научная статья по теме ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕРЕН КВАРЦЕВОГО ПЕСКА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ ПО ФТОРИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕРЕН КВАРЦЕВОГО ПЕСКА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ ПО ФТОРИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 6, с. 706-710

УДК 544.016.2;661.488

ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕРЕН КВАРЦЕВОГО ПЕСКА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ ПО ФТОРИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ © 2013 г. Л. П. Демьянова, А. С. Заева, А. С. Буйновский*

Институт геологии и природопользования ДВО РАН, г. Благовещенск *Северский технологический институт НИЯУ "МИФИ" lpd.science@yandex.ru Поступила в редакцию 19.04.2012 г.

Изучено влияние измельчения исходного кварцевого песка на степень активации поверхности при его фторидной переработке с фторирующим реагентом. Методом синхронного термического анализа изучены технологические особенности условий проведения процесса получения гексафторо-силиката аммония с применением смесей песка различной крупности в диапазоне температур от 25 до 400°С. Определение фаз промежуточных продуктов, образующихся в ходе термогравиметрического эксперимента, проводили методом рентгенофазового анализа. Установлено, что образование гексафторосиликата аммония с измельченным кварцевым песком происходит при температурах ниже примерно на 30—40°С по сравнению с исходным.

Б01: 10.7868/80040357113040039

ВВЕДЕНИЕ

При переработке кварцевых песков до получения аморфного кремнезема высокой степени чистоты по фторидной технологии с применением в качестве фторирующего реагента гидродифторида аммония МИ4ИР2 процесс проходит в два этапа: 1) получение промежуточного продукта — гексафторосиликата аммония (ГФСА); 2) гидролиз ГФСА. Получение ГФСА протекает в две стадии: первая — взаимодействие кварцевого песка и гидродифторида аммония при температуре 200°С, вторая — сублимация (МИ4)281Р6 при температуре до 350°С [1].

Ранее было установлено, что для фторирования кварцевых песков наиболее оптимальным является соотношение 8Ю2 : МИ4ИР2 = 1 : 2.85 [2].

Цель данной работы — изучить влияние степени измельчения исходного кварцевого песка на технологические параметры процесса фторидной переработки.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе применены кварцевые пески, полученные из кварцсодержащего минерального сырья Чалганского месторождения Амурской области. Основным компонентом является оксид кремния. Среднее содержание оксидов в кварцевых песках составляет, мас. %: 8Ю2 — 95.8; А1203 — 2.4; Ре203 — 0.2; 1Ю2 - 0.16; Ш20 - 0.13; К20 - 1.03; потери при прокаливании — 0.27. Кварц присутствует в форме Р-8Ю2 тригональной сингонии, которая стабильна при нормальных температуре и давлении. По дан-

ным электронно-микроскопического исследования размер зерен колеблется от 0.8 до 2.7 мм.

Результаты гранулометрического анализа кварцевого песка свидетельствуют о значительном преобладании в его составе фракции —1.0 + + 0.2 мм, доля которой к общему количеству составляет 63.40% с содержанием кварца до 95 мас. %, во фракции +1.0 (выход к общему количеству — 16.92%) до 99 мас. %, в фракции —0.2 (выход к общему количеству — 19.69%) до 80 мас. % (рис. 1).

В качестве фторирующего реагента использовали гидродифторид аммония МИ4НР2 марки ч. д. а. производства ОАО "Галоген" (г. Пермь). По аналитическому паспорту (ГОСТ 9546—75) массовая доля, % не менее: гидродифторида аммония (МИ4Р • ИР) — 99.8; сульфатов (804) — 0.05; хлоридов (С1) — 0.01; железа (Ре) — 0.02; тяжелых металлов (РЬ) — 0.0010.

При нормальных условиях МИ4ИР2 представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с ромбической решеткой, не имеющее запаха и обладающее небольшой гигроскопичностью [3]. При комнатной температуре МИ4ИР2 не представляет существенной экологической опасности, а при нагревании становится мощным фторирующим реагентом. Температура плавления гидроди-фторида аммония составляет 126.8°С, температура разложения — 238°С, растворимость в воде при 25°С — 415 г/л [4].

Большим преимуществом использования гид-родифторида аммония в качестве фторирующего реагента является возможность его полной регенерации с отсутствием твердых, жидких и газообразных отходов [5].

Термический анализ. Синхронный термический анализ (СТА) включает одновременную регистрацию кривых термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Исследование образцов проводили на приборе STA 449C Jupiter (фирмы NETZSCH) в алюминиевых тиглях под крышкой с отверстием, обеспечивающим давление паров, равное 1 атм. Скорость нагрева составляла 5°С/мин до 400°С в потоке аргона (27 мл/мин). Точность изменения массы ±10-2 мг. При съемке кривых термогравиметрии и ДСК использовали файл коррекции и калибровку по температуре для заданной температурной программы. Анализ выполнен в лаборатории химии флотационных дитиореагентов и минеральной поверхности Института геологии и природопользования (ИГиП) ДВО РАН.

Рентгенофазовый анализ. Определение фаз промежуточных продуктов при установленных СТА контрольных температурах проведено методом рентгенофазового анализа на минидифракто-метре МД-10 ЭФА с позиционно-чувствительным детектором на CuKa излучении (к = 1.54178 Â). Режим съемки: номинальное рабочее напряжение на рентгеновской трубке 25 кВ, анодный ток 400 мА, время экспозиции — первый диапазон 10 мин. Качественный анализ проведен по базе PDF2008. Анализ выполнен в Аналитическом центре минералого-геохимических исследований ИГиП ДВО РАН, аналитик-исследователь — Я.Н. Кисель, контроль и постановка методики — В.И. Рождествина.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При переработке кварцевого песка по фторид-ной технологии протекают следующие реакции взаимодействия гидродифторида аммония с основным компонентом — 8102 и примесями [6]: 8102 + 3МИ4ИР2 = (МИ4)281Р6 + 2Н20 + МИ3 (1)

60.08 + 171 = 178.08 + 36 + 17 231.08 = 231.08 1 : 2.85 = 2.96 + 0.61 + 0.28 26.00% + 74.00% = 77.06% + 15.58% + 7.36%, А1203 + 6МИ4ИР2 = 2(МИ4)3А1Р6 + 3Н20, (2) Ре203 + 6МИ4ИР2 = 2(МИ4)3РеР6 + 3И20, (3) ТЮ2 + 3МИ4ИР2 = (МИ4)2Т1Р6 + 2И20 + МИ3, (4) Ш20 + 2МИ4ИР2 = 2ШР + И20 + 2МИ4р (5) К20 + 2МИ4ИР2 = 2КР + И20 + 2МИ4Р (6) Поскольку в рассматриваемых смесях основная составляющая приходится на 8102, обсуждение результатов исследования будем проводить исходя из количественных данных диоксида кремния.

Для выявления оптимальных условий образования промежуточного продукта провели терми-

С, мас. % F, %

100 80 60 40 Ь

20

0

-0.15 -0.2

-0.5

-1.0 +1.0 Фр, мм

Рис. 1. Количество 8102 (-) и его распределение по фракциям (2).

ческий анализ смесей исходного сырья и фторирующего реагента при температурах от 25 до 400°С в атмосфере аргона. На рис. 2 показаны кривые ДСК (а) и термогравиметрии (б) процессов фторирования. Соотношение в каждом эксперименте составляло 1 : 2.85. Дробление исходного песка проводили в шаровой мельнице сухим способом в течение 3 ч до размера зерен 0.0074 мм.

На кривых термогравиметрии (рис. 2б) условно можно выделить две стадии образования ГФСА. В начале процесса взаимодействия кварцевого песка с гидродифторидом аммония (до 200-230°С) (МИ4)281Р6 синтезируется в твердом состоянии, при этом удаляются молекулы аммиака и воды согласно реакции (1). Изменение массы (табл. 1) на первом этапе значительно превышает теоретическую величину (22.94%), рассчитанную по реакции (1). Видимое на первый взгляд несоответствие можно объяснить выделением ГФСА через получение промежуточной фазы (МИ4)381Р6Р [реакции (7), (8)]:

8102 + 3.5МИ4ИР2 = (МИ4)381Р6Р + 0.5МИ3 + 2И2О 60.08 + 199.5 = 215.08 + 8.5 + 36 (7)

259.58 = 259.58

23.14% + 76.86% = 82.86% + 3.27% + 13.87%,

(МИ4)381Р6Р = (МИ4)281Р6 + МИ3 + ИР

215.08 = 178.08 + 17 + 20 (8)

82.86% = 68.60% + 6.55% + 7.71%.

Согласно реакциям (7) и (8), ожидаемая потеря массы составляет 31.40%. Проведенные расчеты указывают на наиболее полное фторирование

708

ДЕМЬЯНОВА и др.

(а)

мкВ/мг

(3)159.1°С (2)101.0°С (2)148.0°С I

[2]

(1)206.5°С

1>/ < •••••/>'{ X |

(3)141.6°С \ ; \

(2)76.9°С (2)130.4°С \ ! \ !

(3)111.6°С / \

(2)204.0°С /(1)232.7°С ^

(3)224.0°С \

Г

.13].

[1]

\

\ и

\ IV \ \ \

\ I \ \\

(1)320.7°С

(3)328.6°С

0.5 -1.0 -1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

50

100

150

200

250

300

350

400

т, % 100

(б)

90 80 70 60 50 40 30 20 10

\

\

(2)30.16°С ^(3)24.94°С (1)27.08°С

50

100

(2)64.64°С 3)68.70°С (1)51.06°С

(1)346.2°С 21.65°С [1]

150

200

(2)304.9°С

250

300

(3)345.8°С 5.320С;[3]

350

400 Т, °С

Рис. 2. Кривые ДСК (а) и термогравиметрии (б) смеси кварцевого песка с NH4Hp2: 1 — фракция (—1); 2 — измельченный 8Ю2; 3 — исходный 8Ю2.

в случае именно измельченного кварцевого песка (убыль массы составила 30.16%, табл. 1).

Для контроля полноты протекания реакций до 200°С был проведен рентгенофазовый анализ смесей 1 и 2 при температурах 100, 150 и 200°С (рис. 3), который подтвердил, что образование промежуточного продукта ГФСА в обоих случаях происходит с разной степенью взаимодействия.

При температуре 100°С наличие характерного пика фазы ^И4)381Р6Р составляет 100% для образцов фракции (—1) и также для дробленого (табл. 2). Рефлекс линий, отражающих присутствие фазы ^И4)281Р6, при той же температуре имеет разное значение: для образца фракции (—1) оно выше (43.8%); это говорит о том, процесс образования фазы ^И4)281Р6 здесь происходит интенсивнее

экз

0

Таблица 1. Данные СТА смесей 1—3 в атмосфере аргона

Смесь I стадия II стадия

Температурный диапазон, °С Потеря массы, % Температурный диапазон, °С Потеря массы, %

СТА Расчет СТА Расчет

1 25-237 27.08 31.40 237-346 51.06 68.60

2 25-209 30.16 209-305 64.64

3 25-230 24.94 230-346 68.70

А X 11 о $ Щ4^1Р6Р ( (а) 100°С

М и А ;г 7 1 150°С

) и 1 1\ 200°С

23 29

35

41 47

53

59 65

71

(МЫ^^Р

(N^>2^6

100°С

23

29

35

41

47

53

59

65 71

29, град

Рис. 3. Рентгенограммы смесей кварцевого песка с гидродифторидом аммония при температурах 100, 150 и 200°С: (а) — фракция (—1); (б) — дробленый

710

ДЕМЬЯНОВА и др.

Таблица 2. Интенсивность по характерным пикам основных фаз для образцов кварцевого песка при разных температурах

Фаза SiO2 (NH^SiFgF (NH4)2SiF6

29, град 26.6 20.9 18.3

100°C Фракция (—1) 51.4 100 43.8

Дробленый 61.9 100 8.6

150°C Фракция (—1) 40.7 29.9 100

Дробленый 26.7 27.5 100

200°C Фракция (—1) 24.9 21.2 100

Дробленый 16.7 21.5 100

примерно в пять раз, но

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.

Показать целиком