Разработка технологии производства метаванадата аммония из черных сланцев месторождения Баласаускандык

УДК 669.292.2:669.053.4.                На правах рукописи  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

АЙМБЕТОВА ИНДИРА ОРАЗГАЛИЕВНА 
 
 
 

Разработка  технологии производства метаванадата аммония  из черных сланцев  месторождения Баласаускандык 
 
 

Специальность 05.16.02 – металлургия черных, цветных и редких металлов 
 
 
 
 
 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 
 
 
 
 
 
 
 
 

Республика  Казахстан

Алматы, 2010

Работа  выполнена в Республиканском  государственном предприятии «Национальный  центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан» 
 

Научные руководители:   

доктор технических  наук                                                   Козлов В.А. 

кандидат химических наук                               Нуржанова С.Б. 
 

Официальные оппоненты:        

доктор технических  наук                                                     Байконурова А.О.

                                                               

кандидат технических  наук                                                 Намазбаев С.К.

                                            

Ведущая организация: Южно-Казахстанский Государственный Университет имени М. Ауезова 

    Защита  состоится  22 декабря 2010 г. в 10⁰⁰ ч. на заседании диссертационного совета Д 53.17.01 при АО «Центр наук о Земле, металлургии и обогащения» по адресу: 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, 29/133. Факс 8-727-2914660, е-mail: ao.cnzmo@.rambler.ru. 
 
 

    С диссертацией можно ознакомиться в  библиотеке АО «Центр наук о Земле металлургии и обогащения» по адресу: 050010, г. Алматы, ул. Шевченко, 29/133.  
 
 

Автореферат разослан «_____»__________________ 2010 г. 
 
 
 
 

Ученый  секретарь 

диссертационного  совета

доктор  технических наук Агапова Л.Я.  
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

    Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена решению важнейшей проблемы вовлечения в переработку нетрадиционных сырьевых источников ванадия для получения качественной товарной продукции, пользующейся повышенным спросом в различных отраслях промышленности.

    Работа состоит из шести глав, в которых изложены методика и результаты исследования вещественного, минералогического, химического состава,  физико-химических свойств черных сланцев месторождения Баласаускандык Северо-Западного Каратау. Представлены данные о термодинамических величинах и окислительно-восстановительных потенциалах реакций окисления сульфидных минералов ванадия в зависимости от температуры, рассмотрены комплексообразующие свойства и кинетические закономерности кучного выщелачивания ванадия из сульфатизированного огарка, сорбционного извлечения и отделения его от сопутствующих элементов. Приведены результаты опытно-промышленных испытаний технологии переработки упорных руд, обеспечивающей получение качественного метаванадата аммония.

    Актуальность  темы исследований. Минерально-сырьевая база редких тугоплавких металлов и редкоземельных элементов в Казахстане достаточно велика для того, чтобы создать на ее основе горно-добывающую и перерабатывающую промышленность. Особую роль в этом ряду играет ванадий как легирующий и модифицирующий элемент, который широко используется в металлургии при производстве конструкционных сталей, обладающих повышенными физико-механическими свойствами. Поэтому необходимо углубление знаний о формах нахождения ванадия в рудных и нерудных образованиях, способах вскрытия и изучения ионного состояния ванадия в многокомпонентной водной среде, об эффективных ионообменных процессах. Огромные запасы ванадия содержатся в черных сланцах Большого Каратау: месторождения Баласаускандык, Курумсак и Джебаглы (с содержанием ванадия 0,8-1,2 %). В связи с этим разработка инновационных технологий переработки ультрадисперсных черносланцевых руд Каратау является актуальной задачей.

    Цель работы – развитие теоретических основ гидрометаллургических процессов и разработка технологии производства метаванадата аммония из черных сланцев месторождения Баласаускандык. В качестве объекта исследований было взято сырье месторождения Баласаускандык Северо-Западного Каратау.

    Научная новизна:

    - систематизацией ванадиевых минералов черносланцевой руды по характеру химической связи и химико-технологическим показателям процесса вскрытия установлено, что ванадий в основном сосредоточен в сложных по степени вскрываемости сульфидах (VS_, V₂S₅) и шпинелидах (VTiO₄(VO·Ti₂O₃), VO∙V₂O₃);

    - на основании результатов физико-химических  исследований свойств: коэффициента  дробимости, пористости и влажности  выявлено, что черные сланцы относятся  к рудам, легко поддающимся  механической обработки;

    - предельным насыщением измельченных  до оптимальной крупности дробления (в среднем 25 мм) черных сланцев серной кислотой и химическим анализом состава продуктивных растворов найдено, что упорные углерод-кремнеземистые руды, несмотря на высокую стехиометрическую кислотоёмкость (350 кг/т), обладают низкой кислотопоглощаемостью (до 140 кг/т), поскольку наряду с ванадием растворяются другие ценные элементы: уран, молибден и редкие земли;

    - предложен вероятный механизм  перехода ванадия в процессе  низкотемпературной сульфатизации  черных сланцев в кислоторастворимую форму под действием атомарного кислорода, образующегося в результате адсорбции на поверхности минералов и разложения триоксида серы за счёт аутокаталитического действия адсорбционного комплекса, подтвержденный термодинамическими величинами и окислительно-восстановительными потенциалами (ОВП) реакций окисления сульфидных минералов;

    - ИК-спектроскопической идентификацией  и измерениями ОВП технологических  растворов установлено, что ванадий  из предварительно сульфатизированных  черных сланцев выщелачивается в виде оксокатиона ванадила независимо от природы неорганических растворителей: воды или слабого раствора (3-х %) серной кислоты;

    - легкость и полнота отделения  оксокатионов ванадила от активно  сорбирующихся анионитом Ambersep 920 комплексных анионов шестивалентных урана и молибдена обосновывается разным валентным и ионным состоянием в растворах целевого металла и сопутствующих элементов;

    - обнаружено, что при кондиционировании  сорбционных фильтратов пероксидом  водорода, ванадий, меняя валентное  состояние, образует хорошо сорбирующиеся гетерокомплексные анионы, судя по высокой обменной емкости анионита Ambersep 920 (450 мг/г в пересчете на V₂O₅), которые при донасыщении смолы ванадием разрушаются, по всей вероятности, из-за склонности ванадат-ионов к конденсации и слабой связи с ними сульфат- и фосфат-ионов, перераспределяющихся обратно в сорбционный фильтрат.

    Основные  положения, выносимые  на защиту:

    - результаты исследования вещественного,  минералогического и химического  состава упорной углерод-кремнезёмистой руды;

    -  результаты анализа физико-химических  свойств черных сланцев;

    - результаты изучения термодинамических  величин, ОВП реакций окисления  сульфидных минералов в широком  температурном интервале и механизма  образования кислоторастворимых  соединений ванадия в процессе низкотемпературной сульфатизации черносланцевой руды;

    - результаты ИК-спектроскопической  идентификации состава соединений  ванадия и химического анализа  состава технологических растворов; 

    - результаты изучения поведения  ванадия и сопутствующих элементов: урана, молибдена и фосфора в растворах и ионообменной системе;

    - результаты опытно-промышленных  испытаний и внедрения технологии  получения метаванадата аммония  из черных сланцев.

    Практическая  значимость работы. Разработана и внедрена на опытном заводе ТОО «Фирма «Балауса» технологическая схема получения метаванадата аммония из черных сланцев месторождения Баласаускандык, базирующаяся на способах низкотемпературной сульфатизации руды и сорбционного аффинажа ванадия из поликомпонентных растворов кучного выщелачивания. Ожидаемый экономический эффект при переработке 30,0 тыс. т черносланцевой руды составляет 216,9 млн. тенге.

    Апробация работы. Результаты работы доложены на международных конференциях: «Ломоносов-2008» (Москва, МГУ, 2008 г.); «Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане» (Алматы, 2008 г.); «Мир науки» (Алматы, 2008 г.); «Жас Галым 2009» (Тараз, ТарГПИ, 2009 г.); «Сатпаевские чтения» (Алматы, ИГН МОН РК, 2009 г.); «Актуальные проблемы урановой промышленности», (Алматы, НАК «Казатомпром», 2010 г.). 

    Основное  содержание работы 

    1 Современное состояние  сырьевой базы  ванадия в Казахстане и проблема переработки черных сланцев Большого Каратау

    В литературном обзоре рассмотрены сырьевые источники ванадия, методы его извлечения из руд и техногенных отходов производства. Показано, что основные запасы ванадия на территории Казахстана сосредоточены в мощных залежах черных сланцев Каратау (69,4 %), титаномагнетитах (13,0 %), нефти (12,3 %), бокситах (4,1 %) и ильменитах (1,2 %).

    Критический анализ научной и патентной литературы показал, что многократные попытки вовлечения в переработку черносланцевых руд оказались безуспешными в связи с малоэффективностью процесса прямого кучного выщелачивания ванадия (15 %), переходом металла в высшую степень окисления при высокотемпературном окислительном обжиге, предопределяющем невозможность отделения его от урана, молибдена и других сопутствующих элементов известными способами. Это обосновывает необходимость проведения детальных научно-исследовательских работ для разработки технико-экономически приемлемых способов вскрытия упорных черносланцевых руд и селективного извлечения ванадия из чрезвычайно сложных по химическому и ионному составу продуктивных растворов.

    2 Исходное сырье, методы анализа и исследований

    Стандартными методами анализа горных пород и минералов определены химический состав и физико-механические свойства руды – дробимость, коэффициент пористости и др. Структурное состояние ванадия в образцах сланцев изучено методом рентгеноспектрального микроанализа на электронно-зондовом микроанализаторе марки Superprobe 733. Анализы элементного состава и фотосъемка минералов осуществлены энергодисперсионным спектрометром Inca Energy. ИК-спектры растворов сняты на двухлучевом инфракрасном спектрофотометре UR-20. Термические свойства образцов изучены на дериватографе Q-1500D. Газовый анализ выполнен хроматографом «Цвет-500». Низкотемпературное вскрытие проведено во вращающейся печи барабанного типа. Величины рН и ОВП в водных растворах определены рН-метром И-500 со встроенным платиновым электродом.

    3 Изучение фазового состава черных сланцев месторождения Баласаускандык

    Нижнекембрийские  углерод-кремнеземистые породы, известные  как черные сланцы, характеризуются аномально высоким содержанием ванадия, молибдена, урана и редкоземельных элементов. Основную часть ванадиеносных дуговых бассейнов слагают ванадиевые руды месторождений Северо-Западного Каратау (Баласаускандык, Курумсак и Джебаглы), запасы которых практически неограниченны и составляют сотни миллионов тонн. Химический состав черносланцевой руды месторождения Баласаускандык приведен в таблице 1.  

Таблица 1 – Химический состав черных сланцев