WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

4 – источник питания постоянного тока Instek SPS-1820; 5 – амперметр; и Al(OH)63–, была рассчитана зависимость относительной доли гидроксо6 – вольтметр; 7 – насосы; 8 – емкость со слабым раствором NaOH;

комплексов алюминия от рН раствора, которая представлена на рис. 2.

9 – емкость с исходным алюминатным раствором Из анализа рисунка следует, какой гидроксокомплекс алюминия сущестРис 1. Двухкамерный лабораторный электродиализатор с циркуляционвует при заданном значении рН. Так, например, при рН = 12 преимущестным контуром через анодную и катодную ячейки.

венно существует только ион Al(OH)63–, а ион Al(OH)3, проявляющий минимальную растворимость, будет существовать примерно при рН = 78.

Описаны методики анализа и выполнения экспериментальных исследований. В качестве объектов исследования выбраны алюминатные растворы – модельные и реальные. Модельные растворы готовились из реагентов квалификации ЧДА, реальные растворы представлены: концен9 Рис. 2 Зависимость относительной доли гидроксокомплексов алюминия от рН Данные рис. 2 удобнее представить в виде рис. 3:

Рис. 4 Зависимость логарифма растворимости Al2O3 (lgS) от рН Максимальная скорость осаждения, согласно принципам коллоидной химии (ДЛФО), будет наблюдаться в точке нулевого заряда (рНтнз).

Полученные теоретические выводы хорошо согласуются с экспеРис.3 Ионы вида Al(OH)n3-n, существующие в растворе, риментальными данными. Таким образом, понижая рН раствора различв зависимости от рН ными методами (в том числе электродиализом) можно добиться максимально полного осаждения гидроксида алюминия.

Проведен расчет зависимости растворимости Al2O3 от рН, для чеАналогично рассчитана и построена зависимость растворимости го требуется рассмотреть реакции взаимодействия Al2O3 с образованием NaAlO2 от рН, представленная на рис. различных ионов алюминия.

Рассмотрены реакции: Al2O3 + 6H+ = 2Al3+ + 3H2O; Al2O3 + 4H+ = 2Al(OH)2+ + H2O; Al2O3 + 2H+ + H2O = 2Al(OH)2+; Al2O3 + 3H2O = 2Al(OH)3;

Al2O3 + 5H2O = 2Al(OH)4– + 2H+; Al2O3 + 7H2O = 2Al(OH)52– + 4H+; Al2O3 + 9H2O = 2Al(OH)63– + 6H+. Для каждой реакции найдена зависимость рН от логарифма растворимости и построена суммарная кривая.

Полученная кривая представлена на рис. Получено, что при рН = 6,7 наблюдается минимальная растворимость – рНтнз (рН точки нулевого заряда), что соответствует отсутствию заряда на Al2O3.

При рН < рНтнз частицы Al2O3 имеют положительный заряд, а при рН > рНтнз – отрицательный заряд за счет абсорбции OH– групп.

Рис. 5 Зависимость логарифма растворимости NaAlO2 от рН 11 По мере понижения рН раствора, степень растворимости NaAlO2 На рис. 7 представлены результаты проведенного сопоставления постоянно понижается. Таким образом, применяя электродиализ для сни- экспериментальных и теоретических данных:

жения рН раствора, степень осаждения NaAlO2 будет возрастать.

Рассмотрены кинетические закономерности зародышеобразования, которое происходит при электродиализном осаждении гидроксида алюминия.

Учитывая положения теории Гилера и Сакса, в качестве теоретических моделей выбраны три варианта зародышеобразования:

1) Трехмерный рост зародышей с постоянной скоростью, который описывается уравнением:

(2) 1( ) 1 cosh cos 2 где ( ) – доля осажденного гидроксида алюминия 2) При случае зародышеобразования с постоянной скоростью и одномерном росте зависимость ( ) имеет вид:

2( ) 1 cos (3) Рис. 7 Сопоставление практических данных (точки) с теоретическими 3) Случай мгновенного зародышеобразования без разветвления кривыми разных моделей зародышеобразования.

при трехмерном росте:

(4) Сопоставив теоретические и экспериментальные данные (рис. 7), Графическое изображение теоретических зависимостей, описыполучим, что экспериментальные данные больше всего соответствуют ваемых уравнениями (2) – (4), представлена на рис. модели №3. Это означает, что в алюминатном растворе при протекании процесса электродиализа наблюдается мгновенное зародышеобразование без разветвления при трехмерном росте частиц.

Найденные математические закономерности позволяют представить схему механизма осаждения гидроксида алюминия при электродиализе:

образование димеров по уравнению (6):

Al(OH)4– + Al(OH)4– Al2(OH)7– + OH– (6) и тримеров (7):

Al(OH)4– + Al(OH)4– + Al(OH)4– Al3(OH)10– + 2OH– (7) или в общем виде по уравнению (8):

Рис. 6 Теоретические зависимости доли осаждения Al(OH) от безразмерного времени nAl(OH)4– Aln(OH)3n+1– + (n-1)OH– (8) 4. Использование электродиализа для разложения концентриЭкспериментальная кривая зависимости доли осаждения (t) рованных алюминатных растворов. Кривые электродиализного разлогидроксида алюминия ближе всего описываются зависимостью (5):

жения крепкого алюминатного раствора представлены на рис. 8:

(t) = 7,60110-5 – t3,49310-3 + t21,61410-5 – t31,31810-8 (5) 13 Смешанный цикл электродиализ + декомпозиция по сравнению с обычным циклом Байера обладает рядом преимуществ: наблюдается более глубокое разложение алюминатного раствора, отпадает необходимость в операции разбавления и, следовательно, предоставляется возможность работать с более концентрированными растворами. Суммарное время декомпозиции сокращается до 1015 часов. При осаждении гидроксида алюминия при ЗО = 1,5 и 30оС при постоянном перемешивании полнота его выделения достигла 70% за 6 часов при среднем размере частиц мкм. Меняя затравочное отношение и температуру осаждения гидроксида алюминия, можно получать глинозем разной крупности, в том числе и песчаный (со среднем размером частиц 80100 мкм), интерес к которому значительно возрос за последнее время.

5. Применение метода электродиализа для концентрирования Рис. 8 Зависимость концентрации щелочи в анодной камере слабых алюминатных растворов. В главе рассмотрено концентрироваот продолжительности электродиализа ние модельных щелочных и реальных алюминатных растворов глиноземного производства с помощью метода электродиализа, исследованы полуПри плотности тока равной 4 А/дм2 наблюдается сильное вспечаемые осадки и изучена возможность их использования в качестве сырья нивание раствора в анодной камере, температура раствора к концу продля синтеза коагулянтов – сульфата, оксосульфата и гидрооксихлорида цесса достигла 46оС (при начальной температуре 22,3оС). Сильный нагрев алюминия. В качестве продукта концентрирования получена чистая каураствора при плотности тока 4 А/дм2 снижает сроки работы мембран и стическая щелочь с концентрацией не менее 20%, что делает возможным ведет к перерасходу электроэнергии. При плотности тока в 1 А/дм2 скоее повторное применение в голове процесса.

рость перехода ионов Na+ из анодной камеры в катодную очень низка, На рис. 9 приводится зависимость плотности тока i от продолживследствие чего продолжительность процесса резко увеличивается. Потельности процесса электродиализа, необходимого для достижения конэтому оптимальной плотностью тока при разложении алюминатного расцентрации NaOH в катодной камере, равной 30 г/л. Чем больше анодная твора выбрана плотность тока около 2 А/дм2.

плотность тока, тем меньше времени требуется для достижения одинакоПорошки, полученные при разложении крепкого алюминатного вой концентрации NaOH в катодной камере, в интервале изменения плотраствора, имеют аморфную структуру. Подобное строение имеют осадки, ности тока от 2 до 4 А/м2 наблюдается практически линейная антибатная которые были высушены при комнатной температуре. Сушка же осадка зависимость плотности тока от времени – это означает, что скорость перенепосредственно после электродиализа при температурах выше 70оС в хода ионов Na+ из анодной камеры в катодную, а значит и скорость консушильном шкафу приводит к потере аморфного состояния.

центрирования щелочи, прямо пропорциональна плотности тока, подаваеПорошок, высушенный при комнатной температуре, при дальмого на электродиализную ячейку.

нейшем нагреве и выдержке в течение часа даже при 150оС сохраняет свои аморфные свойства.

Предложен метод разложения концентрированных алюминатных растворов методом электродиализа с последующей декомпозицией, что позволит сократить наиболее продолжительный процесс при производстве глинозема методом Байера – процесс декомпозиции («выкручивания») алюминатных растворов – разложение крепких алюминатных растворов с выделением в осадок гидроксида алюминия. Ускорение процесса декомпозиции возможно путем введения дополнительного передела – удаления части щелочи из маточного раствора методом электродиализа до границы его устойчивости (к=1,21,3) с дальнейшей декомпозицией раствора как при обычном разложении – введением активной затравки с целью более Рис. 9 Зависимость плотности тока i от времени достижения полного осаждения гидроксида алюминия.

концентрации NaOH в катодной камере 30 г/л 15 Для возврата оборотной щелочи в глиноземное производство не- Видно, что скорость концентрирования реальных и модельных обходимо, чтобы ее концентрация была не ниже 15% (150 г/л). растворов одинаковой концентрации практически совпадает.

На представленном ниже рис. 12 показана динамика электродиализного концентрирования щелочи в катодной камере из фильтрата ГОХА (г/л: Na2Oт – 32,7 (NaOH – 42,4); Na2Oк – 3,6; Al2O3 – 3,2) при разных плотностях тока. В анодную и катодные камеры заливался один и тот же раствор.

Рис.10 Зависимость концентрации щелочи в катодной камере от длительности электродиализа при плотность тока 2 А/дм2 (начальные концентрации щелочи в катодных камерах: 17,2 г/л и 167 г/л соответственно) Анализ рис. 10 показывает, что скорость перехода ионов Na+ в катодную камеру практически не зависит от начальной концентрации NaOH в катодной камере. Таким образом, концентрирование щелочи до 15% и более в катодной камере возможно и при этом скорость перехода ионов Na+ остается практически постоянной.

Рис. 12 Динамика электродиализного концентрирования щелочи в катодПутем многократного повторения концентрирования исходного ной камере из фильтрата ГОХА при разных плотностях тока раствора, заливаемого в анодную камеру (или обеспечив циркуляцию раствора через анодную камеру), в катодной камере можно получить щелочИз рисунка видно, что скорость достижения одинаковой конценной раствор крепостью от 150 г/л NaOH и выше, который можно повторно трации NaOH в катодной камере в интервале изменения плотности тока использовать в технологии производства глинозема.

практически линейно зависит от времени, как и при концентрировании Ниже, на рис. 11, представлены зависимости концентрирования модельных растворов.

подшламовой воды (г/л: Na2Oт – 13,3 (NaOH –17,2) ;Na2Oк – 3,2; Al2O3 – Проведены исследования по концентрированию реальных раство1,7) и модельного раствора с одинаковой начальной концентрацией по ров на электродиализаторе с циркуляционным контуром. При концентращелочи –17,2 г/л NaOH при разных плотностях тока. В анодную и катодции фильтрата с участка производства ГОХА ОАО «Бокситогорский глиные камеры заливались одни и те же растворы.

ноземный завод» с помощью насосов растворы прокачивались через катодный (0,5 л раствора натриевой щелочи с концентрацией 1,6 г/л для создания электропроводности) и анодный объемы ячейки (2,5 л) со скоростью 0,1 л/мин. При плотность тока 4 А/дм2 разность потенциалов составляла 8,2 В. Через 2,5 часа работы в растворе, циркулирующем через катодный объем была найдена только каустическая щелочь Na2О – 41 г/л, общий объем раствора с учетом объема ячейки составил 0,65 л. Работа, совершаемая током, составила 576 кДж (160 Втчас). Общие энергетические затраты на обработку 1 м3 фильтрата производства ГОХА требуют кВтчас электроэнергии, на выделение одного килограмма Na2Oк затрачивается 6,3 кВтчас электроэнергии.

Общий объем реальной подшламовой воды при электродиализРис.11 Зависимость концентрации щелочи в катодной камере ном концентрировании (состава г/л: Na2Oт – 3; Na2Oк – 2; Al2O3 – 1,5; SOот продолжительности электродиализа.

17 – 5,3), циркулирующей через анодную камеру электродиализатора, со- зования и осаждения, меньше понижает кислотность воды, что позволит ставлял 2 л. Объем раствора, циркулирующего через катодный объем – сократить расход или вовсе исключить необходимость использования 0,26 л. При плотности тока 4 А/дм2 и напряжении 10 вольт через 40 минут подщелачивающих средств.

подшламовая вода стала нейтральной (рН=6,6), алюминий выделился в 6. Технология промышленного электродиализа и оценка техвиде гидроксида, что хорошо согласуется с результатами теоретического нико-экономической эффективности переработки подшламовых вод расчета зависимости растворимости Al2O3 от рН раствора, где показано, методом электродиализа. В качестве основного оборудования – электрочто минимальная растворимость Al2O3 наблюдается при рН = 6,7 – рН диализаторов – были выбраны электродиализаторы типа «Родник», произточки нулевого заряда. Концентрация чистой щелочи в катодном растворе водимые на Алма-атинском электромеханическом заводе (АЭМЗ) и ПО составила 22,1 г/л. В анодном пространстве был получен нейтральный «Тамбовмаш» и предназначенные для обессоливания воды с начальным раствор сульфата натрия, который не представляет экологической опасно- солесодержанием 46 г/л.

сти и легко утилизируется. Работа, совершаемая током, составила 192 кДж Принципиальная аппаратурно-технологическая схема электро(53 Втчас). Затраты на обработку 1 м3 раствора составляют 25,2 кВтчас диализного концентрирования подшламовой воды представлена на рис.13:

электроэнергии, на выделение 1 кг Na2Oк затрачивается 9,3 кВтчас элек- троэнергии. Выход по току в течение электродиализа во всех опытах в начале процесса составлял около 90%, к концу процесса его значение доходило до 6067%. Столь высокий выход по току и высокая скорость перехода ионов Na+ из анодной камеры в катодную при достаточно слабом нагреве растворов (не более 811оС за время проведения электродиализа) говорит о том, что для концентрирования слабых алюминатных растворов оптимальной плотностью тока будет плотность тока равная 34 А/дм2.

Карбонатная щелочь при электродиализном концентрировании полностью перешла в каустическую, что является большим плюсом метода электродиализа, т.к. для возврата в производство необходим щелочной раствор, состоящий именно из каустика. При выпарке переход карбонатной щелочи в каустическую не наблюдается.

Исследование осадков электродиализного концентрирования слабых алюминатных растворов показали, что они имеют разное строение:

аморфное – в случае электродиализа фильтрата ГОХА и с преобладанием байерита в случае электродиализа подшламовой воды.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»