Выщелачивание концентрата данбурита азотной кислотой Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 521.633

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ КОНЦЕНТРАТА ДАНБУРИТА АЗОТНОЙ КИСЛОТОЙ

Э.Д. Маматов, А.С. Курбонов, Н.А. Ашуров, П.М. Ятимов, М. Сулаймони, Р.Г. Шукуров, У.М. Мирсаидов

Институт химии им. В.И. Никитина,

Республика Таджикистан, 734063, г. Душанбе, пр. Айни, 299/1, [email protected].

В данной статье приведены результаты исследования азотнокислотного выщелачивания данбу-ритового концентрата. Определен механизм протекающих реакций и изучена кинетика процесса. Ил. 4. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: разложение, выщелачивание, концентрат данбурита, борная кислота.

LEACHING OF A CONCENTRATE DANBURITE BY NITRIC ACID

E.D.Mamatov, A.S.Kurbonov, N.A.Ashurov, P.M.Yatimov, M. Sulaymoni, R.G.Shukurov, U.M.Mirsaidov

V.I. Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of Republic of Tajikistan 299/1, Ayni Ave., 734063, Dushanbe, Republic of Tajikistan, [email protected]

This work explores nitric acid leaching of danburite concentrate. Mechanisms of the reactions are defined and kinetics of the process is studied. 4 figures. 6 sources.

Keywords: decomposition, leaching, concentrate danburite, boric acid.

ВВЕДЕНИЕ

Бор и его соединения играют ведущую роль при получении новых материалов с уникальными свойствами. К настоящему времени выявлено достаточно много эндогенных месторождений бора различных минеральных типов, в том числе и месторождений промышленного значения. Данбуритовые породы месторождения Ак-Архар Таджикистана, состоящие в основном из данбурита, пироксена, гидробороцита, кальцита, кремнезема и других сопутствующих минералов являются перспективным сырьем для получения борной кислоты. Содержащиеся в составе дан-бурита железо, алюминий и другие компоненты делают его перспективным для комплексного использования.

Ранее, в работах [1-5], нами изучены химический и минералогический составы исходного данбурита и его концентрата, а также механизм взаимодействия данбуритов соляной и серной кислотами.

Изучено взаимодействие обожженного данбурита месторождения Ак-Архар серной кислотой и ее кинетика. Найдены оптимальные условия процесса и вычислена кажущаяся энергия активации сернокислотного разложения равная 16,68 кДж/моль. [1,2].

Разработана кислотная технология получения борной кислоты, солей алюминия, железа и кальция, выщелачиванием исходного и предва-

рительно обожженного концентрата данбурита серной кислотой [3].

Целью данной работы является исследование процесса выщелачивания данбуритового концентрата азотной кислотой, определение механизма протекающих реакций и изучение кинетики процесса разложения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Известно, что образование нового вещества происходит с изменением электронного строения оболочек атомов, ионов и молекул, что сопровождается выделением или поглощением теплоты с превращением химической энергии в другой вид энергии. Данные об энергетических эффектах реакций используются для расчетов энергий межмолекулярных связей, реакционной способности веществ и установления характера химических процессов. Для характеристики состояния системы и происходящих в ней изменений важно знать такие свойства, как энтальпия (H), энтропия (S) и энергия Гиббса (G).

Величина энергии Гиббса позволяет судить о возможности протекания процесса. Условием возможности протекания процесса является неравенство АО < 0. Согласно уравнению АО = АН — TAS , влияние температуры на AG определяется знаком и величиной AS.

Рис.1. Рентгенограмма концентрата данбурита после предварительного обжига:

кв - кварц, к - кальцит, г - гранат, д - данбурит, дат - датолит, п - пироксены, гидрос - гидрослюда,

гид - гидроборацит, монт - монтмориллонит.

2СаО ■ В2О3 ■ 2&О2 ^ СаО ■ В2О3 + СаО$1О2 +а- БЮ2. Кальцит, входящий в состав данбурита, при термической обработке разлагается с образованием

оксида кальция:

СаСО,

950-1050 С

■» СаО + СО2 Т.

При разложении минералов, входящих в состав концентрата данбуритов, протекают следующие реакции:

СаО ■ Ыф ■ 3В2О3 + 4ИМО3 + 1И2О ^ Са(ЫО3 )2 + Ы^ЫО3 )2 + 6И3ВО3, (1) 2СаО ■ В2О3 ■ 2$>1О2 + 4ИЫО3 + И2О ^ 2Са(ЫО3 )2 + 2И3ВО3 + 2&О2, (2)

Б^АЛОгг или 8$О2 ■ 2А12О3 +12ИЫО3 ^ 4А1 (ЫО3 )3 + &ЯО2 + 6И2О, (3)

(Ыа) А12 (Ш3О1!) или (4)

ЫаА1О2 ■ А12О3 ■ 3$>1О2 + 10ИЫО3 ^ 3А1 (ЫО3 )3 + ЫаЫО3 + 3&О2 + 5И2О , 3СаО ■ Ре2О3 ■ 3&О2 +12ИЫО3 ^ 3Са(ЫО3 )2 + 2^е(ЫО3 )3 + 3&О2 + 6И2О, (5) (СаО ■ ¥еО ■ 2&О2 )8 + 42ИЫО3 ^ 8Са(ЫО3 )2 + 8^е(ЫО3 )3 + 16&О2 + Ы2О + 21И2О, (6)

2СаО + 4ИЫО3 ^ 2Са(ЫО3 )2 + 2И2О.

Для установления возможности протекания реакций оксидов, входящих в состав данбурито-вого концентрата азотной кислотой, рассчитаны стандартные величины, которые показали, что равновесному состоянию системы отвечает минимум термодинамического потенциала Гиббса, используемый при изучении состава многокомпонентной многофазной системы.

Результаты рентгенофазового анализа прокаленного концентрата данбурита при температуре 950-980°С приведены на рис.1.

Как видно из рентгенограммы обожженного концентрата данбурита (рис.1), основные интенсивные пики, относятся к железо-, алюминий-, кальций- и борсодержащим минералам.

Изменения в составе данбуритового концентрата при 950°С и выше могут бьпь связаны с образованием дибората кальция СаО ■ 2В2О3, силиката кальция СаО ■ 81О2, а- и р-кварца.

Из рентгенограммы остатка концентрата данбурита (рис. 2) видно, что интенсивные пики, относящиеся к железосодержащим минералам, исчезают, а бор,- и алюминийсодержащим минералам уменьшаются. Исходя, из результатов рентгенофазового и химического анализов можно судить о высокой степени разложения оксидов.

По результатам проведенных ранее исследований азотнокислотного разложения обожженного данбуритового концентрата можно рекомендовать следующие оптимальные условия: продолжительность обжига - 60 мин; температура обжига - 950-980°С; продолжительность кислотной обработки - 60 мин; температура разложения - 95°С; дозировка азотной кислоты - 100140% от стехиометрического количества и концентрация кислоты - 15-20 мас%. При этом степень извлечения оксида бора составляет 84,8% [4,5].

Рис. 2. Рентгенограмма остатка концентрата данбурита после кислотной обработки:

кв - кварц; д - данбурит; п - пироксены; гидрос - гидрослюда; м - муллит.

Полученные экспериментальные данные кинетики извлечения оксида бора из обожженного данбуритового концентрата при азотнокислот-ном разложении в интервале температур 20-95°С и продолжительности процесса от 15 до 60 минут (рис.3) подтверждены уравнением первого порядка:

da /dT = K (1-a),

где: a - степень извлечения оксида бора; т -время в минутах; К - константа скорости реакции азотнокислотного разложения концентрата дан-бурита, мин-1 [6].

Характер кинетических кривых (рис.За) разложения указывает на то, что в течение 60 мин при температуре 95 °С достигается 92,9% извлечение оксида бора.

Для определения энергии активации строили график зависимости lgk от (1/Т10-3), при этом получена прямая линия рис. 4.

Даная зависимость подчиняется корреляционному уравнению LgKср = -.-813,89*(1/Т) + 0,7855 при значении коэффициента корреляции R2 = 0,9333. Как видно, полученные экспериментальные точки при различных температурах удо-

влетворительно укладываются на прямую линию Аррениуса, по наклону которой вычислена величина кажущейся энергии активации.

Вычисленная энергия активации процесса азотнокислотного разложения концентрата данбурита равная 14,83 кДж/моль, свидетельствует о ее прохождении в смешанной области.

На основе проведенных исследований оптимизировано и усовершенствовано получение борной кислоты при разложении концентрата данбурита азотной кислотой. Достоверность полученных результатов процесса подтверждена детальным исследованием концентрата данбурита с помощью рентгенофазовых исследований и изучением кинетики разложения азотной кислотой.

Предлагается предварительный обжиг в течение 60 мин. После термической обработки концентрат данбурита следует измельчать и выщелачивать азотной кислотой. Борная кислота из раствора выкристаллизовывается, фильтруется и высушивается. Предлагается также отделение нитратов алюминия, железа и кальция.

Рис. 3. Зависимость степени извлечения оксида бора(а) от продолжительности процесса (а) и 1д

1

1 — а

от времени (б)

ЬеКср

1.0 п

Рис. 4. Зависимость 1дК от обратной абсолютной температуры при азотнокислотном разложении

данбуритового концентрата

ВЫВОДЫ

1. Оптимизированы условия процесса выщелачивания данбуритового концентрата азотной кислотой и результаты исследования подтверждены методом рентгенофазового анализа.

2. Изучена кинетика азотнокислотного разложения данбуритового концентрата. Вычислена кажущаяся энергия активации процесса равная 14,83 кДж/моль.

1. Сернокислотное разложение данбурита с по-следуюшим обжигом / Маматов Э.Д. [и др.] // Изв. АН РТ, 2008. Т. 51. № 9. С. 672-674.

2. Кинетика сернокислотного разложения предварительно обожженного данбурита месторождения Ак-Архар Таджикистана / Ашуров Н.А [и др.] // Изв. АН РТ, 2008. № 4 (133). С. 36-40.

3. Ашуров Н.А Кислотное разложение данбури-тов месторождения Ак_Архар (Таджикистана): авто-реф. дис. канд. техн. наук Душанбе, 2009. 25с.

СКИЙ СПИСОК

4. Разложение данбуритового концентрата азотной кислотой / Курбонов АС. [и др.] // Изв. АН РТ, 2010. Т. 53. № 11. С. 865-869.

5. Разложение данбурита Ак-Архара азотной кислотой. /Курбонов АС. [и др.] // Изв. АН РТ, 2011. Т. 54. №1. С. 42-45.

6. Эммануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М. : Высшая школа, 1974. 400 с.

Поступило в редакцию 18 ноября 2011 г После переработки 6 февраля 2012 г