Результат интеллектуальной деятельности: Способ вскрытия эвдиалитового концентрата

Изобретение относится к металлургии редких металлов.

Эвдиалит является перспективным источником сырья для производства редкоземельных металлов (РЗМ) среднетяжелой и тяжелой групп.

Сложность вскрытия определяется высоким содержанием SiO₂ (40-60%) в его составе, что приводит при кислотном вскрытии к образованию геля кремниевой кислоты с высокой сорбционной поверхностью, на которой сорбируются ионы РЗМ и циркония и извлечение их в раствор не превышает 80%.

Пирометаллургические способы переработки эвдиалитового концентрата позволяют получать огнеупорные материалы с извлечением тугоплавких редких металлов (РМ), но при этом высокоценные РЗМ не извлекаются (А.с. №1333670 (СССР) Способ получения плавленых огнеупоров / Кононов М.Е., Кулаков А.Н., Пахомовский Я.О., Маслобоев В.А. // Бюл. 32 от 30.08.87 г.).

Известен гидрометаллургический способ получения жидкого стекла при взаимодействии эвдиалита с растворами щелочей (NaOH и КОН) в гидротермальных условиях (Говорухина О. А., Маслобоев В.А. Взаимодействие эвдиалита с растворами NaOH и КОН в гидротермальных условиях. - В кн.: Химико-маталлургическая переработка минерального и техногенного сырья Кольского полуострова, апатиты, изд. Кольского филиала АН СССР, 1988, с. 29-30). Цирконий при этом остается в твердой фазе, а извлечение кремния в раствор составило 45%.

Недостатком данного способа является: повышенные энергозатраты.

Известен также гидрометаллургический способ щелочной обработки эвдиалитового концентрата при температуре 150°С и давлении 5-7 атм в течение 6 часов с предварительным его измельчением до крупности менее 20 мкм, однако извлечение SiO₂ в раствор не превысило 33% (Мельник Н.А., Авсарагов Х.Б. Распределение радиоактивности при обогащении эвдиалитовых луярвитов и радиационная оценка технологической схемы / В сб. Химико-металлургическая переработка минерального и техногенного сырья Кольского полуострова. - Апатиты: Академия наук СССР, 1988. - С. 25-28.)

Предварительное тонкое измельчение оказалось неэффективным для глубокого изменения структуры эвдиалита и повышения его реакционной способности, что не позволило получить значительный результат.

Недостатком данного способа является: сложность оборудования, его высокая стоимость и повышенные энергозатраты.

Последний гидрометаллургический способ щелочной обработки эвдиалитового концентрата с применением предварительного измельчения до крупности менее 20 мкм - принят нами за прототип.

Технический результат изобретения является снижение энергозатрат (за счет снижения температуры щелочной обработки) и комплексная переработка сырья с отделением основной части кремния от ценных компонентов (РЗМ и РМ).

Технический результат достигается тем, что в способе переработки эвдиалитового концентрата, включающем предварительную механоактивацию и последующую гидрометаллургическую обработку, с целью увеличения реакционной способности обрабатываемого материала, предварительную обработку проводят до суммарного количества усвоенной эвдиалитом энергии в виде поверхности областей когерентного рассеяния и микродеформаций - ΔE_S+ΔE_ε не менее 800 кДж/моль, а последующую гидрометаллургическую обработку проводят в две стадии. При этом на первой стадии щелочную обработку 40%-ным раствором NaOH при температуре 120°С, соотношении Ж:Т не более 10:1 и продолжительности не менее 8 часов. Получаемый после щелочной обработки осадок на второй стадии подвергают кислотной обработке C_CHI=30-36% при температуре 90°С, Ж:Т=10:1, в течение 1 часа.

Оценка количества усвоенной при механоактивации энергии позволяет не только оценить, но и контролировать реакционную способность целевой фазы активированного материала не по степени или скорости его реагирования, то есть на конечном этапе переработки, а по степени его структурных изменений сразу после извлечения из механического активатора.

Оценка степени механического воздействия на кристаллическую решетку эвдиалита проводилась по количеству запасенной энергии с помощью методики изложенной в работе Е.В. Богатыревой, А.Г. Ермилова «Оценка доли энергии, запасенной при механической активации минерального сырья» Неорганические материалы, 2008, том 44, с. 242-247:

где ΔE_d - количество энергии, запасенной в виде изменения межплоскостных расстояний кристаллической решетки соединения:

К - коэффициент относительного изменения объема элементарной ячейки соединения (по модулю);

E_latt - энергия кристаллической решетки соединения.

ΔE_s - количество энергии, запасенной в виде поверхности областей когерентного рассеяния (ОКР):

E_surƒ - поверхностная энергия соединения до активации;

V_mol - мольный объем соединения;

D_i, D₀ - размеры областей когерентного рассеяния соединения после механической активации и до нее, соответственно.

ΔЕ_ε - количество энергии, запасенной в виде микродеформаций:

E_Y - модуль Юнга соединения;

ε₁, ε₀ - среднеквадратичная микродеформация соединения после механической активации и до нее, соответственно

Предварительную обработку эвдиалитового концентрата проводят до суммарного количества усвоенной эвдиалитом энергии в виде поверхности областей когерентного рассеяния и микродеформаций - ΔE_S+ΔЕ_ε, не менее 800 кДж/моль.

Предварительная механоактивация обеспечивает повышенную реакционную способность концентрата и извлечение кремния в раствор не менее 60% на первой стадии гидрометаллургической обработки - щелочной (NaOH) обработке.

Условия щелочной обработки: C_NaOH=40%; температура 120°С, Ж:Т не более 10:1 и продолжительность обработки не менее 8 часов обеспечивают увеличение скорости фильтрации пульпы с 0,07-0,14 до 0,7-4,5 дм³/(м² мин), то есть на 1-2 порядка.

Вторая стадия гидрометаллургической обработки - обработка осадка первой стадии соляной кислотой C_HCI=30-36% при температуре 90°С, Ж:Т=10:1, продолжительности 1 час обеспечивает извлечение РЗМ и циркония в раствор от 90 до 94%.

Механоактивации подвергали эвдиалитовый концентрат крупностью 73,6% фракции менее 250 мкм, содержащего, %: 49,9 SiO₂; 9,81 ZrO₂; 1,99 TiO₂; 1,96 MnO; 1,837 РЗМ₂О₃; 0,626 Nb₂O₅.

Активацию проводили в центробежной планетарной мельнице марки ЛАИР-0.015 при ускорении 25 и 35 g.

М_ш:М_к - соотношение массы мелющих тел и массы загруженного концентрата.

τ_МА - продолжительность механоактивации.

Ж:Т - соотношение жидкой и твердой составляющих в пульпе при гидрометаллургической обработке.

τ_Щ/О - продолжительность щелочной обработки.

τ_К/О - продолжительность кислотной обработки.

Примеры практической реализации представлены в таблице 1 - щелочная (NaOH) гидрометаллургическая обработка эвдиалитового концентрата и в таблице 2 - двухстадийная гидрометаллургическая обработка эвдиалитового концентрата.

Представленные данные показывают, что суммарное количество усвоенной эвдиалитом энергии в виде областей когерентного рассеяния и микродеформаций коррелируется с извлечением кремния в раствор при щелочной гидрометаллургической обработке эвдиалитового концентрата и извлечением РЗМ в раствор при двухстадийной гидрометаллургической обработке концентрата. Данные по условиям механоактивации приведены поскольку это единственные реперы на сегодняшний день, используемые большинством исследователей.