Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ КВАРЦЕВОЙ КРУПКИ

Предлагаемое изобретение относится к обогащению и очистке кварцевого сырья и может быть использовано для получения особо чистого кварцевого продукта с содержанием примесей не более 1×10^-4 мас.%.

Известны различные технологии обогащения и очистки кварцевого сырья, в зависимости от его физико-механических особенностей и требований, предъявляемых к обогащенному продукту.

Известен способ подготовки кварцевого сырья, включающий измельчение кусков кварца до величины зерен 0,2-0,6 мм, обработку полученной крупки в травильном растворе при температуре кипения, промывку водой и сушку, в котором перед измельчением куски кварца обрабатывают в травильном растворе при температуре кипения в течение 1-4 ч, а обработку полученной крупки ведут в течение 30-40 мин, причем в качестве травильного раствора используют кислую соль фтористого аммония (а.с. СССР №1013418, С03В 1/00, 1983 г., [1]). Основные недостатки известного решения: значительный расход энергии и реагентов, длительное время обработки.

Известен способ обработки кварцсодержащего сырья, включающий дробление, измельчение, электромагнитную сепарацию, оттирку, флотацию и термообработку конечного продукта, в котором, кварцсодержащее сырье крупностью - 60+10 мм подвергают декрипитации при нагреве до температуры 850-950°С с последующим быстрым охлаждением в жидкой среде с температурой 6-20°С, затем направляют на дробление и измельчение до крупности -0,5+0,1 мм и подвергают электромагнитной сепарации, далее из немагнитной части продукта сепарации и активированной воды с рН 4,0-5,5 готовят пульпу с Ж:Т=1,8-3:1, пульпу подвергают оттирке в среде с рН 4,0-5,5 в две стадии, между которыми проводят флотацию, при этом мощность энергетического воздействия на второй стадии оттирки поддерживают в два раза ниже, чем на первой, а температуры на обеих стадиях поддерживают соответствующей максимальной плотности пульпы для усиления воздействующих факторов процесса оттирки, после оттирки пульпу промывают водой при Ж:Т=10:1, обезвоживают и подвергают прокалке при температуре более 800°С. В качестве жидкой среды при быстром охлаждении сырья может быть использована вода (патент РФ №2182113, С01В 33/12, 2002 г., [2]).

Данная технология достаточно проста, экологически чиста, но, вместе с тем, необходимая степень чистоты продукта достигается только при использовании природного кварцевого сырья высокого качества, что ограничивает технологические возможности способа. Не обеспечивается в полной мере вскрытие отдельных зерен кварца, как за счет недостаточно высокой степени измельчения материала, так и за счет недостаточно высокой эффективности процесса флотации, что снижает качество получаемого продукта.

Известен способ обогащения кварцевого сырья, включающий предварительное дробление исходного сырья, декрипитацию с последующим термодроблением в жидкой среде, окончательное механическое дробление с последующим измельчением, магнитную сепарацию, флотацию, ультразвуковую обработку камерного продукта флотации и его прокалку с получением конечного продукта, в котором камерный продукт флотации после ультразвуковой обработки, фильтрации и сушки подвергают прокалке при температуре 550-700°С с последующей обработкой смесью соляной и плавиковой кислот при температуре не выше 20°С, при этом флотацию осуществляют в пульпе с рН 3,0-4,0. Приготовление пульпы к флотации может быть осуществлено с использованием минеральной кислоты, например серной, ультразвуковая обработка камерного продукта флотации может осуществляться при рН 3,0-4,0, а измельчение сырья может осуществляться до крупности не более 0,4 мм (патент РФ №2353578, С01В 33/12, 2009 г., [3]).

По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Использование известного решения позволяет получать товарный продукт в виде концентрата высокой степени чистоты при обогащении различных видов кварцевого сырья.

Существенным недостатком известной технологии является наличие флотационного передела, что значительно усложняет аппаратурно-технологическую схему, поддержание параметров флотации в заданных пределах требует наличия контрольно-измерительной аппаратуры, дозирующих устройств, расхода реагентов, что снижает экономическую эффективность процесса.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей процесса получения микрочастиц кварца высокой чистоты.

Техническими результатами являются: оптимизация аппаратурно-технологической схемы обработки кварцевого сырья, повышение эффективности обработки.

Технические результаты достигаются тем, что в способе обработки кварцсодержащего сырья, включающем дробление исходного сырья, декрипитацию с последующим дроблением и измельчением материала, магнитную сепарацию, сушку немагнитной фракции, химическую обработку и промывку, отличающийся тем, что химическую обработку проводят сначала щелочным раствором с концентрацией 40-200 г/л при температуре 80-105°С в течение не менее двух часов с последующей промывкой водой и ультразвуковой оттиркой, а затем осадок обрабатывают неорганической кислотой или смесью неорганических кислот в 2-3 стадии с промежуточной промывкой и ультразвуковой оттиркой с последующей промывкой водой и сушкой.

Кроме того, для щелочной обработки может быть использован раствор каустической щелочи, для кислотной обработки может быть использован 10-15% раствор соляной кислоты или смесь неорганических кислот, а разделение твердой и жидкой фаз после промывки и ультразвуковой оттирки может быть осуществлено методом декантации до содержания влаги в осадке 18-25%.

Сравнительный анализ предлагаемого способа с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.

Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:

- обработка кварцевого сырья;

- дробление исходного сырья;

- декрипитация;

- последующее дробление и измельчение материала;

- магнитная сепарация;

- сушка немагнитной фракции;

- химическая обработка

- промывка.

Предлагаемое решение также характеризуется признаками, отличительными от признаков ближайшего аналога:

- химическую обработку проводят сначала щелочным раствором

- - с концентрацией 40-200 г/л

- - - при температуре 80-105°С

- - - - в течение не менее двух часов;

- с последующей промывкой водой и ультразвуковой оттиркой;

- затем осадок обрабатывают неорганической кислотой или смесью неорганических кислот

- - в 2-3 стадии

- - с промежуточной промывкой и ультразвуковой оттиркой;

- с последующей промывкой водой и сушкой.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа условию патентоспособности изобретения «новизна».

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

С целью получения особо чистого кварцевого продукта сырье подвергают многостадийной обработке.

На первом этапе сырье с содержанием примесей алюминия, натрия, железа, кальция, титана и микропримесей в сумме не более 1,0-2,0% обрабатывают известными методами, включающими дробление исходного сырья, дикриптизацию с последующим дроблением и измельчением материала, магнитную сепарацию, промывку, окончательную термическую обработку и промывку. В результате получают концентрат с содержанием примесей не более 0,2-0,5 масс.%.

Дальнейшая обработка осуществляется предлагаемым способом.

Концентрат обрабатывается щелочным раствором с концентрацией 40-200 г/л при температуре 80-105°С в течение не менее двух часов с последующей промывкой дистиллированной или деионизированной водой и ультразвуковой оттиркой.

При щелочной обработке примеси, находящиеся в пространстве между кристаллами и на гранях кристаллов кварца, частично или полностью растворяются. Кроме того, при взаимодействии щелочей с кварцем образуется некоторое количество силиката натрия, который также обладает свойствами поглощать примеси железа, алюминия, кальция и титана. Однако концентрат обогащается соединениями натрия, которые с трудом отмываются водой. Поэтому проводится многократная обработка растворами кислот с промежуточной промывкой и ультразвуковой оттиркой. Одновременно с отмывкой соединений натрия осуществляется дополнительная очистка от примесей.

В смеси соляной и фтористоводородной кислот растворяются практически все примеси.

В соляной кислоте (10-15%) растворяются Са, Mg, Fe, частично Al.

В кремнефтористоводородной кислоте (H₂SiFe) растворяются Са, Mg, К, Na, кроме Al.

В результате многократной обработки щелочью, водой, ультразвуковой оттирки, обработки кислотами удается достичь практически полного удаления всех примесей.

Таким образом, предлагаемая технология обработки кварцевого сырья, обеспечивает эффективную производительную переработку кварцевого сырья в высококачественный продукт не только с более низкими затратами, но и с повышением потребительских свойств продукта.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области показывает следующее.

Известен способ обогащения жильного кварца, включающий механическое дробление, промывку водой, нагрев до 1000-1100°С, охлаждение, измельчение, рассев на рабочую фракцию, магнитную сепарацию, флотацию, химическую обработку, промывку, фильтрацию и сушку, в котором перед нагревом до 1000-1100°С кварц подвергают термообработке при 200-250°С и химической обработке в 20-25%-ной соляной кислотой в течение 1,5-2 ч с последующей промывкой водой до нейтральной реакции (патент РФ №20117690, С03В 1/00, 1994 г., [4]).

Известен способ получения кварцевой крупки, включающий подготовку кварцевого сырья путем отбора кусков и кристаллов без выраженных поверхностных или внутренних включений и удаления с них промывкой загрязнений, механическое дробление с выделением фракции требуемого размера, термодробление путем нагрева до 1000-1100°С с последующим охлаждением водой, механическое измельчение с выделением фракции 0,1-0,28 мм, магнитную сепарацию, химическую обработку, промывку водой до нейтральной реакции промывочной воды, фильтрацию и сушку, в котором в качестве кварцевого сырья используют отходы и брак производства искусственного кристаллического кварца из жильного кварца гидротермальным методом, химическую обработку осуществляют в смеси кислот 25-30% HCl и 9-11% HF в течение 40-45 мин, а после сушки осуществляют операцию высокотемпературного хлорирования при температуре 1000-1200°С в течение 25-30 мин (патент РФ №2337072, С03С 1/02, 2008 г., [5]).

Не выявлено в процессе поиска и сравнительного анализа технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ обработки кварцевого сырья реализуется следующим образом.

Пример 1. 100 г исходной кварцевой руды с содержанием 0,7% примесей железа, алюминия, натрия, кальция, титана и микропримесей обработали методами: продробили до крупности -4 мм, термообработали при 600°С, осуществили термоудар погружением горячего материала в воду с температурой 15,0°С, дополнительно продробили и измельчили до крупности -0,4 мм, после чего провели магнитную сепарацию при напряженности магнитного поля 1100 кА/м, немагнитную фракцию промыли и повторно термообработали при 700°С с последующей отмывкой водой. В результате получено 77,2 г обогащенного концентрата, содержащего, 1×10^-4%: Fe - 42,0; Al - 35,0; Na - 48,0; Ti - 15,0; Ca - 25,0; прочие примеси 72,0.

Концентрат в количестве 77,2 г обработали раствором NaOH концентрацией 70 г/л при температуре 90,0°С в течение 3 часов при Ж:Т=10:1, Полученный осадок промыли дистиллированной водой и провели двухстадийную ультразвуковую оттирку при Ж:Т=5:1, при этом разделение жидкой и твердой фазы во всех случаях проводили декантацией.

Отмытый осадок кварцевого сырья обработали смесью кислот 10% HCl и 10% HF в соотношении 1:1 при отношении Ж:Т=10:1 и температуре 80,0°С. Осадок промыли дистиллированной водой и провели ультразвуковую оттирку при Ж:Т=5:1.

Операцию обработки смесью кислот и ультразвуковой оттирки повторили 3 раза. После дополнительной промывки дистиллированной водой, декантации и сушки осадка получили 61,5 г сухого осадка с содержанием примесей, 1×10^-4%: Fe - 0,04; Al - 0,06; Na - 0,03; Ca - 0,09; Ti - 0,04; прочие 0,15.

Данные по обработке кварцевого сырья приведены в табл.1. Экспериментальные данные подтверждают эффективность предлагаемого способа.

Предлагаемое техническое решение позволяет оптимизировать аппаратурно-технологическую схему, повысить эффективность химической стадии очистки материала, за счет подачи подготовленного на предыдущих стадиях материала - отделение из потока кварцевого материала «некондиционной» части, содержащей примеси.