УДК 661.632.17

Өмірбай Р.С., Мусина У.Ш., Музаффархан Д.М., Тұрғымбаева Қ.Қ.

Применение бентонитовых сорбентов при разрушении фосфорных шламов

Аннотация. Данная работа посвящена разрушению фосфорного шлама, выделению из него фосфора и его доотчистки, основанной на использовании минеральных сорбентов, обладающих развитой мезопористостью. Разработанную технологию возможно использовать при утилизации шламообразующих отходов производства. При этом необходимо подобрать режим термообработки гранул высоко твердофазных сорбентов на основе бентонитовых глин.

Ключевые слова: фосфоросодержащий шлам, фосфорит, бентонитовая глина, сорбент, бентонитовый сорбент, термообработка.

При производстве желтого фосфора из фосфатов месторождений Каратау, характеризующихся сравнительно невысоким содержанием полезного компонента (Р₂О₅) и высоким содержанием примесей в процессе конденсации совместно с нулевым продуктом участвуют примеси в процессе конденсации совместно с нулевым продуктом участвуют примеси присутствующие в печеном газе, образуя значительное количество фосфорного шлама [1].

Работами последних лет установлено, что фосфорный шлам представляет собой эмульсию фосфора в воде, стабилизированную высокоактивными загрязнениями, которая трудно поддается разрушению. Из известных способов переработки фосфорных шламов промышленную реализацию получили два метода: сжигание шлама в специальных печах и дистилляция фосфора с использованием водяного пара. Эти способы утилизации шламов имеют ряд существенных недостатков: высокая энергоемкость, сложность аппаратурного оформления, и как следствие этого значительные капитальные затраты, малая производительность (дистилляция шлама) низкое качество продукта (способ сжигания шлама). Поэтому проведение исследовании, направленных на поиск новых способов выделения высококачественного фосфора из шламов является актуальной задачей. В этой связи, учитывая актуальность и практическую значимость проблемы, данная работа посвящена разрушению фосфорного шлама, выделению из него фосфора и его доотчистки, основанной на использовании минеральных сорбентов, основанной на использовании минеральных сорбентов, обладающих развитой мезопористостью.

Способ сорбционного разрушения фосфорного шлама, выделения и доотчистки фосфора предусматривает проведение процесса в динамических условиях, в водной среде, при температуре 60-75°С, в связи с чем используемые сорбенты должны обладать достаточной механической прочностью на истирание и высокой водостойкостью.

Анализ литературных данных и поисковые исследования показали, что перечисленным требованиям могут отвечать сорбенты на основе природных силикатов слоистого строения монтмориллононитовых бентонитовых глин, физико-химические особенности которых описаны в работах [2]. Поэтому основным объектом исследования были выбран сорбент на основе бентонитовых глин Дарбазинского (ДБ) месторождения.

В связи с отсутствием промышленного производства гранулированных сорбентов предложена технология получения последних методом шнекопрессования пастообразных композиций тонкодиспергированных глин с добавлением специального выгорающего компонента и оптимальным количеством воды. Воздушно-сухие гранулы термообрабатывали на воздухе по температурно-временному режиму, обеспечивающему полное выгорание технологической добавки и получение гранулированных сорбентов высокой механической прочности и водостойкости. Включение в состав формуемых композиций оптимальных количеств выгорающей добавки и проведение последующей термообработки гранул по оптимальному температурно-временному режиму позволяет получить гранулированные сорбенты требуемого качества с прогрессивно увеличивающимися суммарной пористостью, ртутно-порометрическим объемом и объемом пор, требуемых для разрушения фосфорных шламов [3].

Выход фосфора из шлама, а также время полной отработки сорбентов зависят от степени развития в сорбентах объемов пор оптимальных размеров, а, следовательно, и от величины доступной для разрушения фосфорного шлама активной поверхностью сорбента. Изучение разрушения структуры фосфорных шламов на образцах гранулированных сорбентов Дарбазинского месторождения, обработанных при температуре 200°С, производили в колонке равной 14 мм и массе сорбента равной 9,0г. Химический состав исходного шлама: Р₄=77,0%, м.ч.ш.=2,81%, отстой=44,95%. Результаты исследуемого процесса приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты основных характеристик при выделении фосфора из шлама

Марка сорбен-та	Масса сорбен-та, г	Количес-тво шлама, г	Количес-тво выделен-ного фосфора, г	Выход фосфора от массы шлама, %	Степень выделения фосфора, %	Скорость процесса	Продолжи-тельность, мин	Уд. выход фосфора на 1г сорбента, г/г
ДБ-200	9	250	173,34	69,31	90,06	2,94	730	3,85

Из данных таблицы 1 видно, что наилучшие результаты достигнуты при работе на сорбенте ДБ-200. Однако, необходимо отметить, что провести опыты до полной отработки сорбентов не удалось из-за разрушения гранул. Таким образом, сорбенты на основе бентонитовых глин, обработанных при температуре 200°С оказались непригодными для разрушения структуры фосфорных шламов вследствие низкой водостойкости. Дальнейшие исследования проводили на образцах гранулированных сорбентов ДБ-200, то есть обработанных при температуре 600°С. На рисунке 1 показана зависимость степени выделения фосфора из шлама от продолжительности процесса [4].

Рисунок 1. Зависимость степени выделения фосфора из шлама от продолжительности процесса при содержании Р₄ в исходном шламе 60,2% и 77,0% на сорбенте Дарбазинского месторождений

Из данных рисунка 1 видно, что содержание фосфора в исходном шламе оказывает существенное влияние на степень выделения фосфора. Повышение содержания Р₄ в исходном шламе на 17,2% позволило повысить степень выделения фосфора на 3,4%, удельный выход Р₄ на 1г. Сорбента 4,74% и выход фосфора на 10%.

С целью повышения степени выделения фосфора из шлама вводились технологические добавки в количестве 10, 20 и 30%. Результаты изучения влияния величины технологических добавок на степень выделения фосфора при разрушении структуры фосфоросодержащих сорбентов приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Влияние величины технологических добавок на степень выделения фосфора из шлама при использовании сорбента Дарбазинского бентонита (ДБ)

Как видно на рисунке 2 технологические добавки во всем интервале оказывают положительное влияние на степень извлечения фосфора из шлама на образцах сорбентов, полученных из различных месторождений. При этом показано, что максимальная степень извлечения фосфора для всех образцов сорбентов достигается при введении технологических добавок до 20%. Дальнейшее увеличение технологических добавок приводит к постепенному снижению количества выделяемого основного продукта из фосфоросодержащего шлама [5]. Таким образом, выполненные исследования показали, что разрушение структуры фосфорного шлама и выделение из него фосфора происходит в результате поглощения гидрофильной поверхностью сорбента органических и минеральных примесей, стабилизирующих эмульсию фосфора в воде. Установлено, что подбирая высоту слоя сорбента, скорость фильтрации, проводя периодическую промывку сорбента горячей водой равной 65 - 75°С можно полностью очистить выделенный фосфор от примесей и получить товарный продукт.

На основании проведенных исследований и испытаний выделения фосфора из шламов высокотвердофазными сорбентами на основе бентонитов нами рекомендуется для фосфорных производств технологическая схема с полной утилизацией отходов. Согласно этой схеме исходная бентонитовая глина первоначально измельчается до фракции <0,13 мм, смешивается с водой и техническими добавками. Затем сорбционная смесь подвергается термообработке, обеспечивающая высокую механическую прочность и максимальную водостойкость. Исходный фосфоросодержащий шлам передавливается горячей водой (65°С) в сорбционную колонну, заполненную гранулированным сорбентом. Разделение фосфора от минеральной части и органики происходит при температуре (70°С) [6]. После выделения фосфора из шламов фосфор из разделительной колонны самотеком поступает в приемную емкость. В целях повышения скорости процесса и снижения гидростатического сопротивления слоя, сорбент периодически подвергается противоточной отмывке от минеральных примесей (горячей водой при 65-80°С или раствором триполифосфата натрия), загрязняющих его в процессе разрушения структуры шлама. Образующиеся промывные воды со взвесями содержащие в свое составе фосфор (0,3%), направляются на станцию нейтрализации отходов. Отмытые от взвесей сорбенты используются повторно для разрушения структуры шламов до полной его отработки. Отработанный сорбент обеззараживается (прямотоком) растворами окислителей. Отходы сточных вод, образующиеся при этом, также направляются на станцию нейтрализации. Для полного удаления фосфора из сорбента проводится отгонка остаточного фосфора с водяным паром или термической обработкой. Образующиеся при перегонке фосфор и вода конденсируются. Фосфор перекачивается на склад, а вода содержащая фосфор – на станцию нейтрализации. Обеззараженный и очищенный от фосфора отработанный сорбент размельчается на мельнице Лише (с получением фракции 0,02 – 0,04 мм) для приготовления суспензии с плотностью 1,25 – 1,3 г/см³, которую рекомендуется использовать при грануляции (окомкование) размолотого фосфорного сырья, по обычной технологии, освоенной на фосфорных заводах.

Разработанную технологию возможно использовать при утилизации шламообразующих отходов производства. При этом необходимо подобрать режим термообработки гранул высоко твердофазных сорбентов на основе бентонитовых глин. Кроме этого данная технология имеет достаточно высокую конкурентоспособность, так как Казахстан располагает достаточными запасами бентонита (месторождений Дарбазинское, Кушмурунское и т.д.) [7].

Список использованной литературы:

1.Ершов В.А., Белов В.Н. Технология фосфора.-Л., Химия, 1979г., с.336

2.Белов В.Н., Смирнов Н.А. Представления о механизме образования в процессе получения фосфора. Сборник научных трудов. ЛенНИИГИПРОХИМа – Л., 1980г., с. 3-11, 43-51.

3.Белов В.Н., Бескин М.Л., Смирнова Н.А, Факторы, влияющие на процесс шламообразования в производстве элементарного фосфора. Фосфорная промышленность. 1979, выпуск №6, с. 1-2

4.Комаров В.С. Адсорбционно-структурные, физико-химические и каталитические свойства глин Беларуси – Минск, Наука и техника, 1970. С.318

5.Арипов Э.А. Природные минеральные сорбенты, их активирование и модифицирование. – Ташкент, 1970. С.252

6.Өмірбай Р.С., Шевко В.М., Маймаков К.К. Технология получения гранулированных сорбентов на основе бентонитовых глин. СБ.трудов.: «Нака, техника, технология», Легпром, Алматы, 1996, С.81-88

7. Өмірбай Р.С., Шевко В.М., Маймаков К.К. Применение бентонитовых глин в качестве сорбента при извлечении фосфора из шлама. Механика и моделирование процессов технологии, Жамбыл, 1995, №2, С.195-198.