Введение к работе
Актуальность темы.
Основным компонентом Кольского апатитового концентрата является фторапатит кальция Са5(Р04)зР, в нем содержатся РЗЭ (примерно 1% Ln203) и стронций (3% SrO). В связи с этим он представляет собой уникальное сырье для получения фосфорных удобрений, пищевых и кормовых фосфатов, соединений РЗЭ, стронция и фтора. На 1млн. т. апатита запасы РЗЭ составляют 10 тыс. т., SrO - 27 тыс. т., фтор - 30 тыс. т. До 1990 года перерабатывалось ~ 10 млн. т. апатита в год.
В настоящее время основное количество апатита (80%) перерабатывается по сернокислотной схеме, в которой часть фтора выделяется в виде газа, отравляя атмосферу, основная же часть фтора переходит в удобрения и фосфохипс, весь стронций и 50-70% РЗЭ остаются в фосфогипсе, остальное количество РЗЭ содержится в удобрениях. При современных масштабах переработки апатита теряются ценнейшие металлы и происходит загрязнение окружающей среды фтором.
Проблема полного вскрытия апатита и утилизации ценных компонентов до сих пор является актуальной задачей несмотря на то, что ей занимаются на протяжении многих лет. Так как в основном апатит перерабатывают по сернокислотной, либо азотнокислотнои схемам, то
процессы вскрытия концентрата исследовали в плане растворения апатита и этому были посвящены все исследования, в том числе и кинетического характера.
С целью повышения комплексности использования сырья, получения экологически чистых фосфорных удобрений и достижения минимального уровня загрязнения окружающей среды, необходимо создание такой технологической схемы переработки апатита, которая позволила бы полностью извлекать все ценные элементы (РЗЭ, стронций) и утилизировать фтор. Важнейшим уэпом схемы комплексной переработки апатита является узел удаления фтора (обесфторивание). В настоящее время полное обесфторивание апатита достигается при высоких температурах (>1000С), поэтому необходима разработка новых методов, позволяющих получать обесфторенные продукты при более низких температурах без полного растворения апатита. Оптимизация процесса удаления фтора невозможна без знания кинетики и механизма взаимодействия апатита с фосфорной кислотой в условиях недостатка кислоты, т.е. наличия твердой фазы.
Настоящая работа выполнена в рамках проектов №912111 "Комплекс" и №4006 "Иттрий" государственной программы по ВТСП и государственной научно-технической программы "Редкие металлы".
Цель работы состоит в изучении кинетики и механизма взаимодействия апатита с фосфорной кислотой, выявлении
. 4
оптимальных условий полного обесфторивания апатита и образования растворимых монофосфатов кальция.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- получить экспериментальные кинетические данные о
взаимодействии апатита с фосфорной кислотой при различных
температурах и концентрациях кислоты;
описать кинетику процесса с помощью различных моделей;
определить фазовый состав продуктов реакции в зависимости от условий проведения процесса (температура, концентрация кислоты, соотношение СаО:Р205, продолжительность взаимодействия);
- изучить превращения образующихся в результате
взаимодействия апатита с фосфорной кислотой продуктов реакции в
воде и растворах фосфорной кислоты при атмосферном давлении и в
гидротермальных условиях;
установить оптимальный режим обесфторивания при обработке апатита фосфорной кислотой в гидротермальных условиях и утилизации фтора.
Научная новизна состоит в следующих положениях, которые выносятся на защиту:
- процесс взаимодействия апатита с фосфорной кислотой в
интервале температур 20-250 С и концентрации фосфорной кислоты 20,
30 и 50% Р205 при соотношении СаО:Р2О5=0.5 и 1.5 протекает
многостадийно: через кинетическую, переходную и диффузионную стадии, которые описываются соответствующими уравнениями.
продуктами реакции в процессе взаимодействия апатита с фосфорной кислотой являются Са(НгР04)2«Н20 и СаН2Р207. Их
соотношение зависит от условий реакции. Образование СаН2Рг07 характерно для повышенных температур (>150 С). Образующийся слой дифосфата СаН2Р207 на зернах апатита вызывает диффузионное торможение процесса.
взаимодействие СаН2Р207 с водой и растворами фосфорной кислоты в интервале 20-200С и при концентрации кислоты 5-40 масс.% Р205 в неравновесных условиях протекает с образованием Са3(НР207)2»4Н20, Са(Н2Р04)2»Н20 и СаНР04. Твердые фазы, как правило, представляют собой бинарные или тройные смеси при фиксированной продолжительности процесса 7ч;
- соединение SrH2P207 в воде и растворах фосфорной кислоты (5-40 масс.% Р205) в интервале температур 20-200С обладает существенно большей устойчивостью по сравнению с СаН2Рг07. Взаимодействие с растворами фосфорной кислоты протекает с образованием только Sr(H2P04)2, в воде соединение устойчиво.
Практическая ценность работы
Определены оптимальный состав реакционной смеси, температура, продолжительность обработки апатита фосфорной
кислотой и режим подачи водяного пара при автоклавной обработке апатита фосфорной кислотой.
- Установлены условия перехода СаН2Р207 в растворимые монофосфаты.
Найден режим полного обесфторивания апатита при взаимодействии с фосфорной кислотой в автоклаве, а также условия получения фторсодержащих продуктов и обесфторенных растворимых кислых монофосфатов кальция.
Разработан и реализован узел обесфторивания
технологической схемы комплексной переработки апатита,
предусматривающий получение концентрата РЗЭ и стронция, кислых
монофосфатов кальция и фторсодержащих продуктов с использованием
оригинальной лабораторной установки.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на Xlll-th International Conference of Phosphorus Chemistry - ICPC (Jerusalem, Israel, July 16-21, 1995) и конференции молодых ученых Химического факультета МГУ (Москва, 1992-1994).
Публикации
По теме диссертации опубликовано б работ.
Структура и объем работы