Воронина Евгения Юрьевна. Разработка технологии извлечения щелочных и щелочноземельных металлов из природных рассолов на основе фракционной кристаллизации

Краткое описание

Воронина Евгения Юрьевна. Разработка технологии извлечения щелочных и щелочноземельных металлов из природных рассолов на основе фракционной кристаллизации : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.13 / Воронина Евгения Юрьевна; [Место защиты: Иркут. гос. техн. ун-т].- Иркутск, 2008.- 174 с.: ил. РГБ ОД, 61 08-5/1116

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
04200851328
ВОРОНИНА ЕВГЕНИЯ ЮРЬЕВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ПРИРОДНЫХ РАССОЛОВ НА ОСНОВЕ ФРАКЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Специальность 25.00.13 - обогащение полезных ископаемых
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н., проф.Е.В.Зелинская
Иркутск, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Состояние и перспективы использования промышленных подземных вод 9
1.1. Анализ технологий и методов переработки высокоминерализованных природных вод 9
1.2. Использование фракционной кристаллизации для концентрирования солёных растворов 17
1.2.1. Особенности вымораживания металлов из водных растворов солей 17
1.2.2. Особенности проведения процесса вымораживания 18
1.2.2.1. Опреснение воды естественным вымораживанием 19
1.2.2.2. Опреснение воды вымораживанием в искусственных условиях ■ 20
1.2.3. Обзор известных технологий опреснения солёных вод вымораживанием 24
1.3. Современные представления о влиянии структуры растворов на технологию извлечения ценных компонентов 25
1.3.1. Строение и структура растворов 25
1.3.2. Влияние ионов на структуру воды 26
1.3.3. Положительная и отрицательная гидратация 28
1.3.4. Исследование структуры воды 29
1.3.5. Исследование строения и свойств концентрированных растворов
электролитов 31
Выводы 36
Глава 2. Теоретическое обоснование процессов разделения и концентрирования компонентов природных рассолов при вымораживании 37
2.1. Физико-химические свойства рассолов 37
2

2.2. Изучение действительного состава рассолов с применением физико¬химического моделирования 39
2.3. Исследование факторов, влияющих на вымораживание 48
2.3.1. Влияние температурного режима на кристаллизацию солей 49
2.3.2. Влияние состава растворов на процесс кристаллизации солей 51
2.3.3. Влияние скорости переохлаждения на образование льда 54
2.3.4. Исследование кинетических свойств растворов 56
2.3.5. Влияние температуры и концентрации рассола на активности воды
и ионов 67
Выводы 76
Глава 3. Исследование факторов, влияющих на разделение ионов в процессе кристаллизации 78
3.1. Изучение влияния ионов на структуру растворов и рассолов 79
3.2. Изучение влияния минерализации на вовлечение ионов в ледяную и жидкую фазу 85
3.3. Исследование распределения компонентов в процессе фракционной кристаллизации 89
Выводы 95
Глава 4. Исследование процесса вымораживания высокоминерализованных растворов 96
4.1. Изучение закономерностей процесса вымораживания солей из модельных растворов 98
4.2. Изучение закономерностей процесса вымораживания солей из природных рассолов 104
4.2.1. Изучение вымораживания солей из рассолов Удачнинского ГОКа 104
4.2.2. Изучение селективности процесса вымораживания рассолов Удачнинского ГОКа 110

4.2.3. Изучение компонентного состава продуктов вымораживания 112
4.2.4. Исследование процесса вымораживания рассолов Коршуновского
ГОКа 116
Выводы 121
Глава 5. Разработка технологической схемы извлечения металлов из рассолов с применением вымораживания 122
5.1. Ионообменное извлечение ценных компонентов 122
5.2. Разработка комплексной технологической схемы извлечения металлов из рассолов 129
Выводы 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 149
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 175
4

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе представлено решение актуальной задачи: выполнено научное обоснование и разработана комплексная технологическая схема извлечения ценных компонентов из природных рассолов на основе фракционной кристаллизации.
Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:
1. Обоснована целесообразность применения метода вымораживания в технологических схемах переработки природных рассолов. Показано, что вымораживание можно использовать как метод предварительного опреснения высокоминерализованных природных рассолов в комплексных схемах извлечения ценных компонентов.
2. Установлены различные формы нахождения компонентов в рассолах Удачнинского ГОКа. Выявлено, что микрокомпоненты - стронций, рубидий - находятся в виде свободных ионов в рассолах любых минерализаций (от слабых до сверхкрепких). Макрокомпоненты - натрий, кальций - находятся в форме соединений с другими элементами. Форма нахождения компонента в рассоле предопределяет возможность селективного разделения компонентов с близкими свойствами, а также микро- и макрокомпонентов.
3. Установлены закономерности изменения структуры раствора при переходе от однокомпонентных растворов солей к многокомпонентным растворам и природным рассолам. С увеличением минерализации структура концентрированных однокомпонентных растворов солей изменяется при определённой концентрации для каждой соли; гидратация ионов является функцией концентрации. В рассолах вода имеет структурированный характер, при повышении температуры структура воды разрушается.
Установлен эффект обратимости гидратации ионов в концентрированных растворах и рассолах, зависящий от их концентрации в растворе.
137

4. На основе определения основных термодинамических характеристик солевой системы хлоридно-кальциевых рассолов Удачнинского ГОКа вычислены коэффициенты активности ионов щелочных и щелочноземельных металлов при изменении температуры раствора. Показано, что ионы имеют различный характер изменения коэффициента активности при понижении температуры, что способствует селективности выделения ионов при вымораживании.
5. Показана возможность селективного осаждения солей из рассолов в процессе вымораживания, основанная на различии температур кристаллизации солей из сложных растворов. Исследован процесс селективного разделения фаз при понижении температуры рассола. При достижении рассолом температуры -33°С из него последовательно выпадают галит NaCl и карналлит KCl*MgCl2* 6Н20.
6. Основными факторами, определяющими технологические режимы процесса фракционной кристаллизации высокоминерализованных растворов, являются температура, состав и структурные характеристики растворов. Установлено, что целесообразно снижать температуру вплоть до выпадения солей натрия и калия и соответствующего снижения минерализации на 40-50 %. Опреснённый рассол целесообразно подвергать вымораживанию до образования ледяной фазы, которая должна составлять не более трети от всего объёма замораживаемого раствора.
7. Разработана принципиальная технологическая схема извлечения ценных компонентов из рассолов, включающая вымораживание, ионный обмен и выпаривание. Технология обогащения гидроминерального сырья с общим солесодержанием 500 г/дм позволяет получать стронциевые, рубидиевые, литиевые, натриевые, калиевые, кальциевые и магниевые продукты. Схема имеет уровень рентабельности 32%, срок окупаемости 2 года 6 месяцев, эколого-экономический эффект 2,5 млн.руб.
138

8. Проведены технологические испытания разработанной схемы на природных рассолах. Результаты исследований используются в учебном процессе для подготовки инженеров-экологов в ИрГТУ.