Азотнокислотное разложение данбуритов месторождения Ак-Архар Таджикистана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.01, кандидат химических наук Курбонов, Амиршо Сохибназарович

• Курбонов, Амиршо Сохибназарович
• кандидат химических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат химических наук Курбонов, Амиршо Сохибназарович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Физико-химические свойства некоторых соединений бора и борсодержащего сырья

1.2. Борсодержащие минералы.

1.3. Кислотные способы переработки борсодержащего сырья.

1.4. Щелочные и термические способы переработки борсодержащего сырья.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Азотнокислотное разложение данбуритов месторождения Ак-Архар Таджикистана»

Природные бораты использовались человеком с древних времен при получении (очистки) золота, в медицине, в производстве глазурей, полученная из них бура использовалась в качестве флюса. В современном мире бор и его соединения играют ведущую роль при разработке новых материалов с уникальными свойствами. Массовое применение соединений бора обусловливалось двумя факторами: наличием крупных природных источников сырья и бурным развитием технологии промышленного и сельскохозяйственного производства.

В народном хозяйстве в полной мере используются такие качества кислородных соединений бора, как легкоплавкость, огнестойкость, консервирующая способность, буферное и ингибирующее действие, инсектицидные, гербицидные и бактерицидные свойства, эмульгирующая, нейтрализирующая и отбеливающая способность, меньшая токсичность, катализирующая, стабилизирующая способности и целый ряд других свойств.

Наиболее полным и традиционным является использование легкоплавкости борных соединений, а одними из их главных потребителей — производства стекла и стекловолокна.

Вследствие этого борные соединения широко применяют в производстве термически стойких и специальных стекол, оптического и электровакуумного стекла, химической и лабораторной посуды, аппаратуры и трубопроводов из стекла, а также листового и бутылочного стекла.

Другой важнейшей областью применения борных соединений является производство фритт для эмалей и глазурей. Эмалирование широко распространено при производстве газовых плит, ванн, раковин, химической аппаратуры и металлической посуды.

Относительная легкоплавкость таких борных соединений, как бура, и способность расплава растворять оксиды металлов, позволяют использовать ее при выплавке, пайке и сваривании цветных и драгоценных металлов. Бура входит составной частью во флюсы, защищающие расплавы цветных и драгоценных металлов от окисления.

Предложено применять борные соединения для создания покрытий на поверхности электротехнической листовой стали, обладающих повышенными электроизоляционными и антикоррозионными свойствами, а также маслостойкостью.

При получении борные соединения могут служить спекающей добавкой, улучшают адгезию огнеупорного материала к стенке печей, работающих при высоких температурах.

В химической промышленности борные соединения, получаемые непосредственно при переработке природного борсодержащего сырья (бура, борная кислота), используют для производства всех остальных борных продуктов шйрокой номенклатуры: борного ангидрида, боратов металлов, фторборных соединений, бора и боридов, галогенидов бора, бороводородов, перборатов и т.д.

Получение боратов ряда металлов, в том числе щелочных и щелочноземельных металлов, а также плавленых борных продуктов из борсодержащего сырья изучено различными способами. Расширилась сортность, и повысилось качество таких продуктов, как борная кислота, борат кальция и др.

Широко известна и используется антисептирующая способность борных соединений. Пропитка древесины препаратами, содержащими борную кислоту и буру, предотвращает ее гниение, эффективно действует против плесени и грибов, а также против насекомых, разрушающих древесину.

Бура входит составной частью в ингибиторы коррозии, добавляемые к охлаждающим жидкостям двигателей внутреннего сгорания, тормозным жидкостям и т.п.

В лакокрасочной и парфюмерной промышленности используют эмульгирующее действие буры. Такие соединения, как метаборат бария, бораты свинца и цинка, применяют в качестве пигментов.

Борную кислоту добавляют в электролит в электролитических конденсаторах и при анодировании алюминия. При производстве алюминия в электролизную ванну вводят в качестве раскислителя безводную буру для получения первичного алюминия, а при его разливке - боралюминиевую лигатуру.

Наконец, кислородные соединения бора являются исходным сырьем для получения элементарного бора, карбида, боридов, различного рода борсодержащих лигатур, галогенидов, бороводородов, фтор боратов и других некислородных соединений, области применения которых не менее обширны и многогранны, чем кислородные соединения бора, хотя масштабы производства и применения существенно меньше.

В последние годы производство бора и его соединений значительно расширилось, в связи с их использованием в ядерной технике, при промышленном изготовлении топлива ракетных двигателей, особо твердых и жаропрочных сплавов, борсодержащих бензинов, а также термостойких продуктов полимеризации. Множество новейших достижений неизбежно связаны с бором. Это и высокоэнергетическое топливо, и новые композиционные материалы с уникальными свойствами, и препараты для лечения раковых опухолей.

Однако растущая потребность борной кислоты и буры в производстве стекла, керамической промышленности нашей страны и продуктов на его основе с одной стороны, и обеспечение этим сырьем отечественной промышленности являются одними из общегосударственных задач.

Сырьевая база борсодержащего минерала в нашей республике значительно расширилась благодаря разведанным Геологоразведочным управлением месторождениям северного Памира. К таким видам сырья относятся данбуриты месторождения Ак-Архар. Эти виды сырья, несмотря на пониженное содержание оксида бора, содержат в своем составе другие полезные компоненты. Промышленная переработка этих руд является целесообразной, если ее вести комплексным методом.

В настоящее время известны различные способы переработки борсодержащего сырья, такие как кислотные, щелочные, термические и комплексные.

В кислотных способах переработки низкокачественного борсодержащего сырья обычно используют минеральные кислоты (серную, соляную и др.), которые позволяют относительно просто осуществить селективное разделение оксида бора и кремнезема до стадии кислотной переработки руды с предварительным обжигом, что является своего рода химическим обогащением борсодержащей руды.

Разработка эффективных способов переработки борсодержащих руд — данбуритов и концентрата данбурита с извлечением составляющих его полезных компонентов с азотной кислотой, а также установление химических реакций, протекающих при азотнокислотном разложении, является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является исследование процессов разложения борсодержащей руды - данбурита и данбуритового концентрата азотной кислотой с применением методов избирательного извлечения компонентов из их состава, обеспечивающих максимальное извлечение соединений бора, алюминия и др. элементов в зависимости от различных физико-химических свойств.

Основными задачами исследования являются:

- изучение химического и минералогического составов исходного данбурита и данбуритового концентрата;

- изучение физико-химических свойств данбурита и данбуритового концентрата и конечных продуктов азотнокислотной переработки на основании РФА и ДТА методов анализа с целью избирательного извлечения их составляющих;

- изучение влияния процесса термообработки на переработку исходного данбурита и данбуритового концентрата азотной кислотой;

- изучение кинетики процесса извлечения оксида бора из состава исходного данбурита и данбуритового концентрата;

- разработка технологической схемы азотнокислотной переработки данбурита и данбуритового концентрата.

Научная новизна работы.

Впервые изучен процесс азотнокислотного разложения данбурита и данбуритового концентрата месторождения Ак-Архар. Рассчитаны тепловой эффект, энтропия и энергия Гиббса и установлены возможные механизмы химических реакций процесса азотнокислотного разложения борсодержащей руды, результаты которых обоснованы физико-химическими методами анализа. Разработана принципиальная технологическая схема переработки данбурита и данбуритового концентрата азотнокислотным способом. Практическая значимость работы.

Результаты исследования могут быть использованы при разработке технологии переработки борсодержащих руд других месторождений и при получении разных продуктов из боратовых и боросиликатных руд. Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты химических, минералогических и физико-химических исследований данбуритов (исходного данбурита и данбуритового концентрата) и продуктов их разложения азотной кислотой;

- результаты кинетических исследований процессов азотнокислотного разложения исходного данбурита и данбуритового концентрата;

- результаты комплексной переработки данбурита (исходного данбурита и данбуритового концентрата) месторождения Ак-Архар азотнокислотным способом.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 3 статьи и 4 тезиса докладов

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на: ежегодной научно-практической конференции «VI Нумановские чтения» (Душанбе, Таджикистан, 2009 г.); республиканской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и металлургии» (Душанбе, ТТУ, 2009 г.); IV международной научно-практической конференции «Перспективы и развитие науки и образования» (Душанбе, ТТУ, 2010 г.); республиканской научно-практической конференции «Роль образования и науки в учении и воспитании молодого поколения» (Курган-Тюбе, КТГУ, 2010 г.); республиканской научно-практической конференции «Горные, геологические, экологические аспекты развития горнорудной промышленности в XXI веке», посвященной 100-летию академика АНРТ С.М.Юсуповой (Душанбе, 2010 г.).

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из четырех глав, введения, литературного обзора, методики эксперимента и химического анализа, азотнокислотного разложения исходного данбурита и данбуритового концентрата, представляет собой рукопись, изложенную на 132 страницах компьютерного набора, и включает 10 таблиц, 16 рисунков, а также список литературы из 146 библиографических названий.

Заключение диссертации по теме «Неорганическая химия», Курбонов, Амиршо Сохибназарович

выводы

1. Рентгенофазовым, дифференциально-термическим и химическим методами анализа установлены минералогический и химический составы исходного данбурита и данбуритового концентрата. Также изучены физико-химические свойства исходного, прокаленного сырья и продуктов переработки азотнокислотного разложения.

2. Определены условия разложения исходного данбурита и данбуритового концентрата азотнокислотным способом. Найдены оптимальные параметры процесса разложения: предварительный обжиг 950-1000°С и продолжительность — 60 мин; кислотное разложение: дозировка кислоты - 140% от стехиометрического количества, температура - 95°С и продолжительность — 60 мин, концентрация кислоты - 15-20% с получением борной кислоты и солей алюминия, железа и кальция.

3. Изучена кинетика азотнокислотного разложения обожженного исходного данбурита месторождения Ак-Архар. Рассчитанная кажущаяся энергия активации процесса, равная 21.19 кДж/моль, свидетельствует о протекании процесса в кинетической области.

4. Изучена кинетика азотнокислотного разложения данбуритового концентрата. Вычисленная кажущаяся энергия активации составляет 14.83 кДж/моль, что свидетельствует о протекании процесса в смешанной области.

5. Разработана принципиальная технологическая схема комплексной переработки данбуритов месторождения Ак-Архар азотнокислотным способом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа посвящена вопросу азотнокислотного способа^ переработки боросиликатного сырья - данбуритовых руд месторождения Ак-Архар (исходного данбурита- и данбуритового концентрата),, позволяющих обеспечить рациональную и комплексную < их переработку. Необходимость, такого* вида исследований вызвана тем, что запасы борсодержащих руд, которые являются одной из составляющих сырьевых баз химической > промышленности и производства строительных материалов, истощаются, и в перспективе не могут обеспечивать развитие этой отрасли. Поэтому назрела необходимость поиска эффективных способов переработки из низкосортных боратных руд.

Лишь в последние десятилетия борі стал элементом первостепенной важности: и сам элемент и* многие его соединения используются в атомной и ракетной технике, металлургии, металлообработке, химической промышленности и многих других отраслях.

Предложенные за последние годы различными авторами способы переработки борсодержащих руд не охватывают данбуритов месторождения Ак-Архар (Таджикистан).

Из работ авторов [3, 22-24, 65-77, 81-84] видно, что для переработки боратовых и боросиликатных руд целесообразно применять кислотные способы, позволяющие селективно выделять кремнезем из руды, и тем самым сокращать материальные потоки в технологических процессах. Однако применение кислотных способов ограничивается рядом недостатков: трудность в отделении щелочных и щелочноземельных металлов руды от борной кислоты; большие энергозатраты в процессах обжига, фильтрации и т.д. Поэтому основное внимание исследователей в этой области сосредоточено на преодолении этих трудностей.

Проведенные исследования по кислотным способам разложения боратовых и боросиликатных руд позволили найти пути преодоления многих из вышеназванных трудностей.

Нами изучены физико-химические свойства исходных сырьевых материалов, промежуточных и конечных продуктов переработки борсодержащего сырья — данбуритов азотнокислотным способом и на основании рентгенофазового анализа, ДТА и других методов установлены процессы вскрытия сырья с извлечением полезных компонентов и их изменения при термообработке.

Изучены физико-химические свойства растворов, получаемых при переработке данбурита азотной кислотой. Исследована кинетика процессов разложения борсодержащего сырья. Характер кинетических кривых разложения исходного данбурита месторождения Ак-Архар азотной кислотой при извлечении в раствор оксида бора в виде борной кислоты указывает на то, что разложение данбурита происходит достаточно легко при предварительном обжиге в течение 60 мин и достигает 85-86% при температуре 95°С. Кажущаяся энергия активации процесса разложения исходного данбурита азотной кислотой для В203 составляет 21.19 кДж/моль.

Численное значение энергии активации свидетельствует о протекании процесса в кинетической области.

Установлены оптимальные условия азотнокислотного разложения исходного данбурита месторождения Ак-Архар: температура обжига - 950980°С; продолжительность - 60 мин. Кислотное разложение: температура — 95°С; продолжительность - 60 мин; концентрация кислоты - 15-20%, с получением борной кислоты, а также смеси нитратов алюминия, железа и кальция.

Изучена также кинетика разложения данбуритового концентрата азотной кислотой. Характер кривых при извлечении в раствор оксида бора указывает на то, что разложение данбуритового концентрата происходит в течение 60 мин, достигая 93-94% при температуре 95°С. Вычисленная кажущаяся энергия активации процесса азотнокислотного разложения данбуритового концентрата составляет 14.83 кДж/моль, которая свидетельствует о том, что процесс протекает в смешанной области.

Также на основании физико-химических методов анализа установлены химические процессы, протекающие на стадиях дегидратирующего обжига исходного данбурита и данбуритового концентрата при азотнокислотном разложении данбуритов. Обжиг сырья при температуре 950-980°С сопровождается выделением механически и химически связанной воды и заметным изменением структуры минералов данбуритовой руды.

На основании полученных результатов разработана принципиальная технологическая схема комплексной переработки данбуритов месторождения Ак-Архар (исходного данбурита и данбуритового концентрата) азотнокислотным способом.

Способ переработки включает в себя следующие основные стадии: измельчение сырья; отсеивание частиц 0,1-0,3 мм; обжиг при температуре 950-1000°С; разложение азотной кислотой; разделение пульпы; перекристаллизация борной кислоты и выделение полезных компонентов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Курбонов, Амиршо Сохибназарович, 2011 год

1. Hackspill L., Stieber A., Hogart R., C.r., 193, 776, 1931.

2. Cueilleron J. // J. Ann. Chem., 19, 459, 1944.

3. Laubengayer A., Newkirk A., Hoard J. // J. Am. Chem. Soc., 65, 1924, 1943.

4. Херд Д.Т. Введение в химию гидридов. ГХИ, 1949.

5. Johnston H., Hersh H., Keer E. // J. Am. Chem. Soc., 73, 1112, 1951.

6. Andrieux L. // J. Ann. Chim. Phys., 12, 423, 1929.

7. Михеева В.И. Двойные гидриды бора и его аналогов // Успехи химии. -М., 1954. -Т.22. -С.831.

8. Noth H. Anorgaische Reactionen der Alkaliboranate // J. Angew. Chem. -1961. -V.73. -P.371-381.

9. Михайлов Б.М. Химия бороводородов. — M.: Наука, 1967. 520 с.

10. Жигач А.Ф., Стасиневич Д.С. Химия гидридов. Л.: Химия, 1969. - 676 с.

11. Хайош А. Комплексные гидриды в органической химии. Л.: Химия, 1971.-624 с.

12. Михеева В.И. Метод физико-химического анализа в неорганическом синтезе. М.: Наука, 1975. - 272 с.

13. Мирсаидов У.М., Дымова Т.Н. Борогидриды переходных металлов. — Душанбе: Дониш, 1985. 123 с.

14. Мирсаидов У.М. Борогидриды металлов. — Душанбе: Дониш, 2004. -138 с.

15. Мирсаидов У.М., Гафуров Б.А., Бадалов А. Методологические проблемы химии гидридов бора и алюминия // Доклады АН Республики Таджикистан, 2005. -Т.48. №11-12. -С.29.

16. Мирсаидов У., Хаин B.C., Шевченко Ю.Н., Мальцева H.H. Свойства тетрагидридоборатов щелочных металлов. Душанбе: Дониш, 1984. — 358 с.

17. Николаев A.B. Физико-химическое изучение природных боратов. Mi-Л.: Изд.АН СССР, 1947.18: Кешан А.Д. Синтез боратов в водном растворе и их исследование. — Рига, 1955.

18. Химия боратов / Материалы совещания по химии боратов: — Рига, 1953.

19. Алиханова Т.Х., Курбонбеков А., Мирсаидов У. Взаимодействие тетрагидроборатов. редкоземельных металлов с этилендиамином / IV Всесоюзное совещание «Химия и технология неорганических соединений бора. Тезисы докладов. Рига, 1982. - С.19.

20. Бадалов А., Хикматов М:, Мирсаидов У., Назаров К. Исследование процессов термической десольватации и термического разложения тетрагидрофуранатов тетрагидроборатов лантана и неодима / Там же, с. 20.

21. Берниязова Д.Г., Калачева В.Г., Шварц Е.М. Получение бороманделятов щелочных металлов из боросодержащего сырья / Там же, с.25.

22. Болтенкова Л.И., Ходжамамедов A.M. Извлечение бора из высокоминерализованных сточных вод селективными сорбентами / Там же, с. 32.

23. Максименко М.С., Крылов В.Н. // ЖНХ, 1946. -Т.19. -С.154.

24. Гиацинтова К.В., Глембоцкий В.А., Соложенкин П.М. Влияниевозраста пузырька на время его флотационного прилипания ксиликатам бора // Доклады АН ТаджССР, 1963. Т.-6. - №8. - С.21-27.

25. Соложенкин П.М., Глембоцкий В.А., Котов В.А. Статистический метод определения оптимальных условий процесса обогащения полезных ископаемых // Доклады АН ТаджССР, 1963. Т.-6. - №2. - С.21-25.

26. Глембоцкий В.А., Соложенкин П.М., Гиацинтова К.В. Изучение влияния флотационных реагентов на электрокинетический потенциал силикатов бора // Известия АН ТаджССР, 1966. №4 (22). - С.45-57.

27. Бокий Г.Б. Введение в кристаллохимию. М.: Изд. МГУ, 1954. -С.28.

28. Буз Г., Мартин Д. Химия треххлористого бора. М.: ИЛ, 1955.30.