Введение к работе
Актуальность работы. В борьбе за достижение высоких технико-экономических показателей все более жесткие требования предъявляются к качеству исходных материалов. Для электрометаллургии алюминия первостепенное значение имеет характеристика перерабатываемого глинозема. В то же самое время наметилась тенденция ухудшения качества глиноземсодержащего сырья. В частности, увеличилось содержание органической составляющей в руде.
Органические вещества от цикла к циклу накапливаются в растворах при производстве глинозема по технологии Байера, вследствие чего снижается степень разложения алюминатного раствора при декомпозиции, ухудшается отстаивание красного шлама и фильтрация гидроксида алюминия, гидрометаллургическое оборудование интенсивно зарастает осадками, повышается пенообразование в растворах. В особенно серьезных случаях накопление органических примесей может привести к полной остановке производства.
Над проблемой органических веществ в алюминатных растворах работали отечественные и зарубежные ученые: М.И. Смирнов, Ф.И. Цымбал, С.И Кузнецов, А.А. Майер, Н.С. Мальц, И.В. Давыдов, Ю.И. Шмигидин, Морис Л. Роберсон, Бернард Шеперс, Койчи Ямада, Пол Дж. Зэ, Вильям А. Нигро, Чанакай Мисра, Фред С. Вильямс, Стивен П. Розенберг.
К настоящему времени предложено множество способов очистки алюминатных растворов от органических веществ, начиная с обжига бокситов и заканчивая фильтрацией на нанофильтрах. Однако большинство из известных мероприятий целесообразно применять только на конкретных предприятиях при определенных условиях или в критических ситуациях. Таким образом, до сих пор не было разработано универсального способа очистки, который позволял бы стабилизировать содержание органических примесей на безопасном для технологии значении (менее 12 г/л Сорг) в долгосрочной перспективе при небольших экономических затратах.
Работа выполнена в рамках программ развития научного потенциала ВШ по проекту 2.1.2.5161 «Развитие фундаментальных основ синтеза метастабильных соединений в области технически значимых систем алюминиевой промышленности 2009-2011 гг.», ГК № 16.525.11.5004 «Разработка технологии комплексной переработки крупномасштабных отходов производства минеральных удобрений с получением товарных продуктов многофункционального назначения», а также № 14.740.11.0146 «Синтез лигатур, сплавов, оксидных и металлических композиций цветных металлов, обладающих объемной или поверхностной упорядоченностью структуры на микро- и наноразмерном уровне».
Цель работы: научное обоснование и разработка технологических решений, обеспечивающих эффективную очистку алюминатных растворов от органических примесей синтезированными активными сорбентами гидрокарбоалюминатного ряда щелочноземельных металлов для повышения эффективности производства глинозема в схеме Байера.
Идея работы: Применение активных сорбентов нового поколения – гидрокарбоалюминатов щелочноземельных металлов – для очистки алюминатных растворов глиноземного производства технологии Байера от органических примесей позволит улучшить качество продукционного глинозема и повысить эффективность производства в целом.
Основные задачи работы:
1. Анализ существующих технологий очистки алюминатных растворов глиноземного производства схемы Байера от органических примесей с целью определения путей развития процесса.
2. Разработка способа синтеза активных сорбентов органических соединений из минерального сырья и отходов производств в условиях, максимально удовлетворяющих параметрам глиноземного производства.
3. Разработка методики экспериментальных исследований поведения органических веществ в алюминатных растворах в процессе сорбции. Определение механизма очистки алюминатного раствора от органических примесей синтезированными сорбентами. Экспериментальное исследование влияния основных технологических параметров на кинетику и эффективность процесса. Выбор оптимальных условий ведения процесса.
4. Разработка технологии очистки оборотных алюминатных растворов, адаптированной к существующей схеме переработки бокситов способом Байера.
Методы исследования. При изучении химизма и механизма реакций, идентификации новых синтезированных фаз широко использовались рентгеноструктурный, термогравиметрический, электронно-микроскопический, фотометрический и химический методы анализа.
Условия синтеза активных сорбентов и процесса очистки алюминатных растворов от органических соединений были исследованы методами многофакторного эксперимента и математического моделирования. Достоверность полученных данных доказана сходимостью теоретических и экспериментальных результатов. Полученные в работе экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики в соответствии с нормативными документами.
Научная новизна:
- выявлена роль гидрокарбоалюминатов магния при очистке алюминатных растворов от органических примесей простыми соединениями магния, что позволяет достигать высоких показателей очистки при повышении температуры до 80 оС;
- определено значение степени активации магниевого сырья и температуры синтеза гидрокарбоалюминатов магния в кинетике процесса; показано, что при температурной обработке Mg(OH)2/MgCO3 в течение двух часов при 500 оС и дальнейшего синтеза при температуре 80 оС формирование гидрокарбоалюмината магния завершается через 5-15 минут;
- определены условия совместной кристаллизации гидрокарбоалюминатов кальция и магния, осуществляемой по схемам MgOГКАМ и СаСО3ГКАК, где в качестве источника СаСО3 могут выступать продукты переработки крупномасштабных отходов производств, в частности, фосфомел;
- определен механизм очистки алюминатных растворов гидрокарбоалюминатами щелочноземельных металлов; установлено, что определяющее значение для достижения высоких показателей очистки имеет природа сорбента, которая может быть выражена через площадь удельной поверхности;
- выявлены зависимости степени очистки алюминатных растворов гидрокарбоалюмнатами щелочноземельных металлов от площади удельной поверхности, концентрации сорбента, температуры и времени взаимодействия.
Практическая значимость работы:
-выявлен новый источник сырья для синтеза активных сорбентов органических соединений - фосфомел, получаемый при конверсионной переработке фосфогипса, что обеспечивает получение гидрокарбоалюмината кальция высокой активности;
- предложено технологическое решение, обеспечивающее глубокую очистку алюминатных растворов от органических примесей с установлением содержания органического углерода в оборотном растворе на уровне менее 12 г/л Сорг, что позволит увеличить степень декомпозиции с 47% до 50%;
- научные и практические результаты работы вошли в учебные курсы по дисциплинам «Основы металлургии лёгких металлов», «Организация экспериментальных исследований» для подготовки студентов по специальности 110200 «Металлургия цветных металлов», магистров по направлению 550500 «Металлургия».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается:
- использованием передового производственного опыта и анализом предыдущих результатов научных исследований;
- использованием отраслевых методик при проведении лабораторных исследований, современных физико-химических методов анализа, современных математических методов обработки экспериментальных данных с удовлетворительной сходимостью результатов (расхождение не превышает 5% при доверительной вероятности 0,95).
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на международной научно-практической конференции European science and technology (Висбаден, 2012); на XVI Международном симпозиуме им. ак. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2012); на VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2012); на ежегодной конференции молодых ученых СПГГУ (Санкт-Петербург, 2012); на международной научной конференции на базе Фрайбергской горной академии (Фрайберг, 2012); на международном конгрессе «Цветные металлы Сибири» (Красноярск, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ.
Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика исследований, организованы и проведены экспериментальные исследования по синтезу гидрокарбоалюминатов щелочноземельных металлов и сорбционной очистке производственных алюминатных растворов от органических примесей активными сорбентами, обработаны и обобщены полученные результаты.
Реализация результатов работы:
Разработанные технологии синтеза гидрокарбоалюминатов щелочноземельных металлов и очистки оборотных алюминатных растворов от органических примесей синтезированными активными сорбентами намечены к внедрению на Николаевском глиноземном заводе (НГЗ), Уральском и Богословском алюминиевых заводах объединенной компании РУСАЛ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 103 наименований. Общий объем диссертации составляет 179 страниц машинописного текста, содержит 36 таблиц, 50 рисунков.
