Лужне вилуговування ільменітового концентрату Іршанського родовища
| dc.contributor.advisor | Чигиринець, Олена Едуардівна | |
| dc.contributor.author | Писаренко, Сніжана Василівна | |
| dc.date.accessioned | 2024-01-09T14:27:01Z | |
| dc.date.available | 2024-01-09T14:27:01Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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). | uk |
| dc.description.abstractother | Pysarenko S.V. Alkaline leaching of ilmenite concentrate of Irshansk deposit. – Dissertation, the manuscript. Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy in the specialty 161 Chemical Technologies and Engineering. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2023. Ukrainian mineral resource base includes valuable titanium ore deposits, including continental ilmenite deposits, which have been actively developed in recent years. A significant portion of ilmenite ore is mined in our country and belongs to the Irshansk deposit. Ilmenite ore is an important natural resource and has significant potential for use in various industries. The development of mining and processing of this ore can contribute to the economic growth and development of the region. The samples of ilmenite from Irshansk deposit have been studied by scanning electron microscopy with X-ray elemental microanalysis and it has been found that the studied ore has a unique composition that distinguishes it from all others known in the scientific and technical literature. Therefore, it is necessary to determine the optimal processing method for this ore to maximize the yield of processing products. An analysis of the scientific and technical literature has shown that the main methods of processing ilmenite include acid, including chloride and sulfate. However, each of these methods is modified and optimized according to the composition of the feedstock to maximize processing efficiency. In addition to the main methods that have been used for a long time and implemented on an industrial scale, alternative processing methods, such as alkaline leaching, leaching with weak acids such as orthophosphate, citric, and oxalic, have been developing in recent years. The choice of processing method for ilmenite depends on many factors, including the chemical and mineralogical composition of the raw material, the applications for the products, and the environmental and economic aspects of the production process. The scientific and technical literature has reviewed in the framework of this dissertation study suggests that at the current stage of development of science in the field of processing titanium-containing raw materials, the method and conditions related to the irmenite ore of the Irshansk deposit remain insufficiently studied. Therefore, determining the processing method and optimal conditions for the chemical and technological process of processing ilmenite from this deposit is an urgent task, the solution of which will create the preconditions for the development of industry in this region. The thesis is devoted to the study of the process of processing ilmenite concentrate from the Irshansk deposit by an alternative alkaline leaching method, establishing the optimal conditions for this process, determining the possibilities of using the final and intermediate products obtained as a result of the chemical interaction of mineral raw materials and potassium hydroxide. In order to achieve the goal set in this work, it is necessary to fulfill a number of tasks: - to investigate the chemical and mineralogical composition of samples of ilmenite from Irshansk deposit; - to study the influence of various factors on the process of alkaline leaching, namely the size of particles of mineral raw materials, the quantitative ratio between the initial components, changes in temperature and time regimes in order to optimize the process of processing ilmenite; - to determine the kinetic and thermodynamic parameters of the process of alkaline leaching of ilmenite; - to determine the optimal conditions for the process of processing ilmenite by alkaline leaching and to develop a technological scheme. The thermodynamic calculations of the reactions during the alkaline leaching of ilmenite with potassium and sodium hydroxide revealed for the first time that the formation of potassium titanate is more energy efficient than the formation of sodium titanate, which has been also confirmed experimentally. According to the results of experimental studies aimed at determining the influence of various factors on the process of alkaline leaching of ilmenite, it has been found that the maximum value of the degree of titanium(IV) extraction is achieved when using mineral raw materials with an average particle diameter of 71 m. This factor has investigated at a molar ratio of 1:2 between the starting components at a temperature of 453 K for 3 hours. In addition, it has also been experimentally established that for samples of ilmenite from the Irshansk deposit, the optimal molar ratio between the starting components in alkaline leaching reactions is 1:2. An increase in the amount of alkali in the initial mixture to a molar ratio of 1:6 increases the degree of titanium(IV) recovery to 90 %, but a significant amount of potassium hydroxide remains after the reaction as an unused reagent, and the process of purification of the resulting product is also complicated. It has been found that the optimal time of interaction between the initial components (ilmenite, potassium hydroxide) is 3 hours, which is the time interval at which the maximum degree of titanium(IV) extraction is achieved. Further heating of the reaction mixture does not increase the yield. One of the important parameters of heterogeneous processes is the temperature regime, so for the alkaline leaching of ilmenite, it has been found that the optimal temperature is 453 K . At temperatures above 453 K, the reaction also occurs, but the degree of recovery increases by a maximum of 4%. Therefore, increasing the temperature is not economically justified. This dissertation study determins the mechanism of alkaline leaching of ilmenite with potassium hydroxide based on the results of experimental studies of time dependencies in accordance with the kinetic equations used to describe heterogeneous processes (pseudo-first and pseudo-second orders, Yander, HinstlingBrownstein, Zhuravlev-Lesokhin-Tempelman, Erofeev-Avraham, and "compressed sphere"). The leaching process is most successfully described by the rate of interaction of components in accordance with the "compressed sphere" model with a limiting stage of the chemical reaction (R 2 = 0.9728). The experimental and theoretical studies have made it possible to develop an optimal technological scheme for the alkaline leaching of ilmenite to produce potassium titanate. Potassium titanate, obtained by alkaline leaching of ilmenite with potassium hydroxide, has been purified from unreacted residues and reaction by-products by the developed method using ethyl alcohol. The elemental composition of the purified sample shows that the content of impurities does not exceed 5 %, so we can assert the effectiveness of this method. The potassium titanate obtained by alkaline leaching has been used for the first time as a photocatalyst for the destruction of dyes in aqueous solutions. Experimental studies of the adsorption processes of methylene blue and congo red dyes have shown that potassium titanate exhibits better adsorption properties than unmodified titanium dioxide. In addition, it has been found that the adsorption of methylene blue by the surface of potassium titanate is better compared to the adsorption values of Congo red. This fact can be explained by the fact that the studied dyes belong to different types and dissociate in solutions with the formation of differently charged ions. The kinetic model of the adsorption of dyes from aqueous solutions by the surface of potassium titanate has been also established. According to the defined model (pseudo-second order), the adsorption mechanism is based on the electrostatic interaction between the functional groups of the adsorbent surfaces and the dye molecules in solution, but the adsorption process at the adsorbate-adsorbent interface is the limiting stage. As a result of the studies, it is found that increasing the mass of the adsorbent for the adsorption of dyes from aqueous solutions does not significantly increase the adsorption value, so it is advisable to use 25 mg of potassium titanate for 1 liter of solution. It has also been determined that the surface of potassium titanate has a higher affinity for the adsorption of methylene blue from solution compared to the surface of unmodified titanium dioxide; comparison of this parameter for the adsorption of congo red also confirms this fact, although the numerical value is several orders of magnitude lower. The latter pattern is related to the fact that methylene blue is a cationic dye, and congo red is an anionic dye. The calculated values of the adsorption energy suggest that the adsorption of dye molecules on the surface of the potassium titanate adsorbent occurs physically. The first experimental studies of the photocatalytic degradation of methylene blue and congo red dyes have shown that congo red belongs to the type of dyes that do not degrade under UV irradiation in the presence of potassium titanate as a photocatalyzing agent. In its turn, potassium titanate destroys methylene blue under similar conditions, which may indicate its prospects for use in the photodestruction of this dye. The dissertation theoretically and experimentally substantiates the optimal conditions for the alkaline leaching of ilmenite from the Irshansk deposit, develops a technological scheme for the process of obtaining potassium titanate using this method of processing ilmenite concentrate and purifying the final product, and studies the adsorption and photocatalytic properties of potassium titanate in relation to aqueous solutions of various types of dyes (methylene blue and congo red). | uk |
| dc.format.extent | 159 с. | uk |
| dc.identifier.citation | 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. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63626 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | мінеральна сировина | uk |
| dc.subject | ільменіт | uk |
| dc.subject | вилуговування | uk |
| dc.subject | титанвмісні сполуки | uk |
| dc.subject | калій титанат | uk |
| dc.subject | титан діоксид | uk |
| dc.subject | хімічна кінетика | uk |
| dc.subject | адсорбція | uk |
| dc.subject | фотокаталіз | uk |
| dc.subject | фотокаталітична деструкція | uk |
| dc.subject | метиленовий синій | uk |
| dc.subject | барвники | uk |
| dc.subject | mineral raw materials | uk |
| dc.subject | ilmenite | uk |
| dc.subject | leaching | uk |
| dc.subject | titanium-containing compounds | uk |
| dc.subject | potassium titanate | uk |
| dc.subject | titanium dioxide | uk |
| dc.subject | chemical kinetics | uk |
| dc.subject | adsorption | uk |
| dc.subject | photocatalysis | uk |
| dc.subject | photocatalytic destruction | uk |
| dc.subject | methylene blue | uk |
| dc.subject | dyes | uk |
| dc.subject.udc | 66.061.34:661.882:553.494(477.42)(043.3) | uk |
| dc.title | Лужне вилуговування ільменітового концентрату Іршанського родовища | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Pysarenko_dys.pdf
- Розмір:
- 5.75 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: