СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ И АКТИВАЦИИ ДИАТОМИТА
METHOD OF DIATOMITE CONCENTRATION AND ACTIVATION

Изобретение относится к способам обогащения полезных ископаемых, а именно кремнеземсодержащих пород. Полученный данным способом продукт может быть использован в пищевой, фармацевтической, химической промышленности в качестве фильтрующего материала, а также в строительной промышленности в качестве добавки для строительных растворов, бетонов, сухих строительных смесей и др.
Известны способы разделения смеси твердых веществ, основанные на добавлении алканоламина (патент РФ №2078614, 1997 г.) или солей полиакриловой кислоты (патент РФ №2401163, 2,010 г.) к суспензии разделяемых веществ. Недостатком данных способов является наличие вредных химических веществ в получаемом продукте, которое не позволяет использовать его в качестве фильтрующего материала в пищевой, фармацевтической и химической промышленности.
Известен также способ получения диатомитовых фильтрующих материалов, включающий подготовку диатомита, выделение рабочей фракции гравитационным способом и обжиг ее с флюсом с последующим помолом и классификацией (патент РФ №2237510, 2004 г.). Недостатком является неравномерность термической обработки диатомита, а также присутствие в продукте оксидов железа, титана и алюминия.
Наиболее близким техническим решением является способ получения особо чистых фильтрующих материалов из диатомитов, включающий подготовку диатомита, выделение рабочей фракции, сушку, помол и обработку соляной кислотой в режиме кипения или пропитки (патент РФ 2372970, 2009 г.). Недостатком данного способа является нечеткая граница разделения фракций, длительность процесса разделения твердых частиц (процесс выделения глинистой фракции занимает 21 час).
Кислотная активация в режиме пропитки или кипения без механической интенсификации не позволяет равномерно обработать диатомит, препятствует сокращению времени данного процесса и требует использования кислоты высоких концентраций.
Задача, решаемая изобретением, - получение диатомита заданного качества с высоким содержанием опала без разрушения структуры диатомита, расширение сырьевой базы, снижение энергетических и материальных затрат при производстве.
Техническим результатом является четкое разделение диатомитовой суспензии на опаловую, глинистую и песчаную фракции без разрушения структуры диатомита, снижение содержания вредных примесей, равномерный обжиг.
Поставленная задача достигается тем, что способ обогащения и активации диатомита, включающий подготовку диатомита, выделение целевой фракции, сушку, помол и обработку кислотой в режиме кипения, дополнительно включает обжиг выделенной целевой фракции в печи кипящего слоя при температуре 550-900°С в течение 20-360 сек., при этом выделение целевой фракции проводят механически под действием центробежных или вибрационных сил, а обработку целевой фракции кислотой ведут с одновременным перемешиванием в течение 20-30 мин. при ее концентрации 0,1-0,5Н. В качестве кислоты используют соляную или серную кислоту.
Способ осуществляют следующим образом. Подготовка диатомита заключается в измельчении и затворении водой в диспергаторе. Полученная суспензия подается на сепарационные устройства, например, концентрационный стол, гидроциклон, центрифуга и др. Воздействие центробежных или вибрационных сил позволяет выделить целевую фракцию с минимальным содержанием песчаных и глинистых примесей.
Полученная фракция диатомита поступает в реактор с перемешивающим устройством, где под действием кислоты происходит удаление примесей оксидов железа, титана, алюминия. Процесс проводят при температуре кипения раствора кислоты. Концентрация кислоты составляет 0,1-0,5Н и процесс ведут в течение 20-30 мин. Применение в процессе кислотной активации механических средств интенсификации позволяет сократить время обработки кислотой в несколько раз по сравнению с прототипом. Далее диатомит подвергается сушке и измельчению, после чего подается в печь кипящего слоя на обжиг. Обжиг диатомита проводят с целью удаления органических примесей и осуществляют в псевдоожиженном состоянии при температуре 550-900°С. Температура и время обжига зависит от цели применения обогащенного и активированного диатомита. При использовании данного продукта в качестве фильтрующего материала обжиг проводят при 550-700°С, при использовании в качестве добавки в строительных материалах - обжиг ведут при 700-900°С. Время обжига целевой фракции (20-360 сек) обусловлено параметрами печей кипящего слоя. Выбор печи производится в соответствии с назначением применения обогащенного и активированного диатомита (при получении фильтрующих материалов - 20-150 сек, при получении добавки - 90-360 сек). После термической обработки готовый продукт подается на упаковку.
Примеры, подтверждающие осуществление предлагаемого способа.
2
2
3
2
3
2
Использовался диатомит, характеризующийся следующим минеральным составом, мас.%: опал - 57, глинистые минералы - 30, кварц - 13. Химический состав, мас.%: SiO - 78,3%, AlO - 4,64%, FeO+FeO - 3,78%, TiO - 0,43%.
Для выделения целевой фракции использована следующая схема: технологическая проба массой 200 кг затворялась водой в количестве, соответствующем соотношению твердой и жидкой фаз, равном Т:Ж=1:4, т.е. 800 литров, и подверглась диспергированию. Полученная суспензия подавалась на гидроциклон для выделения песчаной фракции. Под действием центробежных сил из суспензии выделена твердая фаза песчаной фракции в количестве 25 кг, что соответствует 12,5% исходного диатомита. Аналогичный результат под действием вибрационных сил получен при использовании концентрационного; стола. Выделенная песчаная фракция после сушки и помола исследована на минеральный состав. Далее суспензия подавалась в шнековую центрифугу, в которой под действием центробежных сил выделилась опаловая фракция. Масса опаловой фракции при этом составила 122 кг (61% исходного диатомита). Результаты исследования минерального состава исходного диатомита и полученных фракций приведены в табл.1.
Таблица 1
Фракция
Минеральный состав, мас.%
Опал
Кварц
Глинистые минералы
Исходный диатомит
57
13
30
Песчаная
35
65
0
Опаловая
92
8
0
Полученную опаловую (целевую) фракцию подвергают кислотной обработке в реакторе с перемешивающим устройством, также для увеличения скорости протекания реакции кислоты с примесными оксидами железа, титана и алюминия процесс ведут с подводом тепла.
Обоснование выбора условий кислотной активации.
Пример №1. В реактор дозируют целевую фракцию диатомита и раствор соляной кислоты при соотношении твердой и жидкой фаз равном Т:Ж=1:3, кислотную активацию ведут в течение 15 минут при температуре кипения раствора при постоянном перемешивании. Концентрация раствора составляет 0,05 Н. По завершении процесса твердую фазу отделяют от раствора кислоты, промывают и высушивают.
Примеры №2-16 выполняются по примеру №1 с тем отличием, что концентрация раствора соляной кислоты составляет от 0,05 до 0,7 Н соответственно, время обработки варьируется в пределах от 15 до 40 мин соответственно.
Примеры №17-18 выполняются по примеру №1 с тем отличием, что в качестве кислоты используют серную кислоту концентрацией 0,1 и 0,5 Н соответственно, время обработки - 30 и 20 мин соответственно.
Результаты испытаний представлены в табл.2.
Таблица 2
Номер опыта
Условия активации
Содержание, мас.%
Концентрация, Н
Время, мин
Опал
FeO+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1
0,05
15
92
3,67
0,41
4,55
2
0,05
20
92
3,72
0,41
4,66
3
0,05
30
92
3,24
0,38
4,35
4
0,05
40
93
3,18
0,37
4,31
5
0,1
15
92
2,86
0,39
4,56
6
0,1
20
94
1,98
0,26
3,14
7
0,1
30
96
1,23
0,12
1,81
8
0,1
40
96
1,35
0,14
1,98
9
0,5
15
93
1,48
0,21
3,12
10
0,5
20
97
0,90
отсутствует
1,38
11
0,5
30
96
1,01
<0,05
1,32
12
0,5
40
96
0,98
<0,05
1,35
13
0,7
15
94
1,45
0,15
1,42
14
0,7
20
95
1,11
0,09
1,35
15
0,7
30
96
0,98
<0,05
1,38
16
0,7
40
96
0,95
<0,05
1,23
17
0,1
30
96
1,35
0,15
1,92
18
0,5
20
96
1,01
<0,05
1,49
Анализ результатов кислотной обработки целевой фракции диатомита, приведенный в табл.2, показал, что оптимальными условиями активации является концентрация кислоты 0,1 и 0,5 Н, время обработки - 30 и 20 мин соответственно. При этом получен продукт с содержанием опала 96-97%, оксидов железа - 0,9-1,23%, титана - 0-0,12%, алюминия - 1,38-1,81%. Увеличение концентрации кислоты и времени обработки не приводит к значительному улучшению данных показателей. Снижение концентрации кислоты и времени обработки не способствует получению продукта заданного качества.
Использование серной кислоты при концентрации и времени, оптимальных для соляной кислоты, также позволяет получить диатомит высокого качества.
По завершении процесса кислотной активации целевую фракцию сушат и измельчают. Далее полученный продукт подается на обжиг в печь кипящего слоя.
Обоснование выбора условий термической обработки.
2
Целевая фракция диатомита подверглась совмещенному термическому анализу и Фурье-ИК спектроскопии для выявления процессов, проходящих при обжиге диатомита (чертеж). Анализ результатов термического разложения диатомита выявил, что при температурах свыше 300°С происходит выгорание органических примесей с выделением продукта сгорания - газа СО. Наиболее полное выгорание указанных примесей происходит в интервале 550-900°С. Удаление органических примесей позволяет увеличить удельную поверхность диатомита, тем самым увеличивая его реакционную способность.
Использование предлагаемого технического решения позволяет получить обогащенный и активированный диатомит заданного качества. Применение устройств, основанных на центробежном или вибрационном разделении компонентов суспензии, а также использование реакторов с механическими перемешивающими устройствами и обжиг в печах кипящего слоя позволяет многократно по сравнению с известными способами сократить время получения конечного продукта. Благодаря высокому содержанию опаловой (целевой) фракции и низкому содержанию примесей полученный данным способом продукт является универсальным, может быть использован в качестве фильтрующего материала, а также в качестве добавки для строительных растворов, бетонов, сухих строительных смесей и др.