Утилізація залізовмісних відходів виробництва пігментного Титану (IV) оксиду : Утилизация железосодержащих отходов производства пигментного Титана (IV) оксида

Краткое содержание

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначена основна мета та завдання, які потрібно вирішити для досягнення поставленої мети, перераховано основні положення й закономірності, отримані автором, що мають наукову та практичну цінність.

В першому розділі «Огляд інформації щодо суті досліджуваної проблеми» запропоновано класифікацію твердих побутових відходів з позицій перспективних шляхів їх утилізації. Розглянуті шляхи попередження нагромадження відходів шляхом комплексного використання сировини. Детальну увагу приділено використанню багатотоннажних відходів у багатотоннажних виробництвах, що є необхідною причиною їх повної утилізації. Зокрема проаналізовано перспективні шляхи застосування відходів хімічної та гірничо хімічної промисловості в будівельній індустрії. Проведений аналіз літературних даних щодо застосування відходів хімічної та гірничо хімічної промисловості для цілей рекультивації та у виробництві добрив. Оскільки об’єктом досліджень є залізовмісні відходи, то в 1 розділі проаналізовано відому інформацію щодо перспективних шляхів утилізації залізовмісних виробничих відходів. На основі проведеного літературного огляду сформульовано цілі та завдання досліджень.

Другий розділ «Об’єкти та методи досліджень» присвячено аналізу технологічних аспектів утворення залізного купоросу в технології виробництва титану (IV) оксиду, в розділі проведений моніторинг відходів заліза (ІІ) сульфату в Україні. На основі аналізу фізико-хімічних характеристик відходу проведений вибір перспективних шляхів утилізації залізовмісних відходів виробництва пігментного титану (IV) оксиду. Проаналізовано властивості сировинних матеріалів, які використовувались в дослідженнях, а також методики дисертаційних досліджень.

Розглянуто особливості фізико-хімічних процесів технології виробництва титану (IV) оксиду, який на Україні виробляють два заводи: ВАТ «Сумихімпром» (проектна потужність - 40 тис. т/рік) та ДАК «Титан» (проектна потужність – 80 тис. т/рік). Проведений аналіз забезпечення виробництва сировиною, розглянутий технологічний процес з позицій утворення багатотоннажних відходів в процесі виробництва.

Під час проведення моніторингу відходів заліза (ІІ) сульфату в Україні встановлено, що вони утворюються в процесі виробництва титану (IV) оксиду та травлення металу. Однак, відходи травлення металу є порівняно малотонажні у зрівнянні з відходами заліза (ІІ) сульфату, які утворюються в технології виробництва титану (IV) оксиду. Останні локалізовані місцях розташування виробництв титану (IV) оксиду – містах Суми, де їх накопичилось біля 1 млн.т. та Армянськ (Кримська АР), об’єм накопичених відходів біля 2 млн.т.

Шляхи утилізації залізовмісних відходів виробництва пігментного титану (IV) оксиду визначаються трьома його споживчими якостями:

1.     Наявність у складі відходу вільної сульфатної кислоти;

2.     Наявність у складі відходу значної частини Заліза;

3.     Властивості сполуки до створення неорганічних барвників,

Виходячи з цього розглядались такі шляхи його утилізації

Всі ці технології і служили предметом досліджень.

Приведена характеристика фізико-хімічних властивостей сировини для реалізації технології виробництва комплексних мінеральних добрив, сировини для реалізації технології виробництва активної добавки для цементної промисловості, сировини для реалізації технології виробництва залізорудних окатишів та сировини для технології виробництва жовтого залізоокисного пігменту. Розроблено методики лабораторних досліджень цих технологій.

В третьому розділі «Розроблення технології отримання добрив на основі відходу виробництва пігментного титану (IV) оксиду» розглянуті перспективи утилізації відходів виробництва титану (IV) оксиду шляхом виробництва мінеральних комплексних добрив та екологічні аспекти вмісту в добривах небезпечних елементів та сполук. Розглянуті два варіанти технології приготування добрива:

1.     Змішання компонентів у послідовності: відходи → фосфорит → аміачна вода.

2.     Змішання компонентів у послідовності: відходи → аміачна вода → фосфорит.

Встановлено, що у першому випадку вільна кислота, що міститься у відходах, витрачалась на частковий розклад фосфориту, підвищуючи вміст водорозчинної форми Р₂О₅, а аміачна вода витрачається на нейтралізацію залишкової кислотності. Тому в добривах, порівняно з другим варіантом, підвищений вміст водороз­чинної форми Р₂О₅ та понижений вміст амонію сульфату. Недоліком способу є часткова витрата кислоти на реакцію з карбонатами, що містяться у фосфоритній руді.

Для другого випадку вільна кислота відходів витрачається на реакцію утворення амонію суль­фату, фосфоритна мука вводиться як елемент механічної суміші добрива. Тому для цього типу добрива характерний підвищений вміст амонію сульфату та знижений вміст водорозчинної форми Р₂О₅. Вплив шляху реалізації процесу на вміст компонентів в кінцевому добриві відображений на рис. 2.

Для обох варіантів побудовані блок-схеми технологій отримання добрив.

Першою стадією обох тех­нологій є розчинення відходу в воді. Для встановлення кіне­тики розчинення заліза (ІІ) су­льфату та підбору оптималь­ного значення температури для реалізації процесу проводили досліджен­ня, результати яких приведені на рис.3.

Виходячи із аналізу даних експерименту (рис.3), нами прийнято оптимальними умо­ва­ми реалізації процесу темпе­ратуру 323 К. За цієї темпе­ратури заліза (ІІ) сульфат роз­чиняється на протязі 35-40 хви­лин. Нижчу температуру, як видно із рис.3., вибирати не­доцільно, оскільки в цьому ви­падку значно збільшується три­валість процесу. Проводити процес за умови вищої температури також немає змісту, оскільки в цьому випадку збільшуються енерге­тичні витрати, а друга стадія процесу (взаємодія розчину з фосфоритом) проходить за температури 323 К, тому збільшувати температуру розчинення заліза (ІІ) сульфату вище цього значення недоцільно.

У випадку реалізації першого варіанту технології в отриманий розчин заліза (ІІ) сульфату добавляли туніський фосфорит із розрахунку 1 масова частина фосфориту на 1 масову частину залізного купоросу. Пульпу витримували 1 годину за температури 323 – 328 К в умовах безперервного перемішування. Відзначено неінтенсивне виділення з отриманої суміші СО₂, що свідчить про реакцію взаємодії вільної сульфатної кислоти, що утримується в залізному купоросі, із компонентами фосфатної сировини.

Аналіз результатів аналізу пульпи дозволяє стверджувати, що хімічна взаємодія практично не торкала фосфатної частини фосфориту. У той же час частина Заліза переходить у водонерозчинну форму, що свідчить про реакцію частини заліза (ІІ) сульфату із карбонатами.

Отриману пульпу нейтралізували аміачною водою до рН = 9. В процесі амонізації спінювання пульпи та бризг не відзначено. Нейтралізована пульпа рухлива, за кольором - чорна.

Нейтралізована пульпа поступала на сушіння.

У випадку реалізації другого варіанту технології, після розчинення купоросу проводили його нейтралізацію аміачною водою. Кінетика нейтралізації приведена на рис.4. Із рис.4. випливає, що нейтралізація до рН = 8,6 здійснюється за умови додавання 250 мл. аміачної води (для умов експерименту). Шляхом балансових розра­хунків встановлено, що для умов промислового виробниц­тва це складає 740 л/т. заліза (ІІ) сульфату.

У нейтральну пульпу, що містить амонію сульфат, та сполуки Заліза Fe⁺³, Fe⁺² із співвідношенням Fe_заг :SO₄  =  1:3,15 подавали немолотий фосфорит туніський з наближеною масовою витра­тою фосфориту 1 масова частина на 1 масову частину вихідного залізного купоросу. В процесі пере­мішування технологічних сере­довищ утворювалася густа до­статньо рухлива і придатна для перекачування насосом технологічна пульпа, яка не потребує додаткового розве­дення водою і не розшаровується.

Дані лабораторних досліджень процесу дозволили провести промислові випробування технології на технологічних потужностях ВАТ “Сумихімпром”. В загальному було вироблено 153 т. продукту, який задовольняв технічному завданню на його склад.

Отримані добрива направлялись на випробування в Інститут грунтознавства та агрохімії ім. А.Н.Соколовського. На основі випробувань добрива в сільському господарстві встановлено, що наявність вільних оксидів та заліза (ІІ) гідроксидів в добриві придає добриву переваги у зрівнянні з аналогічним добривом без вмісту сполук Заліза, що проявилось в додатковім прирості врожаю силосної кукурудзи.