Производство солей и минеральных удобрений. Калийные удобрения

Wa _ж-т = d_ж-г + d_г-г — d_ж-т, где d_ж-г, d_т-г, d_ж-т — удельная свободная поверхностная энергия на границе соответствующих фаз.

Прилипание гидрофобных частиц к пузырькам воздуха определяется работой адгезии минерал —  воздух Wa_т-г ;

Wa _т-г⁼d_ж-г(1+cosq) (1)

Плотность агрегата минерал—воздух меньше, чем плотность  того же объема пульпы, поэтому он всплывает  на поверхность.

Большинство минералов природных  руд мало отличаются по смачиваемости  друг от друга. Для их разделения необходимо создать условия неодинаковой смачиваемости  водой отдельных компонентов  породы, для чего применяют разнообразные  химические соединения — флотационные реагенты. Они избирательно усиливают или ослабляют смачиваемость водой, а также прилипаемость к пузырькам воздуха взвешенных минеральных частиц. Внесенные в пульпу флотореагенты, называемые собирателями (коллекторами), адсорбируются поверхностью определенного минерала (минералов), образуя гидрофобный адсорбционный слой. Гидрофобизированные частицы прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются на поверхность пульпы в пену, находящуюся на поверхности пульпы, и удаляются вместе с нею. Собирателями служат поверхностно-активные органические вещества, содержащие полярную и неполярную группы, например жирные кислоты и их мыла, такие, как олеиновая, нафтеновые, а также ксантогенаты, чаще всего калия.

Полярные группы молекул собирателя при адсорбции направлены в сторону  поверхности минеральных частиц, а неполярные — в сторону воды, образуя гидрофобную оболочку. Частицы, которые не адсорбируют коллекторы, в частности пустая порода, остаются в пульпе, образуя так называемый камерный продукт.

Минерализованная пена (пенный продукт), которая и дает флорационный концентрат, должна быть устойчивой, плотной и подвижной. Такая пена создается внесением в суспензию пенообразователей, поверхностно-активных веществ, образующих адсорбционные пленки на поверхности пузырьков воздуха. К наиболее эффективным пенообразователям относятся сосновое масло, вспениватели ОПСБ, Т-80 и др. Расход вспенивателей составляет 25—100 г/т.

Для изменения флотируемости минералов  путем регулирования действия на их поверхность собирателей применяется  группа реагентов, объединяемых под  общим названием модификаторы: к  ним относятся депрессоры, активаторы и регуляторы среды. К депрессорам, которые повышают смачиваемость  твердых частиц, относятся известь, цианиды, цинковый купорос, силикат  натрия (жидкое стекло), сульфит натрия и др. Активаторы (применяют для  активации поверхности) — медный купорос, серная кислота, сульфид натрия и др. К регуляторам среды относят  известь, соду, серную кислоту.

В зависимости от формы разделения компонентов руды различают коллективную и селективную флотацию.

Коллективной флотацией называют процесс, при котором получают концентрат, содержащий все полезные компоненты, и пустую породу. Коллективный концентрат затем может быть разделен на отдельные  составляющие. Это разделение можно  осуществить с помощью избирательной  или селективной флотации. При  избирательной флотации кроме собирателей  и пенообразователей в процесс  вносят депрессоры, способные усиливать  гидрофильность определенных минералов, препятствуя их всплыванию.

Последующим внесением активаторов  снимают действие депрессоров и  способствуют всплыванию минералов, которые  в предыдущей стадии флотации погрузились  в жидкость. Эффективность флотации повышается добавкой регуляторов, изменяющих рН среды и усиливающих воздействие  флотореагентов. Так, при обогащении медно-никелевых руд получают медный, никелевый и пирротиновый концентраты.

Процесс флотации осуществляется во флотационных машинах, где пульпа перемешивается и насыщается воздухом, который диспергируется на мелкие пузырьки. По способу перемешивания и аэрации пульпы флотационные машины разделяются на механические, пневмомеханические и пневматические. Широкое применение имеют пневмомеханические флотационные машины, в которых перемешивание пульпы осуществляется одновременно импеллером и сжатым воздухом. На рисунке 6 представлена схема пневмомеханической машины ФПМ-6,3 М, разработанная институтом «Механобр». Через полый вал (5), который вращает импеллер (3), подается сжатый воздух, который диспергируется с помощью импеллера и поддерживает во взвешенном состоянии частицы руды флотационной пульпы, находящейся в камере машины (1). Пенный продукт через сливной порог (4) подается на дальнейший передел на флотационный концентрат. Производительность таких машин по потоку может достигать 6 т/ч.

Рисунок 6 – Cхема пневмомеханической машины ФПМ-6,3 М

Для многих процессов обогащения применяют пневматические машины ФП-100. Машины такого типа применяют для обогащения некоторых руд цветных металлов, угля, солей и других полезных ископаемых. Машина представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру с коническим основанием, имеющим угол наклона до 50°. В нижней конической части по оси машины устанавливается аэратор из листовой резины, а сверху крепится основной трубчатый аэратор. Он представляет собой набор перфорированных эластичных трубок, через которые подается аэрационный воздух. Аэратор этой конструкции обеспечивает хорошее диспергирование воздуха в пульпе и поддержание твердой фазы во взвешенном состоянии при одновременном энергичном перемешивании фаз. Загрузка машины осуществляется в верхней ее части через штуцер. Пенный продукт (концентрат) выгружается самотеком через кольцевой желоб и пенный сливной порог. Камерный продукт (хвосты обогащения) выгружается через шиберный карман и разгрузочное устройство, с помощью которых поддерживается определенный уровень пульпы в машине. В верхней части установлен пеноотбойник, направляющий пену от центра к периферии. Регулированием расхода и давления воздуха, подаваемого на аэрацию, можно управлять процессами минерализации пены, качеством и выходом концентрата. Применяемые в России машины этого типа имеют объем камеры 100 м³ и производительность по пульпе до 20 м³/мин.

При расчете флотационных машин  определяют время флотации т, необходимое  для обеспечения заданной степени  извлечения х флотируемого минерала. Величину t получают опытным путем или интегрированием кинетического уравнения флотации:

U =dx/dv= kNj_закр (2)

где U – скорость флотации;

N – число пузырьков воздуха, проходящих через пульпу в единицу времени;

 j_закр – вероятность устойчивого закрепления частиц минерала на пузырьках;

 K – константа скорости процесса, зависящая от свойств флотируемого материала.

Производительность пневматических машин Q (м³/ч) определяют по формуле

Q=60LSk/t(R+1/r), (3)

где L — длина машины, м;

S — площадь живого сечения  камеры  машины, м²;

k — коэффициент, учитывающий изменение объема пульпы вследствие насыщения ее воздухом и снижения уровня пульпы в машине (k=0,7¸0,8);

t — продолжительность флотации, мин;

R — отношение жидкого к твердому в пульпе;

r — плотность твердой фазы, т/м³.

Производительность механических и пневмомеханических машин находят  по формуле

Q=60v_knk/t(R+l/r), (4)

где v_k — объем флотационной камеры, м³;

n — число камер в машине.

Число камер в  машине определяют по следующему соотношению:

n= vt/(1440t), (5)

где v — суточный объем флотируемой пульпы, м³.

Основными показателями процесса обогащения являются:

1 извлечение полезного компонента в концентрат;

2 выход концентрата;

3 качество концентрата;

4 эффективность флотации.

Эффективность h процесса флотации характеризуется отношением содержания полезного компонента в концентрате к содержанию его в исходной руде:

h = gb/a. (6)

 

4 Характеристика основных продуктов и область применения полученных продуктов

 

 Минеральные удобрения – источник различных питательных элементов для растений и свойств почвы, в первую очередь азота, фосфора и калия, а затем кальция, магния, серы, железа. Все эти элементы относятся к группе макроэлементов («Макрос» по-гречески – большой), так как они поглощаются растениями в значительных количествах. Кроме того, растениям необходимы другие элементы, хотя и в очень небольших количествах. Их называют микроэлементами («Микрос» по-гречески – маленький). К микроэлементам относятся марганец, бор, медь, цинк, молибден, иод, кобальт и некоторые другие. Все элементы в равной степени необходимы растениям. При полном отсутствии любого элемента в почве растение не может расти и развиваться нормально. Все минеральные элементы участвуют в сложных преобразованиях органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза. Растения для образования своих органов – стеблей, листьев, цветков, плодов, клубней – используют минеральные питательные элементы в разных соотношениях.

В почвах обычно имеются все необходимые  растению питательные элементы. Но часто отдельных элементов бывает недостаточно для удовлетворительного  роста растений. На песчаных почвах растения нередко испытывают недостаток магния, на торфяных почвах – молибдена, на черноземах – марганца и т. д. Недостаток элементов восполняется при помощи удобрений. Почвенную  кислотность устраняют при помощи углекислых солей кальция и магния.

Применение минеральных удобрений  – один из основных приемов интенсивного земледелия. С помощью удобрений  можно резко повысить урожаи любых  культур на уже освоенных площадях без дополнительных затрат на обработку  новых земель. При помощи минеральных  удобрений можно использовать  даже самые бедные, так называемые бросовые земли.

Всем живым организмам необходимы вещества, регулирующие скорость биохимических  реакций. Микроэлементы и входят в состав таких веществ, например ферментов. Действие их многообразно. Например, железо, марганец и цинк входят в состав некоторых ферментов  – катализаторов окислительно-восстановительных  реакций. Железо способствует образованию  хлорофилла. При внесение ничтожных  количеств молибдена урожайность  бобовых резко возрастает. Соединения молибдена повышают каталитическую активность ферментов, участвующих  в реакциях связывания атмосферного азота бактериями.

Как же осуществляется питание растений содержащимися  в почве элементами? Обратимся  к теории электролитической диссоциации. Растения избирательно извлекают необходимые  элементы из водного почвенного раствора в виде ионов (катионов NH4 , К, Mg, Ca, H, анионов NO3, H2PO4, SO4 и другие). По мере извлечения питательных веществ растениями почвенный раствор должен пополняться ими. Как это происходит? Азот почвы почти целиком входит в недоступные растениям органические соединения. Основная масса фосфора входит в состав нерастворимых в воде неорганических соединений (фосфаты алюминия, железа и другие) и органических соединений. В почвах содержится много соединений серы, калия, магния, микроэлементов. Но лишь малая часть их находится в доступных усвоению растениями формах.

Под влиянием разнообразных химических реакций  и при участии микроорганизмов  происходит постепенный переход  питательных элементов из неусвоемого  состояния в ионное. Но эти ионы были бы вымыты водой, если бы они не удерживались почвенными ионитами. Удерживаемые ионитами ионы составляют основную массу  содержащихся в почве питательных  материалов в доступной для растений форме. Между ионитами и растворенными  веществами протекают обменные реакции, в результатеорганических веществ, и прежде всего углеводов. Значит, растению прежде всего необходимы фосфорные  удобрения. Содержание питательных  веществ в удобрении выражают в процентах P2O5, N и K2O.

Выпускаются также удобрения, содержащие два  или три элемента, иногда с добавлением  и микроэлементов.

Азотные удобрения производят на заводах, связывая азот воздуха с водородом. В результате образуется аммиак, который затем  окисляется до азотной кислоты. Соединяя аммиак с азотной кислотой, получают наиболее распространенное азотное  удобрение – аммиачную селитру, которая содержит около 34% азота.

Сырьем  для изготовления фосфорных удобрений  служат минералы апатит и фосфорит. Тонко размолотый апатит или фосфорит обрабатывают серной кислотой и получают суперфосфат – основное фосфорное  удобрение. Почти вся фосфорная  кислота, находящаяся в суперфосфате, растворяется в воде и хорошо усваивается  растениями. Большая часть суперфосфата выпускается заводами в гранулированном  виде. Фосфорная кислота из суперфосфата, внесенного в почву в виде порошка, быстро переходит в соединения, малодоступные  для растений. В гранулах же фосфорная  кислота значительно дольше остается в том состоянии, в котором  она легко усваивается растениями.

Хорошее фосфорное удобрение – то –  масшлак, особенно для кислых почв. Его получают из отходов переработки  железной руды, содержащей фосфор. Изготовляются также термофосфаты. Их получают, сплавляя минералы, содержащие фосфор, с содой и щелочами.

Наиболее  распространенное калийное удобрение  – 40 % калийная соль. Ее получают из  хлористого калия, добавляя к нему соответствующее количество сильвинита или каинита. С ними в калийную соль попадает немного натрия, который хорошо действует на некоторые культуры, особенно заметно повышается урожай сахарной свеклы и увеличивается сахаристость плодов томатов. Внесение калийной соли в почвы, бедные калием, например в торфяные или болотные, может давать значительную прибавку урожая.

Все больше выпускают удобрений, содержащих 2 или 3 питательных элемента. По два питательных элемента в калийной селитре и аммофосе, три элемента в нитрофосках и аммофосках. В таких комбинированных удобрениях меньше балласта – ненужных для растений соединений.

Для разных культур необходимы разные количества и соотношения удобрений. Точные дозы удобрений устанавливаются  агрохимическими лабораториями  на основе анализов почв каждого поля.

Некоторые почвы бедны отдельными микроэлементами. В этих случаях вносят микроудобрения. Бор вносят в почву в виде боромагниевого удобрения, содержащего около 6 % борной кислоты. Нашей промышленностью выпускается двойной борный суперфосфат, содержащий 36 % фосфорной кислоты и около 7 % борной кислоты.