Химия и химические технологии/8. Кинетика и катализ

 

К.х.н., доцент Телеш А.Д.

Таганрогский политехнический институт – филиал ДГТУ, Россия

Кинетика взаимодействия боксита с серной кислотой

 

Для высококремнистого алюминийсодержащего сырья более рациональными, перед традиционными щелочными способами, становятся кислотные методы переработки, в частности сернокислотный [1], позволяющие уже в самом начале технологического процесса провести селективное отделение  кремнезёма, сократив материальные потоки.

Нами изучалась кинетика процесса сернокислотного выщелачивания лигнитового боксита следующего состава, %: Al2O3 – 42,31; Fe2O3 – 5,58; FeO – 1,93; SiO2 – 22,52; CaO – 1,96; MgO – 0,60; TiO2 – 0,40; CO2 – 1,10; потери при прокаливании – 25,50.

Эксперименты проводили в реакторах из термо- и химическистойкого стекла, снабжённых рубашками, соединенных с термостатом, обратными холодильниками и электрическими мешалками.

Измельчённый до крупности ~0,2 мм боксит помещали в реакторы, куда добавляли необходимое количество предварительно подогретой до температуры опыта серной кислоты 60 % концентрации и включали перемешивание, скорость которого была постоянной и равной 60 об./мин. Массовое отношение Ж:Т = 2 в каждом опыте. Кинетические кривые, отражающие зависимость степени извлечения алюминия от времени и температуры, показаны на рис.1.

Математическая обработка полученных результатов заключалась в подборе теоретических кинетических уравнений для описания экспериментальных данных. Были применены уравнения Яндера и Гинстлинга-Броунштейна [2], Журавлёва-Лесохина-Темпельмана [3], Ерофеева-Колмогорова, Рогинского, Саковича [4, 5], а также эмпирическое уравнение, предложенное для описания кинетики сернокислотного разложения глинистой руды [6]. Уравнения приводились к виду, где зависимость степени превращения α от времени τ носила линейный характер. Затем проводилась аппроксимация полученной зависимости полиномом первого порядка. Требовалось найти такое уравнение с оценкой его параметров, чтобы дисперсия

адекватности расчётной прямой была минимальной.

Экспериментальные данные лучше всего описывается уравнением, по форме совпадающим с уравнением Ерофеева-Колмогорова, которое можно представить в виде:

                                                                           ,                                              (1)

где α – степень извлечения; k – константа скорости; τ – продолжительность выщелачивания; m – параметр, зависящий от механизма реакции, геометрии частиц, гидродинамических условий образования центров кристаллизации и степени гидратации.

Данное уравнение описывает образование центров кристаллизации и его отличие от уравнения Ерофеева-Колмогорова заключается в физическом смысле параметра m. Возможность использования этого уравнения можно обосновать диффузией ионов гидроксония к активным центрам минералов, существование которых предполагается ещё до начала взаимодействия с кислотой. В дальнейшем при выщелачивании происходит уменьшение удельной поверхности частиц и числа активных центров. Одновременно на месте последних образуются зародыши продуктов реакции, которые параллельно гидратируются и диффундируют в раствор [7]. Уравнение образования центров кристаллизации было с успехом использовано при обработке кинетических кривых взаимодействия каолинита с серной кислотой [7].

Найденные по уравнению (1) кинетические параметры приведены в табл.1. Там же даны значения дисперсии адекватности при аппроксимации кинетических зависимостей, представленных в координатах ln[ln(1/(1-α))] – lnτ, полиномом первого порядка.

Таблица 1. Результаты обработки кинетических кривых разложения боксита серной кислотой

Температура, оС

ln k

m

Sад.

70

-1,13

0,26

0,053

90

-1,16

0,29

0,069

100

-1,05

0,32

0,073

110

-1,05

0,36

0,056

Энергия активации (E) и предэкспоненциальный множитель (ko) уравнения Аррениуса для реакции извлечения Al2O3 были найдены из линейной зависимости ln k от 1/T методом наименьших квадратов. Уравнение Аррениуса при этом имеет вид [8]:

                                                                                     .                                     (2)

Рассчитанные значения энергии активации и натуральный логарифм предэкспоненциального множителя для процесса разложения глинозёмсодержащих минералов боксита составляют 2,53 кДж/моль и -0,26, соответственно. Низкая величина энергии активации свидетельствует о протекании процесса в диффузионной области.

 

Литература:

1. Маматов Э.Д., Хомиди Абдул Куддус. Разложение алюминийсодержащих руд с применением серной кислоты и газообразного хлора. – Международный научный журнал, № 6, 2015.

http://cyberleninka.ru/article/n/razlozhenie-alyuminiysoderzhaschih-rud-s-primeneniem-sernoy-kisloty-i-gazoobraznogo-hlora#ixzz3ye6jug7y

2. Вольдман Г.М., Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. – 464 с.

3. Будников П.П., Гинстлинг А.М. Реакции в смесях твёрдых веществ. – М., 1971. – 490 с.

4. Янг Д. Кинетика разложения твёрдых веществ. – М.: Мир, 1969. – 264с.

5. Розовский А.Я. Кинетика топохимических реакций. – М.: Химия, 1974.– 224 с.

6. Sancho J.P., Verdeja L.F., Llavona M.A. Kinetic parameters of aluminium extraction from Spanish clays with sulfuric acid. – Trav. Com. Int. etude bauxite, alumina et alum., 1983, v. 13, № 18, p. 315-321.

7. Лайнер Ю.А. Комплексная переработка алюминийсодержащего сырья кислотными способами. – М.: Наука, 1982. – 208 с.

8. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. – М.: ВШ, 1984. – 463 с.