ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ  МЕТОД  В  ОБОГАЩЕНИИ  КАОЛИНОВЫХ  КОНЦЕНТРАТОВ

Еранская  Татьяна  Юрьевна

канд.  техн.  наук,  с.н.с.  Институт  геологии  и  природопользования  ДВО  РАН,  РФ,  г.  Благовещенск

E-mail: 

ELECTROCHEMICAL  METHOD  IN  ENRICHING  KAOLIN  CONCENTRATES

Tatyana  Eranskaya

candidate  of  Science,  Senior  researcher  Institute  of  Geology  and  Nature  Management  FEB  RAS,  Russia,  Blagoveschensk

Работа  выполнялась  при  финансовой  поддержке  Российского  фонда  фундаментальных  исследований  (проект  11-05-98507).

АННОТАЦИЯ

При  электроискровом  методе  разложения  каолиновых  концентратов  в  насыщенном  щелочном  растворе  на  алюминатную  и  силикатную  составляющие  выход  гидроксида  алюминия  составил  до  35,4%  от  теоретически  возможного.

ABSTRACT

When  the  application  method  of  kaolin  in  the  alkaline  solution  concentrates  on  alûminatnuû  and  silicate  components  out  of  aluminum  hydroxide  amounted  to  35.4%  of  theoretically  possible.

Ключевые  слова:   каолин;  каолинит;  разложение  каолинита;  электрохимический  метод;  алюминатный  раствор;  сгущение;  декомпозиция;  гидроксид  алюминия.

Keywords:  kaolin;  kaolinite;  application  method  for  decomposition  of  kaolinite;  sodium  aluminate  solution;  thickening;  decomposition;  aluminum  hydroxide.

Одной  из  приоритетных  задач  на  современном  этапе  является  задача  расширения  минеральной  базы  для  производства  алюминия.  Наиболее  распространенное  сырье  —  каолиновые  концентраты,  в  состав  которых  входят  каолины  с  различным  соотношением  каолинита  и  других  сопутствующих  компонентов.  Если  в  высококачественных  бокситах  содержится  свыше  60%  оксида  алюминия,  то  в  каолиновых  концентратах  —  33—37  %,  что  соответствует  бокситам  среднего  качества. 

Большое  число  технологий  получения  оксида  алюминия  из  каолиновых  концентратов  являются  затратными  и  экологически  небезопасными.  В  большинстве  технологий  выход  гидроксида  алюминия  —  продукта  первого  передела  каолинов,  составляет  10—20  %  [1]  от  теоретически  возможного. 

Задача  наших  исследований  состояла  в  том,  чтобы  разработать  новую  технологию  обогащения  каолиновых  концентратов  до  гидроксида  алюминия,  сократить  время  обработки  до  нескольких  минут,  получить  выход  готового  продукта  выше  20  %  от  теоретического.

За  основу  принят  щелочной  метод  переработки  бокситового  сырья,  когда  при  длительном  перемешивании  происходит  взаимодействие  породы  с  щелочным  реагентом. 

В  разрабатываемой  технологии  перемешивание  происходит  при  электроискровом  воздействии  на  минерал  в  щелочном  растворе.  Электроискровой  метод  и  возникающий  на  его  основе  электрогидравлический  эффект,  впервые  описан  Юткиным  Л.А.  [2].  Сущность  этого  метода  состоит  в  том,  что  под  действием  высокого  напряжения  между  двумя  электродами  в  жидкости  формируется  импульсный  электрический  разряд,  вокруг  которого  возникают  сверхвысокие  гидравлические  давления,  вызывающие  мощное  механическое  действие.  Скорость  перемещения  жидкости  достигает  сотен  метров  в  секунду.  В  зоне  разряда  импульсно  возникают  мощные  кавитационные  процессы,  инфра-  и  ультразвуковые  излучения,  резонансные  явления,  другие  физические  и  физико-химические  процессы,  происходит  многократная  ионизация  самой  жидкости  и  частиц  вещества,  в  том  числе  минеральных  компонентов,  содержащихся  в  ней.  Вблизи  зоны  разряда  происходят  разрушение  и  диспергация,  пластические  деформации  частиц  и  материалов,  интенсификация  химических  процессов  за  счет  обрыва  сорбционных  и  химических  связей,  что  приводит  к  разнообразным  физическим  и  химическим  изменениям  в  обрабатываемом  веществе.  Вокруг  канала  разряда,  возникающего  между  электродами,  образуется  зона  высокого  давления.  За  жидкостью,  перемещающейся  с  огромной  скоростью,  возникает  кавитационная  полость  и  возникает  гидравлический  удар.  Когда  полость  смыкается  с  большой  скоростью,  создается  второй  кавитационный  гидравлический  удар.  Образующееся  газовое  облако  составляют  атомарные  и  молекулярные  водород  и  кислород,  газообразная  перекись  водорода,  свободные  радикалы  ОН^-  и  водорода. 

В  момент  замыкания  электродов  наступает  пробой  —  разряд  переходит  в  искровую  форму.  Этот  процесс  сопровождается  резким  повышением  температуры  канала  (до  40  000  °C  и  более),  появляются  новые  продукты  распада  жидкости  и  находящихся  в  ней  веществ,  происходит  нарастание  давления  в  оболочке  канала  до  критического  уровня.  Вещество  вблизи  оси  канала  находится  в  состоянии  близком  к  плазме.  Высвобожденные  после  прохождения  разряда  ионы  и  заряженные  частицы  вещества  активно  вступают  во  взаимодействие  друг  с  другом,  образуя  новые  соединения.

Из  литературных  источников  известно  [1],  что  в  1%-ном  растворе  NaOH  при  комнатной  температуре  разлагается  до  2-х  процентов  каолинита,  в  10  %-ном  —  5  %,  а  при  температуре  водяной  бани  6  %  и  20  %,  соответственно.  В  условиях  электроискрового  разряда,  как  катализатора  процесса,  результат  взаимодействия  будет  значительно  превосходить  результат  обычной  химической  реакции. 

Для  проведения  эксперимента  была  создана  установка,  принципиальная  электрическая  схема  которой  представлена  на  рис.  1.  Для  подачи  короткоимпульсного  разряда  на  рабочем  промежутке  8  в  электрическую  схему  введен  формирующий  воздушный  искровой  промежуток  7.  Что  позволяет  накапливать  количество  энергии,  значительно  большее  напряжения  пробоя  рабочего  промежутка  в  жидкости,  и  импульсно  подавать  ее  на  основной  промежуток,  без  перехода  к  дуговому  разряду.  Для  принудительного  разряда  конденсаторов  3  через  равные  промежутки  времени  в  состав  установки  введен  вращающийся  блок  с  двумя  парами  разрядников.  Скорость  вращения  блока  (70  об/мин)  обеспечивает  полный  разряд  конденсаторов  при  каждом  замыкании  электродов.  Для  исключения  уплотнения  каолина  вдоль  стенок  сосуда  в  состав  установки  введен  перемешивающий  блок.

Рисунок  1.  Электрическая  схема  установки:  1  —  трансформатор;  2  —  выпрямитель;  3  —  блок  конденсаторов;  4  —  измеритель  напряжения;  5  —  кнопочный  выключатель;  6  —  зарядное  сопротивление;  7  —  воздушный  формирующий  искровой  промежуток;  8  —  рабочий  искровой  промежуток;  9  —  рабочая  емкость

Эксперимент  проводился  при  различных  соотношениях  каолина,  химиката,  воды,  разных  мощностях  установки  и  за  разные  промежутки  времени,  использовались  каолиновые  концентраты  марки  КМ-1  Чалганского  месторождения  (Амурская  область).

Технология  переработки  каолина  на  глинозем  должна  состоять  из  двух  стадий.  Первая  стадия  процесса  –  получение  гидроокиси  алюминия,  вторая  –  получение  оксида  из  гидроокиси  (на  данном  этапе  не  выполнялась).  В  свою  очередь,  процесс  получения  гидроокиси  алюминия  проходит  в  два  этапа:  перевод  алюминатной  части  в  раствор  по  реакции  (1)  и  выделение  Al(OH)₃  в  осадок  по  реакции  (2).  Это  два  самостоятельных  этапа.

В  процессе  реакции  (1)  в  раствор  одновременно  переходят  алюминатная  и  силикатная  части  каолинита  в  виде  алюмосиликата  натрия.  Далее  отфильтрованный  раствор  подвергается  сгущению  (выпариванию).  Второй  этап  –  декомпозиция  по  реакции  (2),  в  процессе  которой  происходит  разложение  алюминатного  раствора:  кристаллы  Al(OH)₃  выпадают  в  осадок,  свободные  ионы  натрия  с  гидроксильной  группой  образуют  NaOH,  силикат  натрия  не  подвергается  химическим  изменениям.  Т.о.  полученный  раствор  одновременно  состоит  из  смеси  растворов  едкого  натра  и  силиката  натрия. 

Электроискровая  обработка  по  (1)  проводилась  в  одном  литре  3,  5,  10  и  20  процентного  раствора.  Навески  каолина  20,  40  и  60  г.  Время  обработки  от  15  до  70  мин  при  напряжении  9—13  кВ.  Максимальный  результат  получен  в  20-ти  процентном  растворе  при  навеске  каолина  60  г.  Наиболее  эффективное  время  обработки  —  40  мин.

Далее  полученный  раствор  отфильтровывался  и  сгущался  (выпаривался).  Осадок  несколько  раз  промывался  дистиллированной  водой  из  расчета  1,5  литра  воды  на  каждые  20  г  исходной  навески  в  каждой  из  промывок.  1-я  и  2-я  промывочные  воды  дополнительно  проходили  сгущение.

Вторая  часть  процесса  по  (2)  —  получение  гидроксида  алюминия  путем  декомпозиции  алюмосиликатного  раствора,  проводилась  выкручиванием  и  на  водяной  бане. 

Определяющее  значение  на  выход  готового  продукта  во  второй  части  эксперимента  имеет  процент  сгущения  раствора  и  промывочной  воды.  Причем  в  зависимости  от  массы  исходной  навески  и  щелочности  раствора  эти  значения  сильно  разнятся.  При  сгущении  до  25  %  первичного  раствора  (60  г  каолина,  10  %-ный  раствор,  70  мин)  в  среднем  получено  24,8  %  Al(OH)₃  от  теоретически  возможного.  При  сгущении  первичного  раствора  до  37,2  %  (60  г,  20  %-ный  раствор,  70  мин)  получен  осадок  гидроксида  алюминия  в  среднем  35,4  %  от  теоретически  возможного.  Приведенные  данные  относятся  к  декомпозиции  на  водяной  бане.  При  выкручивании  в  течение  30—40  ч  при  комнатной  температуре  выход  гидроксида  алюминия  составил  1,3—1,7  %.

Кроме  того,  до  5  %  от  расчетного  составляют  потери.  Они  складываются  из  потерь  на  фильтре,  в  фильтрате,  на  лабораторной  посуде. 

Рисунок  2.  Принципиальная  схема  технологического  процесса

На  рис.  2  приведена  принципиальная  схема  технологического  процесса.  Декомпозиция  с  подготовительными  операциями  промывкой  и  сгущением  и  последующая  промывка  от  щелочного  раствора  являются  наиболее  трудоемкими  операциями.  На  выходе  из  процесса  получено  четыре  продукта:  кристаллический  Al(OH)₃,  как  продукт  для  последующего  передела  на  Al₂O₃  и  алюминий,  переработанный  каолин  в  виде  шлама,  который  может  быть  использован  в  качестве  исходного  сырья  в  других  технологиях,  выделенный  из  раствора  NaOH  и  поступающий  в  начало  процесса,  силикат  натрия,  идущий  на  получение  SiO₂.  Промывочная  вода  может  идти  либо  на  утилизацию,  либо  на  накопление  и  повторное  использование  при  получении  NaOH  и  SiO₂.

Методика  проведения  экспериментов  по  разложению  каолинов  электроискровым  разрядом  требует  совершенствования.  Но  уже  на  данном  этапе  можно  говорить  о  целесообразности  и  перспективности  исследований  в  этом  направлении.

Список  литературы:

1.Солодкий  Н.Ф.,  А.С.  Шамриков,  В.М.  Погребенков.  Минерально-сырьевая  база  Урала  для  керамической,  огнеупорной  и  стекольной  промышленности.  Справочное  пособие.  Под  редакцией  проф.  Г.Н.  Масленниковой.  Томск:  Изд-во  ТПУ.  2009.  —  332  с.

2.Юткин  Л.А.  Электрогидравлический  эффект  и  его  применение  в  промышленности.  Л.:  Машиностроение.  1986.  —  253  с.