ПЕРЕРАБОТКА СЕРНОКИСЛЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АММИАКА
|
Актуальность работы. Современное развитие промышленного производства связанно с возрастающим потреблением цветных металлов. Неизбежное истощение природных ресурсов обязывает переходить к более совершенному использованию вторичного сырья и техногенных образований. Проблема рецикла никеля обусловлена сферой его потребления и сроком службы изделий.
Потребление никеля для производства сталей и сплавов на его основе представляет во времени цикл определяемый десятками лет. Вопросы сбора и повторного использования никельсодержащих отходов этого аспекта можно считать удовлетворительно разрешенными. Переработка таких отработавших свой срок изделий не представляет трудности и успешно реализуется по всему миру. Больший интерес представляют изделия и материалы, имеющие короткий срок службы, возврат которых в сферу потребления менее длительный. Примером таких изделий и материалов могут служить катализаторы, щелочные аккумуляторы, отработанные травильные растворы и шламы гальваники, хвостовые маточные растворы медеэлектролитных заводов.
Большинство гидрометаллургических способов переработки никельсодержащих продуктов основано на растворении в серной кислоте. Неизбежный избыток обусловлен кинетикой процесса, а для хвостовых маточных растворов избыток кислоты усугублен присутствием большого количества примесных компонентов.
Большой избыток серной кислоты в традиционных процессах производства никелевого купороса в режиме упарки ведет к получению высокогигроскопичного продукта, что исключает его хранение и транспортировку. Высокое содержание примесей усложняет процесс получения продукта удовлетворительной чистоты. Выпарка растворов с большим избытком серной кислоты требует специального дорогостоящего оборудования и больших энергетических затрат. Таким образом, система N1804 - Н28О4 в присутствии примесных компонентов представляет собой научно-техническую проблему.
Цель работы. Научное обоснование и поиск технических решений проблемы рецикла никеля в сфере его производства и потребления.
В соответствии с поставленной целью изучению подлежат следующие ее аспекты:
- система N1804 - Н28О4 в присутствии примесных компонентов;
- синтез аммонийного сульфата никеля и его фракционирование в восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом;
- исследование и реализация процесса изогидрической кристаллизации двойной аммонийной соли никеля;
- твердофазная конверсия никель-аммоний сернокислого в гидроксид никеля (II);
Научная новизна
1. Установлены особенности захвата примесных компонентов двойной аммонийной солью никеля в процессе ее синтеза и последующей кристаллизации. Гидратные формы железа и мышьяк представляют механическую смесь с кристаллами двойной соли. Цинк, медь, кобальт склоны к образованию собственных двойных солей, изоморфных с никелевым макрокомпонентом.
2. Впервые опробован процесс разделения неизоморфных примесных компонентов от кристаллической фазы двойной аммонийной соли никеля с использованием восходящего потока с переменным гидродинамическим режимом.
3. Предложен непрерывный способ получения гидроксида никеля (II) кристаллической структуры прямой конверсией двойной никелевой соли в щелочном растворе с возможностью изменения полной удельной поверхности в широких пределах.
Практическая значимость работы
Обоснованы принципы рецикла никеля в сфере производства и потребления, обеспечивающие решение сырьевых и экологических проблем.
- предложен способ переработки никельсодержащих техногенных растворов с извлечением никеля в продукт более 95 %.
- синтез гидроксида никеля методом твердофазной конверсии сокращает общий цикл производства более чем в два раза.
- применение восходящего потока с переменным гидродинамическим режимом позволяет с высокой эффективностью разделить аморфную и кристаллическую фазу в одну стадию процесса.
На защиту выносятся:
- научные основы технологии комплексной переработки никельсодержащих растворов;
- результаты исследования процесса фракционирования кристаллической двойной соли никеля от примесных компонентов в восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом и изогидрической противоточной перекристаллизации;
- результаты исследования твердофазной конверсии гидроксида никеля (II) из двойной аммонийной соли никеля;
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXI Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2011), XII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри, 2011), II Международной Казахстанско- Российской конференции по химии и химической технологии (Караганда, 2012).
Публикации. По результатам работы опубликовано 8 статей, в том числе 2 в рецензируемых научных журналах, получено 2 патента.
Личный вклад. Сформулированы задачи исследования. Проведены экспериментальные исследования синтеза двойной аммонийной соли никеля, разделения полученной суспензии на аморфную и кристаллическую составляющие, фракционной кристаллизации полученной двойной аммонийной соли никеля, твердофазного синтеза гидроксида никеля (II) на основе двойной соли никеля.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований. Работа изложена на 115 страницах, содержит 31 рисунок и 22 таблицы.
Благодарности.
Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту к.т.н., доценту Низову В.А. за всестороннюю поддержку, помощь в планировании и обсуждении научных результатов, и помощь в подготовке диссертационной работы.
Потребление никеля для производства сталей и сплавов на его основе представляет во времени цикл определяемый десятками лет. Вопросы сбора и повторного использования никельсодержащих отходов этого аспекта можно считать удовлетворительно разрешенными. Переработка таких отработавших свой срок изделий не представляет трудности и успешно реализуется по всему миру. Больший интерес представляют изделия и материалы, имеющие короткий срок службы, возврат которых в сферу потребления менее длительный. Примером таких изделий и материалов могут служить катализаторы, щелочные аккумуляторы, отработанные травильные растворы и шламы гальваники, хвостовые маточные растворы медеэлектролитных заводов.
Большинство гидрометаллургических способов переработки никельсодержащих продуктов основано на растворении в серной кислоте. Неизбежный избыток обусловлен кинетикой процесса, а для хвостовых маточных растворов избыток кислоты усугублен присутствием большого количества примесных компонентов.
Большой избыток серной кислоты в традиционных процессах производства никелевого купороса в режиме упарки ведет к получению высокогигроскопичного продукта, что исключает его хранение и транспортировку. Высокое содержание примесей усложняет процесс получения продукта удовлетворительной чистоты. Выпарка растворов с большим избытком серной кислоты требует специального дорогостоящего оборудования и больших энергетических затрат. Таким образом, система N1804 - Н28О4 в присутствии примесных компонентов представляет собой научно-техническую проблему.
Цель работы. Научное обоснование и поиск технических решений проблемы рецикла никеля в сфере его производства и потребления.
В соответствии с поставленной целью изучению подлежат следующие ее аспекты:
- система N1804 - Н28О4 в присутствии примесных компонентов;
- синтез аммонийного сульфата никеля и его фракционирование в восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом;
- исследование и реализация процесса изогидрической кристаллизации двойной аммонийной соли никеля;
- твердофазная конверсия никель-аммоний сернокислого в гидроксид никеля (II);
Научная новизна
1. Установлены особенности захвата примесных компонентов двойной аммонийной солью никеля в процессе ее синтеза и последующей кристаллизации. Гидратные формы железа и мышьяк представляют механическую смесь с кристаллами двойной соли. Цинк, медь, кобальт склоны к образованию собственных двойных солей, изоморфных с никелевым макрокомпонентом.
2. Впервые опробован процесс разделения неизоморфных примесных компонентов от кристаллической фазы двойной аммонийной соли никеля с использованием восходящего потока с переменным гидродинамическим режимом.
3. Предложен непрерывный способ получения гидроксида никеля (II) кристаллической структуры прямой конверсией двойной никелевой соли в щелочном растворе с возможностью изменения полной удельной поверхности в широких пределах.
Практическая значимость работы
Обоснованы принципы рецикла никеля в сфере производства и потребления, обеспечивающие решение сырьевых и экологических проблем.
- предложен способ переработки никельсодержащих техногенных растворов с извлечением никеля в продукт более 95 %.
- синтез гидроксида никеля методом твердофазной конверсии сокращает общий цикл производства более чем в два раза.
- применение восходящего потока с переменным гидродинамическим режимом позволяет с высокой эффективностью разделить аморфную и кристаллическую фазу в одну стадию процесса.
На защиту выносятся:
- научные основы технологии комплексной переработки никельсодержащих растворов;
- результаты исследования процесса фракционирования кристаллической двойной соли никеля от примесных компонентов в восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом и изогидрической противоточной перекристаллизации;
- результаты исследования твердофазной конверсии гидроксида никеля (II) из двойной аммонийной соли никеля;
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXI Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2011), XII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри, 2011), II Международной Казахстанско- Российской конференции по химии и химической технологии (Караганда, 2012).
Публикации. По результатам работы опубликовано 8 статей, в том числе 2 в рецензируемых научных журналах, получено 2 патента.
Личный вклад. Сформулированы задачи исследования. Проведены экспериментальные исследования синтеза двойной аммонийной соли никеля, разделения полученной суспензии на аморфную и кристаллическую составляющие, фракционной кристаллизации полученной двойной аммонийной соли никеля, твердофазного синтеза гидроксида никеля (II) на основе двойной соли никеля.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований. Работа изложена на 115 страницах, содержит 31 рисунок и 22 таблицы.
Благодарности.
Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту к.т.н., доценту Низову В.А. за всестороннюю поддержку, помощь в планировании и обсуждении научных результатов, и помощь в подготовке диссертационной работы.
1. Система сульфат никеля - серная кислота представляет большой научно-практический интерес для решения проблемы рецикла никеля в сфере его производства и потребления. Круг интересов охватывает производство щелочных аккумуляторов, медеэлектролитных заводов, гальванических участков машиностроения, производства катализаторов.
Для реализации разработанных технических решений использованы хвостовые маточные растворы медеэлектролитных заводов, представляющие наиболее широкий спектр по составу примесных компонентов.
2. В процессе синтеза и кристаллизации двойной аммонийной соли никеля железо (III) и мышьяк при достижении рН раствора 1,2 образуют собственную фазу, представленную арсенатом железа аморфной структуры. При значении рН более 2,5 в аморфную фазу переходят соединения меди и цинка. Образовавшаяся аморфная фаза представляет механическую смесь с кристаллами двойной соли никеля.
В условиях сильнокислой среды, когда образование аморфных осадков невозможно, захват примесей меди, цинка, железа (II), кобальта и магния обусловлен замещением катиона никеля в кристалле двойной соли. Содержание примесей в кристалле имеет прямую зависимость от степени кристаллизации. При этом содержание примесей имеет не постоянный характер, а уменьшается от периферии кристалла к центру. Изоморфный механизм захвата примесей наиболее полно описывается законом Дернера-Хоскинса.
3. Предложенное техническое решение - обработка растворов аммиачной водой в режиме синтеза двойной соли с последующим фракционированием, позволило достичь высоких показателей по извлечению никеля с одновременной эффективной очисткой от примесных компонентов. При этом степень извлечения никеля тем выше, чем выше исходное содержание свободной серной кислоты в растворе.
4. Разделение аморфной и кристаллической фаз на фракции в восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом с применением пульсационных колонн позволяет наиболее полно разделить механическую смесь на составляющие. Метод оказался эффективным как для очистки двойной соли, так и для фракционирования осадка гидроксида никеля (II). В последнем случае расход промывных вод снижен более чем в три раза.
5. Выявлена зависимость формы образующегося в процессе твердофазной конверсии гидроксида никеля (II) от концентрации щелочного реагента в растворе. Варьированием щелочности раствора может быть получен продукт с широким диапазоном полной удельной поверхности (25-150 м2/гр.).
6. Для получения плотного сферического гидроксида никеля необходимо использование комплексообразователя, в качестве которого могут быть использованы аммонийные соединения.
7. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии ТОО «Кастинг» (Казахстан). Конечный вариант технологической схемы, позволяющий достигнуть извлечения никеля на уровне 90 %, принят заказчиком в виде технического задания на проектирование.
Для реализации разработанных технических решений использованы хвостовые маточные растворы медеэлектролитных заводов, представляющие наиболее широкий спектр по составу примесных компонентов.
2. В процессе синтеза и кристаллизации двойной аммонийной соли никеля железо (III) и мышьяк при достижении рН раствора 1,2 образуют собственную фазу, представленную арсенатом железа аморфной структуры. При значении рН более 2,5 в аморфную фазу переходят соединения меди и цинка. Образовавшаяся аморфная фаза представляет механическую смесь с кристаллами двойной соли никеля.
В условиях сильнокислой среды, когда образование аморфных осадков невозможно, захват примесей меди, цинка, железа (II), кобальта и магния обусловлен замещением катиона никеля в кристалле двойной соли. Содержание примесей в кристалле имеет прямую зависимость от степени кристаллизации. При этом содержание примесей имеет не постоянный характер, а уменьшается от периферии кристалла к центру. Изоморфный механизм захвата примесей наиболее полно описывается законом Дернера-Хоскинса.
3. Предложенное техническое решение - обработка растворов аммиачной водой в режиме синтеза двойной соли с последующим фракционированием, позволило достичь высоких показателей по извлечению никеля с одновременной эффективной очисткой от примесных компонентов. При этом степень извлечения никеля тем выше, чем выше исходное содержание свободной серной кислоты в растворе.
4. Разделение аморфной и кристаллической фаз на фракции в восходящем потоке с переменным гидродинамическим режимом с применением пульсационных колонн позволяет наиболее полно разделить механическую смесь на составляющие. Метод оказался эффективным как для очистки двойной соли, так и для фракционирования осадка гидроксида никеля (II). В последнем случае расход промывных вод снижен более чем в три раза.
5. Выявлена зависимость формы образующегося в процессе твердофазной конверсии гидроксида никеля (II) от концентрации щелочного реагента в растворе. Варьированием щелочности раствора может быть получен продукт с широким диапазоном полной удельной поверхности (25-150 м2/гр.).
6. Для получения плотного сферического гидроксида никеля необходимо использование комплексообразователя, в качестве которого могут быть использованы аммонийные соединения.
7. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии ТОО «Кастинг» (Казахстан). Конечный вариант технологической схемы, позволяющий достигнуть извлечения никеля на уровне 90 %, принят заказчиком в виде технического задания на проектирование.