В настоящее время внимание исследователей все больше привлекает проблема комплексной переработки высококремнистых алюмосодержащих пород (нефелинов, алунитов, глин, каолинов, минеральных углей и др.) для получения глинозема, коагулянтов, солей алюминия, удобрений, строительных материалов и др.
Материалы и методы исследования
Для переработки высококремнистых алюмосодержащих пород используются несколько способов: кислотный, кислотно-щелочной и щелочной. К щелочным способам переработки алюмосодержащих пород относятся: гидрохимический (способ Байера), комбинированный способ – сочетание способа Байера со способом спекания, способ спекания [1].
Внимание ученых все больше обращено на возможность использования способа спекания для переработки высококремнистых алюмосодержащих пород, в частности нефелиновых сиенитов, являющихся комплексным сырьем многоцелевого назначения.
В публикациях [2, 3] авторами изложены результаты исследований по переработке высококремнистых алюмосодержащих пород высокотемпературным спеканием (1250–1300 °С) с известняком и последующим выщелачиванием спека щелочно-алюминатными растворами и получением алюмината натрия и нефелинового шлама.
С использованием кислотного и спекательного методов разработан способ переработки нефелин-полевошпатового сырья, позволяющего получать глинозем, поташ, соду и нитраты щелочных металлов [4].
Способом спекания можно вскрыть нефелиновые сиениты с применением кальцинированной соды, флюорита и угля. Авторами такого способа установлены оптимальные условия спекания (температура, продолжительность спекания и соотношение компонентов при спекании) для извлечения алюминия из предложенного сырья [5].
Авторами исследования [6] проведена переработка известняково-нефелиновой шихты по способу спекания с использованием гипсоангидритового техногенного сырья (ГАТС). Добавка ГАТС до 2 % в нефелиновую шихту снижает температуру образования спека на 30–70 °С.
Рассмотрена возможность разложения нефелиновых сиенитов месторождения Турпа и борной руды месторождения Ак-Архар спеканием с хлоридом кальция. Установлены оптимальные параметры: температура 950 °С, время спекания 1 ч и массовое соотношение нефелинового сиенита и хлорида кальция 1:2 [7].
Предложен способ переработки нефелиновых сиенитов [8] спеканием с сульфатом натрия с целью получения солей алюминия. Оптимальный интервал температур спекания – 950–1000 °С, при этом достигается максимальное извлечение полезных компонентов из руды.
Способы переработки высококремнистых нефелиновых сиенитов спеканием остаются на стадии лабораторных исследований. Кроме того, недостатки, связанные с высокими температурами, требуют больших затрат электроэнергии. Таким образом, в свете изложенного выше необходим поиск способов переработки нефелинсодержащих пород с экономией энергии и материалов.
Цель исследования – разработка способа вскрытия нефелиновых сиенитов Сандыкского месторождения Кыргызстана методом спекания с использованием карбоната калия и последующего разложения спекшейся массы раствором азотной кислоты.
Результаты исследования и их обсуждение
Нефелиновые сиениты Сандыкского месторождения находятся в Жумгальском районе Нарынской области. Запас породы составляет 203,4 млн т [9]. В составе нефелиновых сиенитов имеются нефелин, полевой шпат, минералы группы хлорита, мусковита, сандинина и примесные минералы гиббсит, гетит и др. [10, 11].
Химический состав исследуемых нефелиновых сиенитов Сандыкского месторождения приведен в ранее опубликованной нами работе, в мас. %: SiO2 56; Al2O3 19,65; Fe2O3 2,53; TiO2 0,41; K2O 11,24; Na2O 2,17 [12].
Спекание нефелинового сиенита с карбонатом калия и выщелачивание спекшейся массы производили следующим образом: нефелиновый сиенит смешивали с карбонатом калия, полученная смесь подвергалась спеканию при заданной температуре и времени спекания в муфельной печи. Полученная спекшаяся масса после водной обработки выщелачивалась раствором азотной кислоты по методике, ранее опубликованной нами в [13]. В отфильтрованном растворе определяли содержание оксида алюминия и железа методом комплексонометрии [14].
Нами изучено влияние температуры спекания (700–900 °С) и продолжительности процесса спекания (30–150 мин) на степень извлечения Al2O3 и Fe2O3 из нефелиновых сиенитов. Выщелачивание образцов спеченной массы нефелиновых сиенитов проводили 30 %-ной азотной кислотой при температуре 100 °С, продолжительности перемешивании в течение 60 мин и при соотношении азотной кислоты и спекшейся массы 2,5:1.
На рис. 1 показана зависимость степени извлечения Al2O3 и Fe2O3 от температуры спекания нефелиновых сиенитов.
Рис. 1. Зависимость степени извлечения Al2O3 (1) и Fe2O3 (2) от температуры спекания
Видно, что если при температуре спекания 700 °С степень извлечения Al2O3 и Fe2O3 составляет 55,39 и 46,83 %, то при температуре 900 °С – 86,10 и 81,29 % соответственно. Следует отметить, что при температуре выше 850 °С происходит более значительное загрязнение азотнокислого раствора соединениями железа, что влечет за собой усложнение технологического процесса выделения глинозема.
Рис. 2. Зависимость степени извлечения Al2O3 (1), Fe2O3 (2) от времени спекания
Из рис. 2 следует, что в изученном интервале времени спекания (от 600 до 150 мин) содержание Al2O3 и Fe2O3 в растворе постепенно увеличивается и при 90 мин спекания достигает максимального значения. При этом степень извлечения Al2O3 и Fe2O3 составляет 84,92 и 78,31 % соответственно. Дальнейшее увеличение времени спекания практически не оказывает влияния на растворение алюминия и железа.
Интерес к выщелачиванию спека нефелиновых сиенитов азотной кислотой связан с тем, что, во-первых, соли азотной кислоты, образовавшиеся в процессе разложения сырья, легче перерабатываются, чем соли серной и соляной кислот. Во-вторых, в процессе переработки нефелинсодержащего сырья в присутствии азотной кислоты железо, находящееся в породе в двухвалентном состоянии, переходит в трехвалентное, что облегчает отделение железа от алюминия и получение глинозема лучшего качества. Выбор азотной кислоты для разложения спека нефелиновых сиенитов позволяет получать нитраты щелочных металлов, используемых в качестве азотного удобрения.
Проведены экспериментальные работы по выщелачиванию спекшейся массы нефелиновых сиенитов после водной обработки при различной концентрации азотной кислоты (от 20 до 50 %), при разной температуре выщелачивания (от 100 до 200 °С), времени перемешивания реакционной смеси (от 30 до 120 мин) и разном весовом соотношении азотной кислоты и спекшейся массы нефелиновых сиенитов (от 1:1 до 3,2:1).
Результаты исследования влияния концентрации азотной кислоты на степень извлечения оксидов алюминия и железа приведены на рис. 3.
Концентрация азотной кислоты влияет на извлечение Al2O3 и Fe2O3 из спекшейся массы нефелиновых сиенитов в раствор (рис. 3). Максимальное извлечение Al2O3 (82,62 %) и Fe2O3 (69,85 %) происходит при концентрации азотной кислоты в пределах 30–40 %. Дальнейшее повышение концентрации кислоты более 50 % приводит к резкому снижению степени извлечения Al2O3 и Fe2O3 из спекшейся массы. Ухудшение извлечения алюминия и железа из породы при высокой концентрации кислоты ранее мы связали с образованием малорастворимого соединения алюминия типа Al2O3·3N2O5·8H2O [15].
Рис. 3. Зависимость степени извлечения Al2O3 (1) и Fe2O3 (2) от концентрации азотной кислоты
Рис. 4. Зависимость степени извлечения Al2O3 и Fe2O3 от температуры (кривые 1, 2) и продолжительности выщелачивания спекшейся массы (кривые 3, 4).
Рис. 5. Зависимость степени извлечения Al2O3 (1) и Fe2O3 (2) от весового соотношения азотной кислоты и спекшейся массы
Изучение влияния температуры азотнокислого раствора на разложение спекшейся массы нефелиновых сиенитов с азотной кислотой (рис. 4 (1), (2)) показывает, что температура реакционной смеси незначительно влияет на извлечение соединений алюминия и железа. В исследуемом интервале температур (100–200 °С) максимальное разложение спека нефелиновых сиенитов в азотной кислоте наблюдается при температуре 160 °С, где степень извлечения Al2O3 и Fe2O3 достигает 86,27 и 72,74 % соответственно. Обращает на себя внимание тот факт, что повышение температуры выщелачивания спекшейся массы нефелиновых сиенитов выше 160 °С нецелесообразно из-за того, что в растворе увеличивается содержание соединений железа, приводящее к загрязнению азотнокислого раствора.
Выщелачивание нефелиновых сиенитов азотной кислотой с извлечением алюминия и железа в раствор (рис. 4 (3), (4)) становится заметным при продолжительности процесса 90 мин, при этом степень извлечения Al2O3 и Fe2O3 составляет 83,52 и 70,72 %.
Как видно из рис. 5, весовое соотношение НNO3:спек оказывает некоторое влияние на извлечение Al2O3 и Fe2O3 из спекшейся массы нефелинового сиенита: при весовом соотношении НNO3:спек 1,8:1 степень извлечения Al2O3 и Fe2O3 – 82,59 и 69,85 %, а при 2,5:1 степень извлечения Al2O3 и Fe2O3 – 88,16 и 71,52 % соответственно.
Заключение
На основании изложенного можно заключить, что оптимальные параметры спекания нефелиновых сиенитов Сандыкского месторождения с К2СО3: температура спекания 850 °С, продолжительность спекания – 1,5–2 ч. Оптимальные условия разложения спекшейся массы нефелиновых сиенитов азотной кислотой:
− концентрация азотной кислоты 30–40 %;
− температура выщелачивания 160 °С;
− время выщелачивания не меньше 60 мин;
− соотношение НNO3:спек равное 2,5:1.
Библиографическая ссылка
Шаршенбек кызы А., Кочкорова З.Б., Мурзубраимов Б.М. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАРБОНАТА КАЛИЯ ДЛЯ ВСКРЫТИЯ НЕФЕЛИНОВЫХ СИЕНИТОВ САНДЫКСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2022. – № 8. – С. 76-80;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13430 (дата обращения: 27.04.2024).