Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

2.3. Центробежная фильтрация в щелочном рафинировании свинца

Рафинирование свинца от мышьяка, олова, сурьмы выполняют обработкой щелочью с селитрой с высоким расходом реагентов. При щелочном рафинировании свинца окислением примесей селитрой образуются олово-сурьмянистые плавы. На удаление суммы мышьяка и олова расход щелочи составляет 3,5 кг на кг удаленной примеси, а на удаление сурьмы расход составляет 2,1 кг/кг [1.2]. Причем, расходуется только 30 % для окисления металлической примеси в химические соединения типа Na2SnO3 отделяемой от свинца в виде щелочного плава. Олово и сурьма в щелочном расплаве находится в виде нерастворимых соединений Na2SnO3 и Na3SbO4, в виде суспензии мелкодисперсных частиц размером 20 мкм. Обычно на практике процесс рафинирования ведут до накопления в расплаве 15–20 % соединений олова и сурьмы. После этого плав, содержащий 45–60 % щелочи, выводят на гидрометаллургическую переработку. Гидрометаллургическая переработка щелочных плавов – это много операционный трудо затратный процесс. Известен способ рафинирования сурьмы от примесей в присутствии щелочного шлака [18.2]. Способ заключается в том, что после окисления сурьмы в присутствии щелочного шлака и отделения его от металла, окисление ведут в присутствии кислого шлака с добавлением извести, окиси или сульфата трехвалентного железа. Съемы снимаются центробежной фильтрацией.

Известен аппарат совмещающий взаимодействие расплава металла с флюсом в центрифуге [19.2]. В аппарате нагрев фильтра с отходами ведут при одновременной промывке их жидким флюсом. В качестве флюса используют глицерин или глицерин с добавкой 1–10 % хлористого аммония и процесс ведут при температуре 160–210 °С. Устройство включает фильтр в виде двух конусообразных тарелей, соединенных большими основаниями, в котором верхняя тарель выполнена в виде усеченного конуса. С целью повышения регенерации щелочи из плава рафинирования свинца от олова, сурьмы проведены опыты по регенерции щелочи из щелочных плавов центробежной фильтрацией погружаемым фильтром [20.2]. Для этого в расплав вмешивают реагент, например, гашеная известь, хлористый кальций, сульфат кальция, гидроокись железа, граншлак, содержащий окислы кальция, железа. Лабораторные опыты проводились на центрифуге (рис. 2.5), со съемным контейнерным фильтром применяемой в переработке индиевых отходов [21.2]. Фильтр (рис. 2.6) в виде двух разно наклонных конических тарелей, обращенных друг к другу большими основаниями диаметром 110 мм с образованием зазора для отделения жидкого расплава. В опытах использованы плавы полученные при рафинировании свинца от мышьяка и от олова с сурьмой. Навески 200 г плавов с добавками реагентов загружались в полость фильтра, который погружался в ванну для нагрева до 550 °С.

1_41_2.tif

1_41_3.tif

2_5.tif

Рис. 2.5. Центрифуга с контейнерным фильтром

2_6.tif

Рис. 2.6. Фильтр в виде контейнера для загрузки плава: 1 – нижняя тарель; 2 – верхний конус; 3 – фильтрующая щель; 4 – ванна с обогревом; 5 – сборник жидкого расплава; 6 – двигатель постояного тока для привода вращения фильтра

 

Контроль температуры нагрева тарелей погруженных в ванну осуществлялся хромель алюмелевой термопарой с прибором ТРМ-1. После выдержки в течение 1 часа фильтр приподнимался в положение «А» для охлаждения до температуры 420 °С и включалось вращение фильтра со скоростью 900 об/мин на 3 мин. При этом расплав щелочи выбрасывается в приемник, а осадок остается в фильтре. В навеску 200 г солевого плава с исходным содержанием 3,2 % Sn и 5,6 % Sb добавляется навеска хлористого кальция, загружается в фильтр контейнер и нагревается с расплавлением до температуры 550 °С. Через 60 мин перемешивания периодическим включением вращения 200 об/мин фильтр-контейнер приподнимается до уровня «А» для охлаждения. По достижении температуры 420 °С фильтр приводят во вращения до 900 об/мин. При этом расплав щелочи выбрасывается в приемник, а осадок остается в фильтре (табл. 2.13).

Таблица 2.13

Результаты очистки щелочных плавов фильтрацией от олова и сурьмы

Номер опыта

Вес, г, СaСl2

Расход, г/г, (Sn + Sb)

Фильтр осадок

Плав NaOH

Выход, %, NaOH

Степень, %, очистки NaOH

Sn, %

Sb, %

Sn, %

Sb, %

1

0

0,0

16,5

34,6

2,9

5,0

86,1

11,3

2

0

0,0

9,0

18,3

2,7

4,5

72,3

33,2

3

11

0,7

19,0

34,2

1,1

1,9

88,9

69,7

4

15

0,9

19,0

34,1

1,0

1,6

89,4

74,1

5

18

1,1

17,4

35,8

0,8

1,3

88,8

84,7

6

21

1,3

18,9

34,1

0,7

1,1

90,5

80,6

7

26

1,6

18,9

34,0

0,6

1,0

91,3

82,7

В табл. 2.13 приведены результаты опытов по центробежной фильтрации плавов.

2_7.tif

Рис. 2.7. Влияние расхода хлористого кальция на степень очистки плава от примесей. 1 – степень очистки плава от олова, сурьмы; 2 – содержание % сурьмы в очищенной щелочи; 3 – содержание % олова в очищенной щелочи. По абсциссе – расход CaCl2 на кг примесей (Sn + Sb)

Результаты на рис. 2.7 показывают, что при оптимальном расходе 0,9–1,3 кг CaCl2 на кг примесей (Sn + Sb) достигается 80 % степень очистки расплава щелочи. Содержание олова и сурьмы в плаве в этих условиях 2 %. Регенерированная щелочь становится пригодной для повторного использования в процессе рафинирования. Результаты можно объяснить коагуляцией образующихся нерастворимых соединений по реакциям:

1Na2SnO3 + CaCl2 = CaSnO3 + 2NaCl; (2.7)

2Na3SbO4 + 3CaCl2 = Ca3(SbO4)2 + 6NaCl. (2.8)

Мышьяк в щелочном плаве после рафинирования свинца находится в виде соединения Na3AsO4 с высокой растворимостью 25 % [1.2]. В навеску 200 г щелочного плава с содержанием 9,9 % мышьяка добавляется навеска реагента Fe(OH)3 и загружается в фильтр контейнер и затем нагревается с расплавлением до температуры 550 °С. Через 60 мин перемешивания периодическим включением вращения 200 об/мин фильт-контейнер приподнимается до уровня «А» для охлаждения. По достижении температуры 420 °С фильтр приводят во вращение до 900 об/мин. При этом расплав щелочи выбрасывается в приемник, а осадок остается в фильтре. В табл. 2.14 приведены показатели центробежной фильтрации щелочного плава от мышьяка.

Таблица 2.14

Результаты очистки щелочных плавов от мышьяка

Номер опыта

Вес, г, Fe(OH)3

Fe(OH)3, кг/кг As

Содержание As, %

Выход, %, NaOH

Степень, %, очистки NaOH

осадок

расплав

8

20

0,8

27,2

3,88

83,2

63

9

25

1,0

27,2

2,8

85

74

10

28

1,1

26,1

2,2

85

80

11

33

1,3

24,1

1,7

84,7

85

На рис. 2.8 показано что с увеличением расхода до 1,3 кг Fe(OH)3 на кг мышьяка степень очистки щелочного плава от мышьяка увеличивается до 85 %, а в очищенной щелочи содержание мышьяка остается 1,7 %.

2_8.tif

Рис. 2.8. Влияние расхода Fe(OH)3 на показатели центробежной фильтрации плава от мышьяка: 1 – степень % очистки плава от мышьяка; 2 – содержание мышьяка в очищенной щелочи

Показатели можно объяснить образованием нерастворимого соединения мышьяка в щелочном плаве по реакции:

Na3AsO4 + Fe(OH)3 = FeAsO4 + 3NaOH. (2.9)

Отфильтрованный от основной доли мышьяка щелочной плав предназначен для повторного использования в процессе рафинирования свинца. Кроме того, выделение мышьяка в селективный осадок позволяет снизить расходы на захоронение вредных отходов. Опыты показали, что обработка щелочных плавов при 550 °С с оптимальным расходом 1,1 кг CaCl2 на кг примесей (Sn + Sb) позволяет центробежной фильтрацией достигнуть очистки расплава щелочи до содержания 0,8 % олова и 1,3 % сурьмы в плаве. Обработка щелочных плавов с расходом 1,3 кг Fe(OH)3 на кг мышьяка позволяет центробежной фильтрацией достигнуть очистки щелочного до содержания 1,7 %. мышьяка. Очищенная щелочь предназначена для повторного использования в процессе рафинирования. Однако, стабильность результатов очистки по всей вероятности зависит длительности и температуры кристаллизации, а также от дисперсности фаз добавляемых реагентов.

Технология регенерации щелочи из плавов использована непосредственно в процессе щелочного рафинирования свинца от мышьяка, олова и сурьмы с помощью измененного центробежного аппарата [22.2]. Особенностью центробежного щелочного рафинирования является вмешивание в щелочной рафинирующий расплав реагента-осадителя связывающий примеси в соль, малорастворимую в расплавленной щелочи. Перемешивание осуществляют забором расплавленного свинца и диспергированием его в слой щелочного расплава. После стадии перемешивания осуществляют забор щелочного расплава над поверхностью свинца и уплотнением твердого осадка путем отстаивания в центробежном поле. Для связывания мышьяка в качестве реагента вмешивают гидрат окиси железа, сульфат железа. Для связывания олова, сурьмы в качестве реагента вмешивается хлористый кальций или известь.

Укрупненные опыты проведены на центрифуге (рис. 2.9), используемой для припоев, с двигателем постоянного тока для вращения фильтра диаметром 200 мм с заменой оснастки фильтра [22.2].

Свинец нагревается до температуры расплава 500–550 °C. В ванну камеры 16 загружаются реагенты из расчета на содержание примесей и расплавляются. Механизмом 15 устанавливается зазор 2–3 мм щели 7 между тарелями. В расплав свинца погружается ротор 4 с фильтром 5, 6 на глубину погружения заборного окна 11 в расплав свинца. Фильтр приводится во вращение на 400 об/мин. За счет центробежных сил и лопаток 12 расплав свинца через окно 11 всасывается в полость фильтра и выбрасывается через фильтрующую щель 7 в камеру 16 с расплавом реагентов и у стенки цилиндра 16 камеры стекает по зазору между стенками 16, 18 в расплав котла, обеспечивая циркуляцию свинца (показано стрелками на рис. 2.10).

2_9_1.tif 2_9_2.tif

а б

Рис. 2.9. Центрифуга ЦП-200: б – фото центрифуги ЦП-200 из фильма демонстрации японской делегации

2_10.tif

Рис. 2.10. Центробежный аппарат для щелочного рафинирования свинца от примесей. Основные узлы: 12 – лопасти; 13 – окно сброса; 16 – цилиндр камеры; 17 – крестовина; 18 – ограничительный цилиндр

По завершении заданной длительности стадии перемешивания ротор 4 с фильтром 5, 6 (рис. 2.11) [22.2] механизмом 8 приподнимают на уровень основания вершины конуса верхней тарели 6 ниже станины 2, соответствующий положению заборного окна 11, 12, выше поверхности расплава свинца (показано пунктиром положение «А»). В этом положении фильтрующая щель 7 плотно сжата до зазора 0,1 мм.

2_11.tif

Рис. 2.11. Фильтр. Основные узлы: 7 – фильтрующая щель; 11 – заборное окно

Фильтр приводится во вращение со скоростью 1100 об/мин. Заборное окно 11, 12 захватывают суспензию щелочного плава в полость фильтра 5, 6, и по его наполнении происходит расслаивание плава на твердые тяжелые фракции солей примесей у щели и более легкий жидкий щелочной плав ближе к центру с выбрасыванием через окна сброса 13 в объем плава (обозначено пунктиром и стрелкой на рис. 2.11). Через заданный промежуток времени механизмом 8 фильтр приподнимают на уровень фильтрующей щели 7 напротив щелевидного зазора 20, (показано пунктиром положение «Б»). Заборное окно 11 нижней тарели 5 в этом положении располагается над уровнем солевого плава в камере 16. В этом положении механизмом 9 (рис. 2.10) тарели 5, 6 раскрываются и осадок примесей выбрасывается через щель 7 в кольцевой сборник 19 и выводятся спиральным 21 конвейером. Цикл повторяется до прекращения выделения осадка твердых примесей. Операции загрузки окислителя, реагента – осадителя повторяют добавкой их в регенерированный объем щелочи до получения необходимой чистоты свинца по каждой примеси. Результаты опытов приведены в табл. 2.15. Результаты приведенные в табл. 2.15 показывают, что операции очистки свинца вмешиванием реагентов предпочтительно проводить при Т = 520 °С, а фильтрацию при 350 °С. Для повышения выхода очищенной оборотной щелочи в расплав добавлять часть реагента с зернистой структурой, типа Fe2(SO4)3 и CaCl2. Отрафинированный свинец в среднем содержал 0,007 % As; 0,006 % Sn; 0,007 % Sb. Лучшие результаты очистки 0,005 % As; 0,0025 Sn; 0,005 % Sb получены в опытах 1, 4.

Таблица 2.15

Результаты испытания щелочного рафинирования центробежной фильтрацией

Т, °C

Расход реагентов, г

Вес, кг,

Плав. п/с фильт.

Состав осадка

Процент реген. NaOH

       

As, %

 

Sb, %

As, %

Sn, %

Sb, %

350

427

160

551

165

2,88

2,7

3,8

3,2

24,1

10,6

 

68,7

420

512

160

551

165

2,71

2,4

3,4

2,8

25,8

11,3

 

77,9

520

427

160

551

165

2,53

1,7

0,8

1,9

28,6

15,0

 

81,3

420

342

160

147

112

2,57

4,4

4,4

5,2

26,5

12,0

 

60,7

420

512

0

168

0

2,68

3,4

4,9

5,8

26,1

11,5

 

53,9

520

512

0

168

0

3,02

4,4

2,2

5,2

22,9

11,8

 

41,9

 

342

160

441

112

2,34

1,7

0,9

2,0

30,8

16,1

 

79,1

Постоянные условия: навеска 150 кг состава 0,2 % As; 0,15 % Sn; 0,3 % Sb; расход щелочи 2,83 кг; расход селитры 0,7 кг; котел емкостью 14 л, диаметр фильтра 20 см, скорость вращения фильтра при забоpе 400 об/мин, при отстое – 1100 об/мин.

Сыпучий осадок в опытах 1, 2 содержал от 1 до 17 % Pb; NaOH – 12–15 %. Средняя степень очистки металла от примесей 96–98 %. Результаты показывают, что расход щелочи снижается на 80–89 %, а осадки примесей получаются практически без металлического свинца, что снижает расходы на их переработку. Кроме того, способ снижает затраты на захоронение опасных мышьяковистых отходов. В достижении стабильности результатов очистки плава от примесей перспективно отладить отстойный режима путем замены фильтра в центрифуге на специальный отстойно фильтрующий фильтр (рис. 2.12) [23.2]. Такой фильтр снабжен дополнительными конусами 12 размещенными внутри тарелей и закрепленных с зазором 11.

Под действием центробежных сил жидкий плав всасыванием в полость и заполняет скапливаются у щели осадком в фильтрующем режиме выбрасыванием жидкой щелочи через щель 9. Затем после забивания щели протекает отстойный режим. Под действием центробежных сил плав расслаивается тяжелый твердый осадок накапливается в полости а жидкая более легкая жидкогфаза выдавливается через щель 15 (между конусами 12, 14) и выбрасывается через выводные каналы 16.

После заполнения в полости между тарелями 7–8 и конусами 12–14 твердым осадком фильтр приподнимают над расплавом, раскрывают тарели фильтра уровень сборника для выброса осадка под действием центробежных сил.

2_12.tif

Рис. 2.12. Фильтр отстойно-фильтрующий. Основные узлы: 9 – фильтрующая щель наружная; 15 – внутренняя фильтрующая щель; 16 – выводные каналы выброса

Подобный щелочной плав от осадка разделяли авторы работы [24.2], в которой фильтр в виде сжатых тарелей (рис. 2.13) или барабана (рис. 2.13, б) диаметром 60 мм вращали в расплаве щелочной суспензии со скоростью 300–900 об/мин. В режиме сушки над расплавом вращали со скоростью 1200 об/мин.

2_13.tif

а б

Рис. 2.13. Отстойный фильтрующий фильтр [24.2]. Основные узлы: 2 – заборные окна; 3 – фильтрующая щель; 6, 7 – полость накопления осадка

Определили, что активное накапливание осадка в фильтре диаметром 60 мм начинается при скорости вращения 700–800 об/мин.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252