Результат интеллектуальной деятельности: Способ извлечения оксида алюминия из отходов глиноземного производства

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено в технологии переработки отвальных красных шламов глиноземного производства.

Известен способ извлечения оксида алюминия из отвального красного шлама, в котором в красный шлам, полученный по способу Байера, добавляют известь и оборотный щелочной раствор для проведения мокрой переработки красного шлама, в частности автоклавным способом. В результате мокрой переработки получают суспензию, которую разделяют для получения раствора после переработки красного шлама и отработанного красного шлама, отработанный красный шлам далее промывают для получения раствора после промывки отработанного красного шлама и исчерпывающе отработанного красного шлама (патент RU 2478574, МПК C01F 7/06, 2013 год).

К недостаткам способа относятся несколько дополнительных операций по промывке и разделению растворов и осадков, как следствие значительное увеличение материальных потоков, увеличение объема промывных вод, относительно невысокие показатели выщелачивания, т.к. остаточное содержание оксида алюминия в отработанном шламе составляет не менее 12%. Кроме того, необходимость проведения предварительно перед автоклавной обработкой пульпы операции нагрева-удержания пульпы увеличивает время термообработки и усложняет процесс.

Известен способ гидрохимической переработки алюмосиликатного сырья, включающий приготовление суспензии сырья в высокомодульном алюминатном растворе и автоклавное выщелачивание красного шлама ветви Байера в присутствии известьсодержащей добавки (патент RU 2193525, МПК C01F 7/06, 2002 год)
К недостаткам способа относятся значительные потери целевого продукта с отработанным красным шламом, поскольку расчетное содержание оксида алюминия в переработанном шламе составляет 7,7 масс%. Кроме того, для проведения процесса необходимы дополнительные технологические операции и оборудование для приготовления известьсодержащей добавки(известково-клинкерной суспензии) путем смешения товарной извести, взятой в количестве 43% от массы шлама, железистого клинкера, содержащего феррит натрия Na₂Fe₂O₄ и оборотного раствора. Железистый клинкер получают отдельно путем высокотемпературной каустификацией карбоната натрия в присутствии Fe₂O₃-содержащего материала (железной окалины) и высокомодульного раствора во вращающейся печи при температуре 1000°С. Еще одним недостатком является большой расход товарной извести, которую получают отдельно в печах при температуре 900°С.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ гидрохимической переработки красного шлама, включающий автоклавное выщелачивание красного шлама при повышенной температуре и давлении выше атмосферного в присутствии гидроксида кальция в щелочном растворе, отличающийся тем, что в исходный красный шлам вводят гидроксид кальция в количестве 2,5-5,0% от массы исходного шлама и 40%-ный раствор NaOH до получения соотношения фаз жидкое : твердое = 1,5÷2,8:1; при этом автоклавное выщелачивание проводят при температуре 230-260°C и давлении 21-26 МПа (патент RU 2561417, МПК C01F 7/06, 2015 год) (прототип).

К недостаткам способа относятся потери целевого продукта с исчерпывающе отработанным красным шламом, поскольку остаточное содержание оксида алюминия в нем составляет до 5%, при этом степень выщелачивания не превышает 70%.

Таким образом, перед авторами была поставлена задача разработать способ извлечения оксида алюминия из отходов глиноземного производства, в частности из красного шлама, который бы обеспечивал более высокую степень извлечения оксида алюминия, и тем самым, увеличивал степень использование сырья.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе извлечения оксида алюминия из отходов глиноземного производства, включающем автоклавное выщелачивание исходного продукта при повышенных температуре и давлении в присутствии извести в щелочном растворе с последующим охлаждением пульпы после выщелачивания, добавлением воды, перемешиванием и фильтрованием, в котором используют известь, отожженную при температуре 1200-1400°C, взятую в количестве, необходимом для получения соотношения CaO/SiO₂=1,5÷2,0; при этом выщелачивание осуществляют при соотношении жидкое : твердое = 4,5 ÷ 4,8 : 1 при давлении 37÷40 МПа, а после охлаждения пульпы добавляют дистиллированную воду при температуре 90-100^оС до получения соотношения жидкое ; твердое = 9,8 ÷ 10,0:1.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ извлечения оксида алюминия из отходов глиноземного производства, в частности красного шлама путем автоклавного выщелачивания в заявленных пределах технологических параметров с использованием в процессе извести, полученной в указанном температурном интервале. В предлагаемом техническом решении используют известь, которая получена при температурах 1200-1400°C, тогда как в известных в настоящее время способах получения технологической извести для глиноземного производства используют температуры 900-1000°C.

Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что в случае проведения автоклавного выщелачивания вводимая известь интенсифицирует процессы разложения труднорастворимых алюминийсодержащих фаз (алюмогетита, алюмосиликата, алюмоферросиликата), входящих в состав исходного сырья. Известь, полученная при температурах 1200-1400°C, является более химически активной в процессе автоклавного выщелачивания, оказывает более глубокое влияние на процесс и позволяет извлечь в раствор почти весь алюминий из исходного сырья. В результате фазовый состав отработанного шлама представляет собой смесь гематита, гидросиликата кальция и небольшого количества гидроалюмосиликата кальция. Остаточное содержание оксида алюминия в отработанном шламе присутствует в составе кальциевых алюмосиликатов. Переизбыток оксида кальция связывается в нерастворимый гидросиликат кальция, тем самым выводя в твердую фазу оксид кремния, не позволяя образовываться гидроалюмосиликатам кальция, что и обусловливает малое содержание алюминия в отработанном продукте. Количество извести, используемой в процессе выщелачивания, а также используемое давление имеют существенное значение. Так, при введении извести при соотношении менее CaO\SiO₂=1,5 и уменьшении давления менее 37 МПа извлечение оксида алюминия уменьшается. При добавлении извести, увеличивающем соотношение CaO\SiO₂ более чем 2,0, и увеличении давления более 40 МПа нецелесообразно, поскольку степень извлечения не увеличивается.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Осуществляют автоклавное выщелачивание глиноземсодержащего сырья, в частности отвального красного шлама, в автоклавной установке с одновременным добавлением извести, полученной при температуре 1200-1400°С, для получения соотношения CaO/SiO₂=1,5÷2,0 и 40%-ного раствора NaOH для получения соотношения жидкое: твердое = 4,5 ÷ 4,8 : 1 при температуре 240-250°С и давлении 37-40 МПа в течение 2,5 часов. Затем отключают нагрев, охлаждают автоклав до температуры 70-100С и открывают. После чего добавляют в автоклав дистиллированной воды при температуре 90-100°С до получения соотношения жидкое ; твердое = 9,8 ÷ 10,0:1, перемешивают и фильтруют. Алюминатный раствор помещают в отдельную емкость, а шлам тщательно промывают горячей водой и сушат. Проводят химический анализ алюминатного раствора и шлама с целью определения содержания алюминия и железа. Определяют извлечение по формуле: В_хим= 1- (А_шл*Fe_б/ А_б *Fe_шл)*100, где А_б и F_б - содержание Al₂O₃ и Fe₂O₃ в боксите, % и А_шл и F_шл - содержание Al₂O₃ и Fe₂O₃ в шламе, %.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 10 г отвального красного шлама состава, масс.%: Al₂O₃ – 14,4; SiO₂ – 5,3; Fe₂O₃ – 48,96; TiO₂ – 0,67; CaO – 12,88, Na₂O – 0,94. Добавляют 0,78 г. извести, полученной при Т= 1200°C состава, масс.%: 90,54 − СаО; 0,36 − SiO₂; 1,9 − Al₂O₃; 0,7 − Fe₂O₃; 1,5 – MgO, п.п.п −5,0, которое обеспечивает соотношение CaO\SiO₂=1,5. Полученную смесь помещают в автоклав и добавляют 50 мл 40% щелочного раствора до получения соотношения Ж:Т=4,5:1 после чего тщательно перемешивают. Автоклав закрывают, устанавливают в термостат, включают нагрев до 250^оС и выдерживают 2,5 часа пи давлении 37 МПа. После чего выключают термостат, охлаждают, открывают и добавляют 50 мл дистиллированной воды при температуре 90^оС до получения соотношения Ж:Т=9,8:1. После чего перемешивают и автоклав охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт фильтруют на вакуумной установке. При этом нижний продукт (алюминатный раствор) отбирают в отдельную емкость, а верхний продукт (отработанный шлам) тщательно промывают горячей водой и сушат. По данным химического анализа получают промытый отработанный красный шлам, который содержит (масс%): 2,8 Al₂O₃ и степень извлечения по шламу составила 85%.

Пример 2. Берут 10 г отвального шлама состава, масс.%: Al₂O₃ – 14,4; SiO₂ – 5,3; Fe₂O₃ – 48,96; TiO₂ – 0,67; CaO – 12,88, Na₂O – 0,94. Добавляют 1,0 г. извести, полученной при Т=1400°C состава, масс%: 90,54 − СаО; 0,36 − SiO₂; 1,9 − Al₂O₃; 0,7 − Fe₂O₃; 1,5 – MgO, п.п.п −5,0, которое обеспечивает соотношение CaO\SiO₂=2,0. Полученную смесь помещают в автоклав и добавляют 50 мл 40% щелочного раствора до получения соотношения Ж:Т=4,8:1, после чего тщательно перемешивают. Автоклав закрывают, устанавливают в термостат, включают нагрев до 240°С и выдерживают 2,5 часа при давлении 40 МПА. После чего выключают термостат, охлаждают, открывают и добавляют 50 мл дистиллированной воды при температуре 100^оС до получения соотношения Ж:Т=9,8:1(10). После чего автоклав охлаждают до комнатной температуры и полученный продукт фильтруют на вакуумной установке. При этом нижний продукт (алюминатный раствор) отбирают в отдельную емкость, а верхний продукт (отработанный шлам) тщательно промывают горячей водой и сушат. По данным химического анализа получают промытый отработанный красный шлам, который содержит (масс%): 2,0 Al₂O₃ и степень извлечения по шламу составила 90%.

Таким образом, авторами предлагается способ, обеспечивающий извлечение оксида алюминия в раствор из отходов глиноземного производства, в частности из красного шлама в процессе Байера, равное 85-90%.