Лужне вилуговування ільменітового концентрату Іршанського родовища

Ескіз

Файли

Pysarenko_dys.pdf (5.75 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Чигиринець, Олена Едуардівна

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Писаренко С.В. Лужне вилуговування ільменітового концентрату Іршанського родовища. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 Хімічні технології та інженерія (галузь знань 16 Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Мінерально-сировинна база України включає цінні поклади титанових руд, які зокрема представлені континентальними розсипами ільменіту, що останніми роками активно розробляються. Значна частина ільменітової руди видобувається на території нашої країни, належить до Іршанського родовища. Ільменітова руда є важливим природним ресурсом та має значний потенціал для використання в різних галузях промисловості. Розвиток видобутку і обробки цієї руди може сприяти економічному зростанню та розвитку регіону. Зразки ільменіту Іршанського родовища досліджено за допомогою методу скануючої електронної мікроскопії з рентгеноспектральним елементним мікроаналізом та встановлено, що досліджена руда має унікальний склад, який відрізняє її від всіх інших, що відомі в науково-технічній літературі. Тому для даної руди необхідно визначити оптимальний спосіб переробки для максимального виходу продуктів переробки. Аналіз науково-технічної літератури показав, що до основних способів переробки ільменіту належать кислотні, зокрема хлоридний та сульфатний. Але кожен з цих способів модифікується та оптимізується відповідно до складу вихідної сировини для максимальної ефективності переробки. Крім основних способів, які використовуються протягом тривалого часу і впроваджені в промислових масштабах, останніми роками більше розвиваються напрямки альтернативних способів переробки, такі як лужне вилуговування, вилуговування слабкими кислотами, такими як ортофосфатна, лимонна, оксалатна. Вибір способу переробки ільменіту залежить від багатьох факторів, серед яких хімічний та мінералогічний склад сировини, галузі використання утворених продуктів, екологічні та економічні аспекти виробничого процесу. Науково-технічна література, яка була опрацьована в рамках проведення дисертаційного дослідження дозволяє стверджувати те, що на даний момент розвитку науки в галузі переробки титанвмісної сировини недостатньо вивченими залишаються спосіб та умови, що стосуються ільменітової руди Іршанського родовища. Тому визначення способу переробки та оптимальних умов хіміко-технологічного процесу переробки ільменіту даного родовища є актуальним завданням, вирішення якого створить передумови для розвитку промисловості в даному регіоні. Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесу переробки ільменітового концентрату Іршанського родовища альтернативним способом лужного вилуговування, встановленню оптимальних умов даного процесу, визначенню можливостей застосування одержаного кінцевого та проміжних продуктів, що утворюються в результаті хімічної взаємодії мінеральної сировини та калій гідроксиду. Для того, щоб досягнути мету, що поставлена в даній роботі, необхідно було виконати ряд завдань : дослідити хімічний та мінералогічний склад зразків ільменіту Іршанського родовища; дослідити вплив різних факторів на процес лужного вилуговування, а саме розміру частинок мінеральної сировини, кількісного співвідношення між вихідними компонентами, зміни температурного та часового режимів, для того щоб оптимізувати процес переробки ільменіту; визначити кінетичні та термодинамічні параметри проведення процесу лужного вилуговування ільменіту, визначити умови проведення процесу переробки ільменіту способом лужного вилуговування та розробити технологічну схему; визначити можливі сфери використання кінцевих та проміжних продуктів процесу лужного вилуговування ільменіту. В результаті проведених термодинамічних розрахунків за реакціями, що протікають під час процесів лужного вилуговування ільменіту калій та натрій гідроксидом, вперше встановлено, що утворення калій титанату є енергетично вигіднішим ніж утворення натрій титанату, що також підтверджено експериментально. За результатами проведених експериментальних досліджень, що спрямовані на визначення впливу різних факторів на процес лужного вилуговування ільменіту встановлено, що максимального значення ступінь вилучення титану(ІV) досягається при використанні мінеральної сировини з середнім діаметром частинок 71 мкм. Даний фактор досліджено за мольного співвідношення між вихідними компонентами 1:2 за температури 453 К протягом 3 годин. Крім того, також експериментально встановлено, що для зразків ільменіту Іршанського родовища оптимальним мольним співвідношенням між вихідними компонентами в реакціях лужного вилуговування є 1:2. Збільшення кількості лугу у вихідній суміші до мольного співвідношення 1:6 підвищує ступінь вилучення титану(ІV) до 90 %, але значна кількість калій гідроксиду залишається після реакції у вигляді незадіяного реагенту, також ускладнюється процес очистки утвореного продукту. Встановлено, що оптимальний час взаємодії між вихідними компонентами (ільменіт, калій гідроксид) становить 3 години, саме за такого часового проміжку досягається максимальний ступінь вилучення титан(ІV). Подальше нагрівання реакційної суміші не збільшує вихід. Одним з важливих параметрів гетерогенних процесів є температурний режим, тому для лужного вилуговування ільменіту встановлено, що оптимальним значенням температури є 453 К. За температур, що є вищими 453 К реакція також відбувається, але ступінь вилучення при цьому збільшується лише максимум на 4 %. Тому підвищення температури є невиправданим з економічної точки зору. В рамках дисертаційного дослідження визначено механізм лужного вилуговування ільменіту калій гідроксидом за результатами експериментальних досліджень часових залежностей відповідно до кінетичних рівнянь, що використовуються для опису гетерогенних процесів (псевдо-першого та псевдо-другого порядків, Яндера, ГінстлінгаБроунштейна, Журавльова-Лесохіна-Темпельмана, Єрофєєва-Авраама та "стисненої сфери"). Процес вилуговування найбільш вдало описується швидкістю взаємодії компонентів відповідно до моделі "стисненої сфери" з лімітуючою стадією хімічної реакції (R 2 = 0,9728). Проведені експериментальні та теоретичні дослідження дозволяють розробити оптимальну технологічну схему для проведення процесу лужного вилуговування ільменіту з метою одержання калій титанату. Калій титанат, одержаний за допомогою лужного вилуговування ільменіту калій гідроксидом, очищували від непрореагових залишків та побічних продуктів реакції за допомогою розробленої методики з використанням етилового спирту. Проведені дослідження елементного складу очищеного зразку вказують на те, що вміст домішок не перевищує 5 %, тож можна стверджувати про ефективність використання даної методики. Одержаний калій титанат методом лужного вилуговування вперше використали в якості фотокаталізатору для процесу деструкції барвників у водних розчинах. Проведені експериментальні дослідження процесів адсорбції барвників метиленового синього та конго червоного показали, що калій титанат проявляє кращі адсорбційні властивості в порівнянні з немодифікованим титан діоксидом. Крім того встановлено, що процес адсорбції метиленового синього поверхнею калій титанату відбувається краще в порівнянні зі значеннями адсорбції конго червоного. Даний факт можна пояснити тим, що досліджувані барвники належать до різних типів і в розчинах дисоціюють з утворенням різнойменно заряджених йонів. Також встановлено кінетичну модель процесу адсорбції барвників з водних розчинів поверхнею калій титанату. Відповідно до визначеної моделі (псевдо-другого порядку) механізм адсорбції полягає у електростатичній взаємодії між функціональними групами поверхонь адсорбентів та молекулами барвника в розчині, проте процес адсорбції на межі поділу фаз «адсорбат-адсорбент» є лімітуючою стадією. В результаті проведених досліджень встановлено, що збільшення маси адсорбенту для проведення процесу адсорбції барвників з водних розчинів суттєво не збільшує значення адсорбції, тому доцільним є використання 25 мг калій титанату для 1 л розчину. Також визначено, що поверхня калій титанату має більшу спорідненість для адсорбції метиленового синього з розчину в порівнянні з поверхнею немодифікованого титан діоксиду, порівняння даного параметру для процесу адсорбції конго червоного також підтверджує цей факт, хоча числове значення є на декілька порядків нижче. Остання закономірність пов’язана з тим, що метиленовий синій належить до барвників катіонного типу, а конго червоний – аніонного типу. Розраховані значення енергії адсорбції дозволяють стверджувати те, що на поверхні адсорбенту калій титанату адсорбція молекул барвника відбувається фізично. Проведені вперше експериментальні дослідження фотокаталітичної деструкції барвників метиленового синього та конго червоного показали, що конго червоний належить до того типу барвників, які не руйнуються під дією ультрафіолевого опромінення в присутності калій титанату як фотокаталізуючого агенту. В свою чергу калій титанат за аналогічних умов руйнує метиленовий синій, що може вказувати на його перспективність у використанні для процесів фотодеструкції даного барвника. В дисертаційній роботі теоретично та експериментально обґрунтовано технологічно доцільні умови проведення процесу лужного вилуговування ільменіту Іршанського родовища, розроблено технологічну схему процесу одержання калій титанату за допомогою даного способу переробки ільменітового концентрату та очищення кінцевого продукту, а також дослідженні адсорбційні та фотокаталітичні властивості калій титанату щодо водних розчинів барвників різних типів (метиленового синього та конго червоного).

Опис

Ключові слова

мінеральна сировина, ільменіт, вилуговування, титанвмісні сполуки, калій титанат, титан діоксид, хімічна кінетика, адсорбція, фотокаталіз, фотокаталітична деструкція, метиленовий синій, барвники, mineral raw materials, ilmenite, leaching, titanium-containing compounds, potassium titanate, titanium dioxide, chemical kinetics, adsorption, photocatalysis, photocatalytic destruction, methylene blue, dyes

Бібліографічний опис

Писаренко, С. В. Лужне вилуговування ільменітового концентрату Іршанського родовища : дис. … д-ра філософії : 161 Хімічні технології та інженерія / Писаренко Сніжана Василівна. – Київ, 2023. – 159 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63626

DOI

Зібрання

Дисертації (ФХ)
Дисертації (вільний доступ)