Обезвоживание осадка гидроксида цинка при получении оксида цинка из бедных сульфатных растворов

Актуальность темы

.

В настоящее время остро стоит проблема рационального использования сырья в различных отраслях промышленности и экологической чистоты применяемых технологий. Повышаются требования к чистоте получаемых металлов и их соединений. Выработка богатЁгх месторождений заставляет вовлекать в промышленное производство все более бедные природные материалы, которые по своему содержанию имеют тенденцию к сближению с техногенными образованиями. Комплексное использование техногенных отходов в цветной металлургии — шлаков, пылей, кеков и т. п. — способствует сохранению природных источников сырья, отвечает требованиям экологической безопасности и технико-экономической эффективности. Становится актуальным извлечение металлов из сбросовых вод горнометаллургического комплекса, где их концентрация после обработки должна соответствовать нормам ПДК. Необходимость очистки этих вод определяется проблемой охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов и обеспечения замкнутого водооборота. Кроме того, очистка сточных вод промышленного производства, помимо решения экологических задач, позволяет повысить экономическую целесообразность всего металлургического производства за счет дополнительного извлечения многих цветных металлов.

С уменьшением концентрации примесей в обрабатываемом растворе их извлечение становится все более затруднительным и дорогостоящим, что связано с изменением механизма процесса удаления примеси при изменении ее содержания в растворе.

Известны различные способы извлечения компонентов из слабоконцентрированных растворов: реагентный, экстракционный, сорбционный, ионообменный, мембранный, магнитной сепарации, электрокоагуляционный и другие. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Извлечение цветных металлов из бедных многокомпонентных растворов методом гидролитического осаждения сдерживается несовершенством способов селекции и обезвоживания тонкодисперсных суспензий, что приводит к высоким энергозатратам на стадии сушки. В связи с этим являются актуальными исследования, ведущие к повышению селективности извлечения и снижению влагосодержания кека фильтрования с применением автоклава.

Целью работы является разработка способа обезвоживания гидролитически осаждённого цинка из бедных сульфатных растворов в технологии получения оксида цинка с использованием современных физико-химических методов переработки техногенного и природного сырья.

Методика исследований. Применялись современные методы физико-химического анализа: полярографический, колориметрический, объёмный, весовой, спектральный, рентгенофазовый (РФА), дифференциально-термический, фракционный, минералогический, рН-метрический, микроскопический. Термодинамические расчёты использованы для анализа вероятных взаимодействий в исследуемых системах. Обработку экспериментальных данных проводили с применением математической статистики и теории вероятностей.

Обоснованность и достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций базируются на использовании теоретических положений физической химии и теории металлургических процессов, а также математической статистики, подтверждаются сходимостью результатов прикладных и теоретических исследований. Все математические модели являются адекватными экспериментальным данным и обладают хорошей прогностической способностью.

Научная новизна. Выполненное исследование вносит вклад в решение актуальной научной задачи о состоянии ионов металлов в слабоконцентрированных растворах и разработке способов их извлечения и концентрирования.

Изучены механизмы образования осадков, кинетические и другие параметры процесса извлечения ионов металлов из слабоконцентрированных растворов в составе труднорастворимых соединений.

Предложен комплексный последовательный подход к решению многофакторных задач интенсификации процессов извлечения металлов из слабоконцентрированных технологических растворов^ и сточных вод, показана эффективность его практического применения. Разработаны экономичные способы обезвоживания гидролитически осаждённого цинка из слабоконцентрированных сульфатных растворов с получением оксида цинка (1 патент, 3 заявки на изобретение по 2 из них — положительные решения).

Предложена методика определения возможности использования разработанного способа обезвоживания гидроксидов цветных металлов в автоклаве: давление диссоциации гидроксидов должно быть больше давления насыщенных водяных паров при заданной температуре.

Показано, что переход от коагуляционного к кристаллизационному механизму образования осадка при его гидротермальной обработке в автоклаве способствует образованию плотного, легко фильтрующегося осадка.

Практическая значимость работы.

Разработанные на уровне изобретения способы концентрирования и извлечения ионов цинка из производственных растворов для получения оксида цинка высокой чистоты, очистки сточных вод промышленных предприятий эффективно решают проблемы комплексного использования сырья и создания безотходных экологически чистых технологий переработки природного и техногенного сырья.

Полученные результаты могут быть использованы для переработки технологических растворов, твёрдых отходов, сточных вод промышленных предприятий, шламов гальванического производства, рудничных вод, растворов подземного и кучного выщелачивания.

Предложены технологические схемы извлечения компонентов, которые могут быть осуществлены без сбросов, что весьма существенно не только для реализации ресурсосберегающих технологий, но и для охраны окружающей среды.

Результаты работы используются для подготовки студентов в учебном процессе СКГМИ (ГТУ).

Положения, выносимые на защиту.

1. Оптимальные условия гидролитического осаждения ионов металлов и последующего обезвоживания осадка в процессах глубокого извлечения металлов из слабоконцентрированных растворов, а также условия разложения гидроксидов цветных металлов до оксидов при наличии внешнего давления насыщенных водяных паров: давление диссоциации гидроксидов должно быть больше давления насыщенных водяных паров при заданной температуре, при этом обезвоживание осадка гидроксида его нагреванием в автоклаве без испарения основной массы воды, помимо экономичности, позволяет получать плотные легкофильтрующиеся осадки.

2. Нагревание осадков гидроксидов металлов, полученных из слабоконцентрированных растворов в результате их коагуляции, до температуры их разложения приводит к снижению энергетических затрат на последующую промывку, фильтрацию и сушку за счёт образования кристаллической структуры оксидов.

3. Математические модели, адекватно описывающие процессы изменения влажности кека и скорости фильтрования обезвоживаемой суспензии гидроксида цинка как функции температуры нагрева в автоклаве, исходной влажности и времени выдерживания при постоянной температуре.

Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены автором и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы», МИСиС, Москва, 2009 г. Основные положения работы и результаты исследований обсуждены на заседаниях кафедры безопасности жизнедеятельности и научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ) (г.Владикавказ) в 1992 -2009 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 12 печатных работах, 1 патенте РФ, 3 заявках на изобретение из них 2-е положительным решением.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Она содержит 124 страницы машинописного текста, 31 рисунок, 17 таблиц, 91 наименование литературы.

4.5. Выводы.

1. Разработан гидрометаллургический способ получения оксида цинка из слабоконцентрированных растворов включающий гидротермальную обработку осадка в автоклаве при температуре >140 °С. Конечный продукт по химическому составу и дисперсности может быть использован в качестве цинковых белил и как реактив — оксид цинка.

2. Установлено, что условием применения разработанного способа обезвоживания в производстве цветных металлов является превышение равновесного давления диссоциации гидроксида Ме (ОН)п над давлением насыщенного водяного пара при той же температуре.

3. Извлечение цинка из цинксодержащих сточных вод ведется в две стадии на первой, после окисления ионов Бе (П) до Бе (III) выделяется п I 'У железо при рН=6,6 если концентрация ионов Бе менее 100 мг/дм его добавляют. На второй осаждается цинк при рН=9. Для обезвоживания кеков применяется способ автоклавной подготовки.

4. Цинковый и железный концентраты предназначены для дальнейшей переработки и таким образом в шламовых площадках нет необходимости.

5. Использование двухстадийной схемы переработки с применением автоклавной подготовки кека к обезвоживанию для сточных вод Архонского рудника позволит сократить энергозатраты на 79,6 МВт-час.

Заключение

.

1. Разработан способ получения оксида цинка из цинксодержащего раствора, включающий осаждение цинксодержащего осадка гидроксидом аммония, обработку раствором карбоната или бикарбоната аммония, сушку и прокалку, причём осаждение ведут из слабоконцентрированных цинксодержа-щих растворов, выделенный цинксодержащий осадок прокаливают при 125 150 °C, обработке раствором карбоната или бикарбоната аммония подвергают прокалённый осадок, который сушат и вновь прокаливают при 300 750 °C. Применение данного способа обезвоживания приводит к переходу от коагуляционной к кристаллической структуре осадка за счёт разложения гидроксида до оксида цинка, что позволяет получать плотный осадок, который легко фильтруется и промывается.

2. Предложен способ обезвоживания цинксодержащих продуктов, который включает выделение цинксодержащего осадка из раствора водным аммиаком, нагревание в автоклаве до температуры разложения гидроксида^разл — 150 °C и выдерживание при этой температуре. После нагревания осадок фильтруют и промывают, а затем, при необходимости, обрабатывают раствором карбоната или гидрокарбоната аммония, сушат и вновь прокаливают при температуре больше 300 °C. Предварительный нагрев суспензии в автоклаве позволяет снизить влажность кека фильтрования на 10−25% в сравнении с лучшими показателями отечественной и мировой практики. При этом скорость фильтрования значительно возрастает. Нагревание в автоклаве до температуры разложения гидроксида снижает энергозатраты, так как не требуется испарять всю имеющуюся в осадке воду.

3. Термодинамический, рентгенофазовый и микроскопический анализы показали, что разработанные способы обезвоживания приводят к разложению гидроксида до оксида цинка. Дифференциально-термический анализ согласуется с результатами термодинамического анализа в части определения температуры разложения гидроксида и теплового эффекта его разложения.

4. Разработанные способы позволяют получать чистый (хч) оксид цинка, химический и гранулометрический состав которого позволяет его использовать в производстве цинковых белил, в производстве резины и др. Фракционным анализом установлено, что полученный оксид цинка имеет мелкозернистую гомогенную структуру, что делает его перспективным для использования в различных отраслях народного хозяйства.

5. С применением математического планирования эксперимента проведены исследования зависимости скорости фильтрования водной суспензии и влажности кека от температуры нагрева кека в автоклаве, влажности загружаемого материала и длительности воздействия температуры. Получены математические модели, адекватно описывающие исследованные процессы.

6. Разработанные способы можно использовать для обезвоживания других гидроксидов цветных металлов, применять к извлечению цветных металлов из сточных вод промышленных предприятий, рудничных вод, растворов кучного и подземного выщелачивания с использованием в кичс^ьо щелочных реагентов едкого натра, соды, гидроксида кальция. При наличии в очищаемом стоке ионов Бе (II) их использовали в качестве коагулянта путём их окисления до Бе (III) с последующим осаждением гидроксида Бе (III).