УДК 543 + 669.712
НОВАЯ СХЕМА АНАЛИЗА БОКСИТОВ НА ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ПРИМЕСИ
© Нечитайлов Алексей Петрович; Сусс Александр Геннадьевич, канд. техн. наук; Жилина Татьяна Ивановна, канд. хим. наук; Беланова Евгения Александровна
ОАО «РУСАЛ ВАМИ», Россия, 199106, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр-т, д. 86. Тел.: +7(812)449-51-47; е-mail: vami@vami.rusal.ru; www.vami.ru
Статья поступила 29.10.2008 г.
Рассмотрена актуальная проблема поиска новых, более эффективных и экспрессных методов анализа состава природного сырья, в частности бокситов - важнейшего сырья для производства глинозема.
Авторы разработали новую методику определения содержания диоксида кремния в бокситах, которая положила начало новой схеме анализа природного сырья на содержание основных компонентов - А12О3, БЮ2, Ре2О3, ТЮ2 и ППП.
Используемый на практике для анализа бокситового сырья гравиметрический метод по ГОСТ 14657.2-96 (ИСО 6607-85) длительный и трудоемкий. Он основан на выделении кремниевой кислоты из солянокислого раствора после разложения боксита тем или иным способом и определении диоксида кремния по разности масс до и после обработки фтористоводородной кислотой.
Новая методика базируется на способности кремния образовывать летучий тетрафторид кремния. Ее суть заключается в непосредственной отгонке кремния, содержащегося в боксите, в виде Б1Б4 без предварительного разложения боксита.
Разработанный метод анализа требует меньших временных затрат, характеризуется минимальным расходом реактивов и отличается от гравиметрического метода меньшим числом необходимых операций, что существенно снижает влияние человеческого фактора на результат анализа, при этом является не менее точным, чем приведенный в ГОСТе.
Ключевые слова: боксит, диоксид кремния, основные компоненты, примеси, схема анализа, новая методика.
Химическая и металлургическая отрасли промышленности активно развиваются, создаются новые отрасли металлургии и химии, разрабатываются технологии получения совершенно новых материалов или сплавов. Поскольку свойства материала зависят от его химического состава, то исходные продукты, а также весь процесс изготовления нового материала или сплава и конечный продукт подвергают тщательному изучению с помощью химического анализа [1].
Основным сырьем для получения алюминия (около 98% мирового производства глинозема) в настоящее время служат бокситы [2]. Сведения о качественном и количественном составе бокситов необходимы в следующих случаях:
- при разведке руд и освоении месторождений для подсчета запасов;
- из экономических соображений при установлении цены на боксит в зависимости от содержания целевого компонента;
- для установления качественного и количественного состава примесей;
- при научном исследовании минералогического и химического характера.
От качественного и количественного содержания в бокситах различных элементов зависят выбор способа их переработки, особенности технологической схемы и аппаратурного оформления процесса. Совершенствование оборудования и повышение эффективности его использования на стадии подготовки сырья производства глинозема в значительной степени базируются на изучении и учете специфики химического состава и физико-механических свойств бокситового сырья [3].
Большое значение при установлении допустимых соотношений шихтуемых бокситов имеет задача «сбалансировать» средний состав тех бокситов (двух, трех и даже четырех месторождений), которые одновременно будут поставляться в производство.
: А12О3 + БЮ2 + Ре2О3 + ТЮ2 +
Бокситы различаются по химическому и минералогическому составу. Химический состав бокситов нестабилен: даже в пределах одного месторождения наблюдаются значительные колебания в содержаниях как основных компонентов, так и примесей [4]. Установлено, что в бокситах присутствует не менее 42 химических элементов, входящих в состав основной рудной массы и примесей [2]. Однако 5 основных соединений в бокситах присутствуют всегда и в сумме составляют от 96 до ППП = (96-99)%.
Существуют различные методы анализа бокситов на содержание основных компонентов. Несмотря на бурное развитие физико-химических методов анализа, классические виды анализа - титриметрия и гравиметрия - не утратили своего ведущего значения в техническом анализе природных и промышленных материалов [5]. Эти химические методы анализа характеризуются простотой выполнения, не требуют специальных дорогостоящих приборов и оборудования и, следовательно, могут применяться практически в любой химической лаборатории. Некоторое увеличение затрат времени и труда на определение вполне оправдывается точностью и надежностью полученных результатов. Сокращение времени на выполнение анализа зависит от трудовых навыков работающего и выбора методики определения [6].
Традиционный метод определения основных компонентов в боксите [7] можно представить в виде следующей схемы.
Одна навеска боксита (1 г) расходуется на определение потерь массы при прокаливании. При нагревании и выдерживании образца, помещенного в тигель в муфельной печи при температуре 1100 °С, полностью разлагаются карбонаты, удаляется вода и сгорают органические вещества. Потеря массы пробы (приводимая в процентах) соответствует по-
тере массы при прокаливании. Дальше эта навеска не используется, так как при высокой температуре образец закаливается, содержащиеся в исходном боксите легко разлагаемые формы гидроксида и оксида алюминия (гидраргиллит и др.) переходят (частично или полностью) в устойчивую, химически инертную форму а-А1203, не пригодную для дальнейшего анализа. Вторая навеска идет на ключевое в схеме определение диоксида кремния, а также остальных компонентов.
Арбитражным методом определения содержания диоксида кремния в бокситовом сырье является гравиметрический метод по ГОСТ 14657.2-96 (ИСО 6607-85). При этом следует отметить, что часть кремния остается в солянокислом растворе (вследствие частичной растворимости кремнекислоты), поэтому для получения близких к истине результатов остаточный диоксид кремния дополнительно определяют в фильтрате.
Авторами разработана альтернативная методика определения содержания диоксида кремния в бокситах, которая изменила весь ход анализа образцов на содержание основных компонентов - А12О3, БЮ2, Ре203, ТЮ2, ППП и примесей.
Ниже представлены основные минералы, в виде которых кремний содержится в бокситах:
Наименование Формула
Каолинит Кварц 5Ю2
Муллит Шамозит
Л1203.28Ю2-2Н20
3Л203-28Ю2
4Рв0-Л1203-38Ю2-4Н20
Эти данные были получены методом рентгеновского фазового анализа, проведенным в лаборатории физических методов исследования ВАМИ. Рассмотрение данных формул позволяет утверждать, что кремний, содержащийся в каждом из этих соединений, будет реагировать с фтористоводородной кислотой по реакции БЮ2 + 4НБ = Б1Р4 + 2Н20.
Поскольку тетрафторид кремния является газообразным веществом, а вода при нагревании тоже быстро испаряется, создаются предпосылки для разработки методики определения диоксида кремния в бокситах, в основе которой лежит непосредственное воздействие фтористоводородной кислоты на крем-нийсодержащие соединения без длительного и трудоемкого выпаривания сернокислых или солянокислых растворов, т.е. без предварительного разложения боксита.
Новая методика легла в основу более совершенной схемы анализа бокситов, согласно которой массовые доли потери массы при прокаливании и диоксида кремния определяются из одной навески. Из этой же навески после ее перевода в раствор могут быть определены и другие компоненты и примеси.
Ранее отмечалось, что образец боксита после определения ППП выбрасывали, так как обычные плавни, применяемые для разложения боксита, оказывались неэффективными. Авторами был применен новый, весьма
энергичный плавень, не использовавшийся ранее для разложения бокситов - смесь соды и борной кислоты в соотношении 2:1. Далее были оптимизированы количество плавня, температура и время сплавления.
К остатку в чашке после удаления ППП и диоксида кремния добавляют 3 г соды и 1,5 г борной кислоты, тщательно перемешивают и сплавляют в муфельной печи при температуре 1000 °С в течение 10 мин. Плав выщелачивают, используя 30 см3 соляной кислоты, разбавленной 1:1. Раствор переводят в мерную колбу вместимостью 500 см3, охлаждают, доливают до метки водой и перемешивают. Из отдельных аликвотных частей этого раствора определяют основные компоненты боксита: оксиды алюминия и железа и диоксид титана, а также важные примеси (оксиды кальция, магния, хрома...), применяя известные методики или их усовершенствованные и уточненные варианты.
Разработанная схема анализа бокситов отличается от всех схем, применяемых в настоящее время, тем, что из одной навески последовательно определяют все основные компоненты бокситов, а если необходимо, то и примеси. Во-первых, это сокращает время проведения анализа, а во-вторых, экономит количество вещества, необходимого для выполнения анализа. Это может быть важным, когда проводятся технологические лабораторные опыты по выщелачиванию бокситов при разных температурных режимах с использованием небольших навесок боксита, лимитируемых объемом автоклава. В этих случаях на анализ поступает весьма малое количество шламов, поэтому новая схема анализа, позволяющая из небольшой навески последовательно определить основные компоненты боксита и некоторые примеси, является необходимой.
Для сопоставления результатов анализов, полученных с помощью новой методики и традиционным методом, была проанализирована партия бокситов с содержанием диоксида кремния в пробах в пределах от 1,3 до 48,0%, что позволило проверить разработанную методику на всем диапазоне возможного содержания диоксида кремния в бокситах. Результаты этих опытов представлены в табл. 1. Расхождения между результатами параллельных определений, а также между средними значениями из трех параллельных определений и установленными значениями диоксида кремния представлены в табл. 2.
Данные, приведенные в табл. 1 и 2, свидетельствуют о том, что полученные разными методами значения хорошо согласуются между собой, а максимальные расхождения между резу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.