Мониторинг растворов шламовых полей алюминиевого производства

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2011, том 54, №4_________________________________

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.123.6

С.Х.Холмуродов, Л.Солиев, Д.Р.Рузиев*

МОНИТОРИНГ РАСТВОРОВ ШЛАМОВЫХ ПОЛЕЙ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Таджикский государственный педагогический университет им. С. Айни,

ГУ «Научно-исследовательский институт металлургии» ГУП «ТАлКо»

Обсуждены результаты годового мониторинга растворов шламовых полей промышленного производства алюминия на Таджикском алюминиевом заводе. Установлено, что в летний период наблюдается повышение содержания сульфатных, карбонатных, гидрокарбонатных и фторидных солей натрия в растворе из-за интенсивного испарения растворителя (воды). В осенне-зимний период, с понижением температуры воздуха происходит обратный процесс - выпадение в осадок вышеуказанных солей. Результаты мониторинга вполне согласуются с закономерностями фазовых равновесий системы Na2SO4 - Na2CO3 - NaHCO3 - NaF - H2O.

Ключевые слова: шлам - шламовые поля - равновесие - система - промышленное производство -жидкие отходы - мониторинг.1

Абсорбция соединений фтора и серы из электролизных газов в производстве алюминия проводится раствором кальцинированной соды и описывается следующими уравнениями химических реакций:

^СОз + ИБ = КаИСОэ,

№ИСОз+ ИБ = СО2 + И2О,

^СОз + 8О2 + IО2 = ^8О4+ СО2

2

2КаИСОз = ^СОз + СО2 + И2О.

Стабилизация концентрации №2СОз обеспечивает гарантированное улавливание ОТ и SO2, а также оптимальную остаточную концентрацию соды в насыщенном растворе газоочистки (512 г/дмз). Стабилизация содержания сульфата натрия на минимально возможном уровне исключает потери фтора за счет локальных пресыщений растворов и выпадения кристаллов смешанной соли Na2SO4•NaF, что повышает эффективность работы газоочистного оборудования. Поэтому при накоплении в результате реакции (3) в оборотном растворе газоочистки более 70 г/л сульфата натрия, раствор сбрасывается на шламовое поле [1, 2].

Целью настоящей работы явилось проведение физико-химического и технологического мониторинга растворов шламовых полей алюминиевого производства. С этой целью каждый месяц в течение года проводился химический анализ и измерение плотности, температуры отработанного рас-

Адрес для корреспонденции: Солиев Лутфулло. 734003, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. Рудаки, 121, Таджикский государственный педагогический университет. E-mail: lsoliev1941@mail.ru

твора шламового поля алюминиевого производства. Результаты химического анализа показали, что отработанный раствор имеет близкий к [3] состав в г/л: 12-15 КаБ, 25-30 КаНС03, 5-10 Ка2С03 и до 70 Ка^04.

С целью установления оптимальных условий осаждения сульфатных солей было исследовано строение диаграммы фазовых равновесий системы Ка^О4 -Ка2СО3 - КаНСО3 - КаБ - Н2О при 0 и 25 °С [4, 5]. Результаты изучения этой диаграммы показывают, что при охлаждении раствора до 0оС происходит кристаллизация декагидрата сульфата натрия Ка280410н20. Однако охлаждение раствора газоочистки с целью удаления сульфата натрия требует дополнительных энергетических затрат и специального оборудования.

Мониторинг проводили на шламовом поле №1, в связи с чем был прекращен сброс отработанных растворов газоочистки. Наблюдение осуществлялось в течение года при естественных условиях. Результаты изменения концентраций солей и плотности раствора в зависимости от изменения температуры представлены на рис. 1 и 2.

1-----------1---------]----------1----------1----------1----------1--------------------'----------'---------Т----------1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяцы

Рис.1. Изменение состава растворов шламового поля в течение года.

Как видно из рис.1, с января по март содержание солей в растворе постепенно уменьшалось с 5.4-14.1 г/л до 0.92-5.0 г/л, что связано с атмосферными осадками. В апреле-сентябре за счет естественных испарений растворителя (воды) происходило повышение концентрации сульфата натрия в растворе от 19.3 до 56.7 г/л. При похолодании в октябре-ноябре наблюдалась кристаллизация Ка280410Н20 и снижение концентрации сульфата натрия до 24.1 г/л, а также увеличение содержания карбоната, бикарбоната натрия до 41.9 и 38.6 г/л в растворах шламовых полей. Показатели изменения температуры и плотности растворов шламового поля в течение года представлены на рис.2 .

9101112 Месяц

Рис.2. Показатели изменения температуры (а) и плотности (б) раствора шламового поля в течение года.

Проведенные наблюдения показали, что, начиная с апреля, постепенно увеличивались плотность и температура растворов в связи с повышением температуры окружающей среды. В осенний период наблюдалось резкое снижение температуры раствора от 31.5 до 14.8 °С. При этом кристаллизация Na2S0410H20 продолжалась и достигала высоты слоя 10-15 см почти по всему периметру шламового поля.

Химический анализ образцов осадков, взятых из различных точек шламового поля, показал, что осадок содержал, масс.%: 75-84 Na2SO4; 12-15 NaF и 4-8 №2^3, что отвечает кривой совместной кристаллизации N^0^10^0 + №^04 •NaF +№^0^10 ЩО [4]

Оставшийся после выпадения осадка раствор шламового поля содержал до 16.1 г/л Na2SO4 до 88.4 г/л №^03 и 85.16 г/л NaHC03 и может быть использован для приготовления оборотных растворов газоочистки.

Осадки шламовых полей подвергались также рентгенофазовому и термическому анализу. Рентгенофазовый анализ проведен на установке “Дрон-2,0” с применением Сш, а дифференциальнотермический анализ (ДТА) и термогравиметрия (ТГ) на дериватографе Q—1000 системы Ф. Паулик, И.Паулик и Л.Эрдей со скоростью 10 град/мин. Результаты РФА приведены на рис.За; результаты термического анализа на рис 4.

Рентгенофазовый анализ (рис.З.б) показал, что осадок содержал смешанные соли NaF•Na2SO4 и 2Na2SO4•Na2CO3 и зависел от содержания Na2SO4, NaF, №2^3, NaHCO3 в исходном растворе газоочистки. Аналогичные данные, полученные другими авторами [6] (рис. З.а), подтверждают данные выводы.

Наряду с этим имели место случаи, когда в растворах с одинаковыми концентрациями солей кристаллизовались осадки разного состава, то есть на процентный состав осадка могут влиять и другие факторы, в том числе условия кристаллизации (температура, скорость кристаллизации и т.д.).

Согласно литературным данным [7], буркеит (2№^04^а2С03) является равновесной фазой в системе из сульфатов, карбонатов, гидрокарбонатов и фторидов натрия при более высоких температурах, чем температура кристаллизации солей из растворов шламового поля. Поэтому появление на рентгенограмме рефлекса, характерного для 2№^04 ^а2С03, можно объяснить термической обработкой исследуемого осадка перед снятием рентгенограммы.

Рис. 3. Рентгенограммы осадков, полученных из растворов шламовых полей: а) литературные данные; б) 1) №2804 • NaF (шайрерит); 2) 2№^04 • №2С03 (буркеит); 3) NaF (виллиомит).

На дериватограмме осадка шламового поля № 1 (рис.4) имеются два эндотермических эффекта, которые связаны с расплавлением: при 780°С смешанной соли NaF•Na2S04 и при 980°С - NaF, что согласуется с литературными данными [6].

На линиях ТГ в начальном интервале температур от 70 до 170°С наблюдается небольшая потеря массы (0.3-0.6%), а на линиях ДТА незначительный эндотермический эффект, что связано с испарением адсорбционной влаги.

Результаты химического, рентгенофазного и термического анализов полностью согласуются и подтверждают наши выводы о составе сульфатсодержащего осадка.

На основе физико-химического и технологического мониторинга и с учетом природных условий региона предложена технологическая схема очистки отработанных растворов шламового поля алюминиевого производства от сульфата натрия (рис.5).

Процесс упаривания растворов шламовых полей может быть осуществлен как за счет солнечной энергии, так и за счет утилизации тепла отходящих газов коксопрокалочного участка и цеха обжига производства обожженных анодов.

В соответствии с предложенной схемой простым, доступным и дешевым способом можно получить твердую смесь, состоящую в основном из №^04, которая может найти свое применение в

производстве жидкого стекла, эмалей, глазури, а осветленный содовый раствор можно использовать в процессе газоочистки алюминиевого завода.

1000

800

600'

400'“

201.

§ 2

Т,иС

ДТА 7 У

20 40 1 60 1— 80 100 1— 1.

Время, мин тг

Рис. 4. Дериватограмма сульфатсодержащего осадка.

Раствор шламового поля

I

Упаривание и кристал л из ация

і г -

Фильтрование

Отр а б отан ны е растворы

Су ль ф атс одер ж ащ и й Содовый

осадок раствор

На

г аз о оч и с тку

і

т

На про изв од с тв о ж ид к ого стекла, эмалей, глазури и глинозема

Отходящие газы

Цех электролиза алюминия

Рис. 5. Принципиальная технологическая схема переработки раствора шламовых полей

алюминиевого производства.

Поступило 15.03.2011 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Куликов Б.П., Истомин С.П. Переработка отходов алюминиевого производства. 2-е изд. - Красноярск, 2004, 480 с.

2. Морозова В.А., Смирнов М.Н., Ржечицкий Э.П. - Цветные металлы, 1985, № 9, с. 44-46.

3. Морозова В.А., Смирнов М.Н. и др. - Цветные металлы, 1988, № 2, с. 44.

4. Солиев Л.С., Холмуродов С.Х., Рузиев Д.Р. - ДАН РТ, 2008, т.51, №6, с. 447-452.

5. Солиев Л., Холмуродов С., Рузиев Дж. - ДАН РТ, 2009, т.52, №7, с. 526-532.

6. Морозова В.А., Ржечицкий Э.П. - Цветные металлы, 1975, № 6, с. 42-44.

7. Экспериментальные данные по растворимости многокомпонентных водно-солевых систем (Справочник), т. 1, кн. 1-2. - СПб.: Химиздат, 2003, 1051с.

С.Х.Холмуродов, Л.Солиев, Ч,.Р.Рузиев*

МОНИТОРИНГИ МАХЛУЛХОИ ПАРТОВГОХИ САНОАТИ ИСТЕХСОЛИ АЛЮМИНИЙ

Донишго^и давлатии омузгории Тоцикистон ба номи С.Айни,

*Муассисаи давлатии «Пажу^ишго^и илмию та^кцкртии металлургия»-и КВД

«Ширкати Алюминийи Тоцик»

Дар макола натичаи мониторинги солонаи партовдои моеъи саноати истедсоли алюминий дар КВД «Ширкати Алюминийи Точик», ш. Турсунзода мудокима шудааст. Мукаррар карда шудааст, ки дар фасли бадору тобистон баландшавии консентратсияи сулфатдо, карбонатдо, гидрокарбонатдо ва фториддои натрий мушодида карда мешавад, ки ин ба бухоршавии далкунанда (об) алокаманд мебошад. Дар фасли тирамоду зимистон бошад, бо пастшавии дарорати даво раванди баръакс, яъне ба тадшин фаромадани намакдои дар боло номбаршуда чой дорад. Натичаи мониторинг ба конуниятдои мувозинатдои фазагии системаи Na2S04 -Na2C03 - NaHC03 - Н2О мувофикат мекунад.

Калима^ои калиди: партов - майдони партовуо - мувозинат - система - саноати истеусолоти -истеусоли алюминий - мониторинг.

S.Kh.Kholmurodov, L.Soliev. J.R.Ruziev*

MONITORING SOLUTIONS SLURRY FIELDS ALUMINUM PRODUCTION

S.Ainy Tajik State Pedagogical University,

*SE “Research Institute of Metallurgy” SUE “TAlCo”

Results of annual monitoring solutions sludge fields of industrial production of aluminum at the Tajik Aluminum Plant. Established that during the summer period experienced higher content of sulfate, carbonate, bicarbonate and sodium fluoride salts due to intense evaporation of the solvent (water). In the autumn-winter period, with decreasing temperature, the reverse process - precipitation of the above salts. The monitoring results are quite consistent with the laws of phase equilibrium of the system Na2SO4 - Na2CO3 - NaH-CO3 - NaF - H2O.

Key words: sludge - sludge fields - system - industrial production - translation - monitoring - aluminum production.