарбаева // Вестник ТарГУ имени М. Х. Дулати “Природопользование и проблемы антропосферы”. - 2010. - №1. - С. 112 - 119.

13. Беляев С.В., Малышев В.П. Пути развития вероятностно-детерминированного планирования эксперимента // Комплексная переработка минерального сырья Казахстана. Состояние, проблемы, решения. В 10-ти т. Алматы, 2008, т.9: Информационные технологии в минерально-сырьевом комплексе. Глава 8. - С.599-633.

Размещено на Allbest.ru