СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ КВАРЦ-ЛЕЙКОКСЕНОВОГО КОНЦЕНТРАТА
METHOD FOR PROCESSING QUARTZ-LEUCOXENE CONCENTRATE

Изобретение относится к химии титана, в частности процесса переработки кварц-лейкоксеновых концентратов, и может быть использовано для получения диоксида титана сернокислотным методами.
Изобретение позволяет получать титансодержащий продукт, сульфатизация которого проходит в значительно более мягких условиях, по сравнению с обычными технологиями, при этом полученный продукт может быть переработан по стандартной сернокислотной технологии получения диоксида титана из ильменитового концентрата.
Известен способ получения диоксида титана (рутил) из ильменита (Elger G.W., Kirby D.E. and Rhoads S.C. Producing Synthetic Rutile from Ilmenite by Pyrometallurgy, Pilot Plant Studies and economic Evaluation. / Rept. Invest. Bur. Mines U.S. Dep.Inter., 1976), включающий обжиг ильменита с добавками кокса и извести, при этом происходит выплавка железа и образуется шлак с высоким содержанием диоксида титана.
Основным недостатком данного способа является многостадийность процесса, а также существенные реагентные затраты «относительно» дешевой извести.
Известен способ получения диоксида титана высокой чистоты в процессе обработки ильменитового концентрата серной кислотой, с последующим гидролическим осаждением титана (Лучинский Г.П. Химия титана М.: Издательство "Химия", 1971. - 471 с., Химия и технология редких и рассеянных элементов, ч. 2. Подред. К.А. Большакова. Учеб. Пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. И доп. - М.: Высшая школа, 1976. - 360 с.).
Описанные выше способы не пригодны для извлечения диоксида титана из кварц-лейкоксеновых песков. В лейкоксене рутил находится в виде тонкого срастания с кварцем, что обеспечивает высокую стойкость по отношению к серной кислоте вплоть до жестких условий (давление, высокая температура, низкий экзотермический эффект и низкая степень извлечения основного компонента в раствор).
Известен способ гидрометаллургического выделения титана из лейкоксенового концентрата, включающий обработку 93,5%-ной серной кислотой при температуре 260-270°С (В.А. Резниченко, B.C. Устинов, И.А. Карязин, А.Н, Петрунько. Электрометаллургия и химия титана. М.: Наука, 1982, 280 с.).
Существенным недостатком данного способа является необходимость поддержания жестких условий, необходимых для сульфатизации кварц-лейкоксенового концентрата, а значит значительное усложнение аппаратурной схемы, повышение стоимости продукта и опасности производства.
Известен способ переработки кварц-лейкоксенового концентрата, включающий селективное хлорирование при температуре 800-1000°С в присутствии восстановителя (кокс) кварц-лейкоксеновой руды (RU 2382094 C1, Способ переработки кремнисто-титановых концентратов).
Существенным недостатком данной технологии является необходимость использования токсичного газообразного хлора, высокие энергозатраты на процесс, а также высокая стоимость получаемого продукта за счет расхода части хлора на процесс хлорирования примеси кремния.
Существенным недостатком процесса является необходимость поддержания высокой температуры, сложность аппаратурной схемы и опасность производства.
Известен способ переработки кварц-лейкоксеновых концентратов путем спекания их с щелочными реагентами (сода), при температуре 900-1000°С и последующей гидрометаллургической обработкой спека: последовательным выщелачиванием водой и раствором кислоты (Дмитровский Е.Б., Бурмистрова Т.М., Резниченко В.А. В кн. Проблемы металлургии титана. - М.: Наука, 1967, с. 90-101).
Основным недостатком данной технологии является сложная аппаратурная схема, а также низкая скорость и эффективность выщелачивания спека.
2
2
Известен способ автоклавного выщелачивания (гидроксидом натрия) предварительно обожженного при 900-1000°С флотационного концентрата. Процесс ведут в жестких условиях: концентрация NaOH 200 г/л, соотношение Т:Ж =1:2,5-3, температура 190-200°С, давление 10-11 атм). При этом удается получить богатый по титану полупродукт со следующим составом: 71-80% TiO и 12-20% SiO (Федорова М. Н. Химическая доводка титанового концентрата путем автоклавного выщелачивания кремневой кислоты. В кн. Титан и его сплавы, в. 9. - М.: Изд-во АН СССР, 1963, с. 36-41; Авджиев Г.Р. Технология переработки Ярегского сырья // Проблемы комплексного освоения Ярегского нефтетитанового месторождения: Докл. на науч.-анал. конф. "Природные ресурсы и производительные силы Республики Коми" (10-12 ноября 1993 г.). Сыктыквар, 1993. - С. 26-30). Заблоцкая Юлия Витальевна Диссертация на соискание степени к.т.н. Автоклавное обескремнивание лейкоксенового концентрата гидроксидом кальция с получением искусственного рутила ИМЕТ РАН 2014 г.).
2
Основным недостатком данных способов являются высокий расход щелочного реагента и необходимость применения дополнительной операции - кислотного выщелачивания для повышения содержания TiO в конечном продукте. Помимо этого, встает вопрос экологической и производственной безопасности производства (кипячение растворов щелочей под давлением, утилизация щелочных и кислотных остатков). Кроме того, данные процессы не позволяют получать товарный продукт и характеризуются сложной аппаратурной схемой (автоклавы, фильтры, декантеры, реактора).
Известны способы гидрометаллургической переработки кварц-лейкоксена, включающие магнетизирующий или восстановительный обжиг перед обработкой щелочью (Г.Б. Садыхов. Новые подходы к решению проблемы использования комплексного титанового и других видов труднообогатимого рудного сырья России. В кн. «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН - 75 лет» Сб. научных трудов под редакцией академика К.А. Солнцева. М.: Интерконтакт Наука, 2013, 792 с.).
Существенным недостатком указанных методов является сложность проведения процесса, проблемы, связанные с очисткой отходящих газов от процесса восстановительного обжига. Помимо этого способы также требуют использования дорогостоящих щелочных реагентов.
Известны способы переработки кварц-лейкоксенового концентрата (RU 2262544 C1, Способ переработки кварц-лейкоксенового концентрата; RU 2264478 C1, Способ переработки титан-кремнийсодержащих концентратов; RU 2390572 С1, Способ переработки кварц-лейкоксеновых концентратов), включающие обработку сырья фтороводородной кислотой или ее солями (спекание с солями, выщелачивание растворами кислот или солей).
Основным недостатком данной технологии является работа с фторидами высокотоксичными и сильно корродирующими соединениями. Помимо этого, стоимость данных реагентов также достаточно высока (по сравнению с серной кислотой или щелочами)
Известен способ переработки лейкоксенового концентрата, включающий его переплавку при температуре 2700-2300°K и последующее выщелачивание (RU 2623564 С1, Способ переработки кварц-лейкоксеновых концентратов).
Существенным недостатком данного способа помимо указанных выше являются высокие энергозатраты на нагрев.
Известен способ переработки кварц-лейкоксенового концентрата, включающий автоклавное выщелачивание кварц-лейкоксенового который подвергают предварительному обжигу с железосодержащей добавкой в количестве 2-3% от массы исходного концентрат (соотношение концентрат добавка 33:1) при температуре 1450-1525°С, с последующим охлаждением и автоклавной щелочной обработкой (выщелачивание) с получением обогащенного концентрата, (патент RU 2216517 C1, C22D 3/04 от 15/07/2002).
Существенными недостатками являются отсутствие возможности получения диоксида титана товарной чистоты (99% и более), использование щелочи в качестве выщелачивающего реагента, а также проблемы, связанные с утилизацией больших объемов растворов с щелочной реакцией среды. Кроме того, несомненным минусом данной технологии является его высокая стоимость (реагенты), а также сложная аппаратурная схема процесса и высокая экологическая и производственная опасность (автоклавы, растворы щелочей).
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототип) по технической сущности и достигаемому результату является способ, включающий обжиг концентрата с железосодержащей добавкой и выщелачивание 60-70% серной кислотой (Патент RU 2734513, Способ переработки кварц-лейкоксенового концентрата).
Несмотря на все преимущества данного способа, у него имеется один серьезный недостаток - высокая стоимость добавок на основе чистых соединений железа (оксиды 2 и 3), а также их относительная ценность в качестве металлургического сырья.
Основной задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости процесса за счет использования дешевого сырья, вовлечения опасных, крупнотоннажных отходов в качестве вторичного сырья и повышения количества титана в растворах выщелачивания.
Поставленная задача решается способом переработки кварц-лейкоксенового концентрата, включающий обжиг концентрата с железосодержащей добавкой с последующим охлаждением и выщелачиванием серной кислотой при температуре 160-170°С, при этом в качестве железосодержащей добавки используют отход производства глинозема - красный шлам при соотношении кварц-лейкоксеновый концентрат к массе красного шлама 1:1,1-1,2, процесс ведут при температуре 1350-1550°С, а серную кислоту берут с концентрацией 55-80% в соотношении 1:1-20.
Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами.
ПРИМЕР №1
2
3
2
Предварительно измельченные навески 10 граммов кварц-лейкоксенового концентрата смешивают с 11 граммами красного шлама с содержанием FeO - 55% (соотношение 1:1,1) обжигают при температуре 1350°С, образец охлаждают и выщелачивают 55% раствором серной кислоты при соотношении Т:Ж 1:20 в течение 4 часов при температуре 160°С. Полученный продукт растворяют в 100 мл воды. Концентрация титана (TiO) в растворе 3,2% против 2,9% по прототипу.
ПРИМЕР №2
2
3
2
Предварительно измельченные навески 10 граммов кварц-лейкоксенового концентрата смешивают с 12 граммами красного шлама с содержанием FeO - 50% (соотношение 1:1,2) обжигают при температуре 1525°С, образец охлаждают и выщелачивают 75% раствором серной кислоты при соотношении Т:Ж 1:1 в течение 6 часов при температуре 170°С. Полученный продукт растворяют в 100 мл воды. Концентрация титана (TiO) в растворе 5,2% против 4,7% по прототипу.
ПРИМЕР №3
2
3
2
Предварительно измельченные навески 10 граммов кварц-лейкоксенового концентрата смешивают с 11,5 граммами красного шлама с содержанием FeO - 52% (соотношение 1:1,15) обжигают при температуре 1400°С, образец охлаждают и выщелачивают 65% раствором серной кислоты при соотношении Т:Ж 1:15 в течение 5 часов при температуре 165°С. Полученный продукт растворяют в 100 мл воды. Концентрация титана (TiO) в растворе 6,5% против 5,8% по прототипу.
ПРИМЕР №4
2
3
2
Предварительно измельченные навески 10 граммов кварц-лейкоксенового концентрата смешивают с 12 граммами красного шлама с содержанием FeO - 50% (соотношение 1:1,2) обжигают при температуре 1550°С, образец охлаждают и выщелачивают 70% раствором серной кислоты при соотношении Т:Ж 1:10 в течение 6 часов при температуре 170°С. Полученный продукт растворяют в 100 мл воды. Концентрация титана (TiO) в растворе 6,6% против 5,9% по прототипу.
ПРИМЕР №5
2
3
2
Предварительно измельченные навески 10 граммов кварц-лейкоксенового концентрата смешивают с 11 граммами красного шлама с содержанием FeO - 52% (соотношение 1:1,1) обжигают при температуре 1475°С, образец охлаждают и выщелачивают 80% раствором серной кислоты при соотношении Т:Ж 1:5 в течение 4 часов при температуре 165°С Полученный продукт растворяют в 100 мл воды. Концентрация титана (TiO) в растворе 6,2% против 5,9% по прототипу.
Как видно из представленных примеров, к основным достоинствам предлагаемого способа следует отнести возможность переработки крайне крупнотоннажного отхода производства глинозема - красного шлама, запасы которого исчисляются миллионам тонн и представляют существенную экологическую опасность, а также снизить стоимость производства соединений титана за счет использования дешевой железосодержащей добавки. Кроме того, использование в качестве железосодержащей добавки красного шлама позволит дополнительно повысить содержание титана в растворах выщелачивания за счет наличия 10% соединений титана в красном шламе.