Применение универсального ультразвукового реактора для переработки концентратов руд редкоземельных металлов

Полный текст

Введение С каждым годом в различных областях науки и техники все в больших количествах применяются редкоземельные элементы (РЗЭ) [1-5]. Особенно отчетливо эта тенденция проявляется в последние 10-15 лет. В указанный период мировой рынок РЗЭ увеличился более чем в 1,5 раза: с 80,0 тыс. т в 2000 году до 130,0 тыс. т в настоящее время. При этом прогнозируется, что к 2020 году объем мирового спроса на РЗЭ вырастет еще больше и составит порядка 185 тыс. т. Столь быстрый рост потребления обусловлен многими уникальными физическими и химическими свойствами РЗЭ и их соединений оптического, магнитного, электрического характера и др. Постоянно растет поток научно-технических исследований по практическому использованию материалов, содержащих редкоземельные элементы, что стимулирует дальнейшее быстрое развитие производства РЗЭ и материалов на их основе. Это в свою очередь в значительной мере характеризует уровень развития науки и техники страны, особенно новейших высокотехнологичных отраслей, таких как электроника, приборостроение, авиакосмическая, оборонная, машиностроительная промышленность. В этой связи насущной потребностью сегодняшнего дня является разработка высокоэффективных технологий и комбинированных схем переработки различного сырья, содержащего РЗЭ, с тем чтобы достойным образом конкурировать с ведущими фирмами мира в создании РЗЭ высокой чистоты [6-10]. Известно [11-18], что при гидрометаллургической обработке чистота РЗЭ и их наиболее полное извлечение из руд и концентратов обусловлено аппаратурой, предназначенной для этих целей. В последние годы при проведении процесса выщелачивания (как головной операции переработки руд, содержащих РЗЭ) широко применяют аппараты ультразвуковой проточной обработки сырья [19- 21]. Эти аппараты призваны обеспечить наименьшие потери РЗЭ при их извлечении в раствор. Они надежно себя зарекомендовали, хотя имеют существенные недостатки. Например, габаритные размеры (длина и диаметр камер) рассчитываются для конкретного вида обрабатываемой среды (руды), что исключает возможность применения ультразвуковых устройств для одинаково эффективной обработки различных сред. Существует два пути решения данной задачи. Первый заключается в необходимости пристраивания к работающему аппарату дополнительных камер, что резко усложняет его конструкцию и эксплуатацию. Другой путь связан с разработкой универсальных устройств, способных эффективно перерабатывать различные типы концентратов руд, содержащих РЗЭ. Второму направлению поиска посвящена настоящая работа. Целью исследования является изучение эффективности переработки концентратов руд, содержащих РЗЭ, методом выщелачивания с применением универсального ультразвукового реактора, пригодного для переработки различных концентратов, содержащих РЗЭ. 1. Материалы и методы В работе использовалось специальное устройство, представляющее собой проточную камеру ультразвукового реактора, выполненную в виде полого цилиндра с возможностью размещения внутри нее стержня излучателя ультразвуковых колебаний. Камера также содержит входной и выходной патрубки, предназначенные для подачи суспензии сырья и извлечения из нее готового продукта. Для стабилизации надежной работы камеры внутрь нее вставлена цилиндрическая втулка, а в нижней части камеры установлены диск со сквозным отверстием в центре и кольца, расположенные одно над другим и фиксирующие положение втулки и диска в продольном направлении. Техническим результатом такой конструкции является возможность регулирования размеров рабочего пространства проточной камеры, а вместе с ней и размеров рабочего пространства ультразвукового реактора, что позволяет в различных вариантах настройки использовать камеру для обработки различных видов природного и техногенного минерального сырья с высокой степенью извлечения ценных компонентов. На рисунке схематично представлены различные варианты настройки (подготовки) устройства к работе. Так, из представленного на рисунке варианта а видно, что проточная камера (1) располагается между нижними (2) и верхними (3) фланцами ультразвукового реактора, внутри нее расположен излучатель ультразвуковых колебаний, выполненный в виде стержня переменного сечения (4). Излучатель (4) соединен с источником ультразвуковых колебаний (5). Камера содержит входной патрубок (6) для подачи суспензии сырья (руды) и выходной патрубок (7) для извлечения готового продукта из камеры. Вдоль внутренней поверхности проточной камеры установлена втулка (8). Снизу камеры установлены друг на друга кольца (9) и диск (10) со сквозным отверстием по центру (11) таким образом, что диск (10) зафиксирован между четвертым кольцом снизу и вторым кольцом сверху. Рисунок. Варианты настройки ультразвукового реактора [Figure. Variants of tuning of an ultrasonic reactor] Нижняя часть втулки (8) опирается на верхнее кольцо. Кольца (9) и диск (10) зафиксированы между собой с помощью разъемного соединения «выступ-паз». Диаметр сквозного отверстия (11) диска (10) равен внутреннему диаметру выходного патрубка (7). Вариант б демонстрирует второй способ настройки устройства, при котором проточная камера (1) ультразвукового реактора содержит втулку (8) и шесть колец (9), установленных друг на друга, поверх которых размещен диск (10) со сквозным отверстием (11). Диаметр сквозного отверстия (11) диска (10) равен внутреннему диаметру выходного патрубка (7). Нижняя часть втулки (8) опирается на диск (10). По третьему варианту (в) подготовки устройства к работе проточная камера (1) ультразвукового реактора, содержащая втулку (8), установленные друг на друга кольца (9) и диск (10) со сквозным отверстием (11), расположена таким образом, что диск зафиксирован между пятым снизу и первым сверху кольцами (9). Диаметр сквозного отверстия (11) диска (10) равен внутреннему диаметру выходного патрубка (7). Нижняя часть втулки (8) опирается на верхнее кольцо (9). При подготовке камеры к работе в ее нижней части на фланец (2) устанавливают одно над другим кольца (9) и диск (10) со сквозным отверстием в центре (11). В камеру вставляется втулка (8), нижняя часть которой опирается на верхнее кольцо (9) (варианты а, в) или диск (10) (вариант б). Кольца и диск содержат на прилегающих плоскостях, ближе к внешнему краю, кольцевые канавки и выступы прямоугольной формы, соответственно за счет которых осуществляется жесткая фиксация колец и диска между собой. Как правило, общая высота стопы колец с диском должна оставаться постоянной, чтобы не изменять длину втулки, установленной на стопу. Это дешевле и проще, чем изготавливать каждый раз втулку разной длины. При этом положение диска (10) в продольном направлении можно изменять, устанавливая его вместо одного из колец. Посредством втулки (8), которая может иметь разную толщину, изменяют размеры рабочего пространства для прохождения обрабатываемой суспензии вдоль стержня излучателя (4), а посредством диска (10), который можно переставлять в продольном направлении, изменяют рабочее пространство камеры снизу. При этом во избежание пробоя минимальное расстояние от диска до торца стержня излучателя составляет 5-10 мм. Процесс осуществляют следующим образом. Для получения суспензии (пульпы) руды в обогреваемую емкость заливают щелочную жидкость, включают механическую мешалку и засыпают в нее синтезируемые компоненты. Подают пульпу через входной патрубок (6) и насосом прокачивают ее в режиме рециркуляции через проточную камеру (1) ультразвукового реактора. В проточной камере (1) компоненты пульпы подвергаются интенсивному ударно-волновому акустическому воздействию с частотой колебаний 18-22 кГц, приводящему к диспергированию, обновлению поверхности и быстрому протеканию массообменных процессов. Ультразвуковая обработка пульпы способствует образованию трещин на твердых частицах, а при последующем соударении частиц к их раскалыванию и сдиранию природных пленок. Это открывает доступ выщелачивающего агента к частицам извлекаемого компонента. По окончании процесса растворения/выщелачивания готовый продукт (раствор или суспензию) откачивают насосом через выходной патрубок (7) в емкость-накопитель или направляют на фильтрацию. Поскольку появилась возможность регулирования размеров рабочего пространства проточной камеры, экспериментально размеры подбирают таким образом, чтобы при неизменной мощности ультразвукового излучателя интенсивность акустического воздействия на различные виды суспензий возрастала. При этом достигается высокая степень извлечения ценных компонентов в раствор. 2. Результаты экспериментов Рассмотрим результаты экспериментов по ультразвуковой обработке (выщелачиванию) нескольких видов руд с использованием проточной камеры. В экспериментах была использована проточная камера ультразвукового реактора и втулка, выполненные из труб стандартного диаметра, материал - нержавеющая сталь (либо материал, стойкий к обрабатываемой суспензии). При этом внутренний диаметр проточной камеры составлял 90 мм, длина - 453 мм, длина стержня излучателя - 318 мм, диаметр - 34-50 мм. Кольца (9) и диск (10) имели толщину 10 мм. Эксперименты проводили подбором оптимального размера рабочего пространства проточной камеры. Опишем каждый из примеров выщелачивания. Пример 1. Выщелачивание фосфатной редкоземельной руды раствором едкого натра. В стальной обогреваемый реактор заливают 6 л раствора едкого натра с концентрацией 450 г/л. Раствор нагревают до 110-115 °С. При тщательном перемешивании в раствор подают 2000 г фосфатной редкоземельной руды крупностью менее 0,1 мм, составом (%): Р2О5 - 22,1; Al2O3 - 14,4; сумма редкоземельных оксидов - 19,8. Через входной патрубок (6) в проточную камеру (1) подают суспензию со скоростью 1 л/мин. Выщелачивание суспензии проводят по 5 мин в режиме с ультразвуковой обработкой материала. Общее время выщелачивания составляет 90 мин. После этого пульпа подается на фильтр. Снятый с него твердый остаток (кек) промывают горячей водой, сушат и отправляют на анализ. Пример 2. Выщелачивание урана из аргунского концентрата раствором карбоната натрия. В стальной обогреваемый реактор заливают 6 л раствора карбоната натрия с концентрацией 100 г/л. Раствор нагревают до 70°С. При тщательном перемешивании в раствор подают 600 г концентрата крупностью менее 0,2 мм, составом (%): U - 0,72; Мо - 0,18; SiO2 - 40,0; СаО - 24,0; MgO - 11,4; Fe - 2,2; Аl2O3 - 0,8; S - 0,4; Zn - 0,18; P2O5 - 0,07. Через входной патрубок (6) в проточную камеру (1) подают суспензию со скоростью 1 л/мин. Выщелачивание суспензии проводят по 5 мин в режиме с ультразвуковой обработкой материала. Общее время выщелачивания составляет 45 мин. После этого пульпа подается на фильтр. Снятый с него твердый остаток (кек) промывают горячей водой, сушат и отправляют на анализ. Пример 3. Выщелачивание урана из браннеритового концентрата раствором карбоната натрия. В стальной обогреваемый реактор заливают 6 л раствора карбоната натрия с концентрацией 50 г/л. Раствор нагревают до 70 °С. При тщательном перемешивании в раствор подают 600 г браннеритового концентрата крупностью менее 0,3 мм, составом (%): U - 0,22; SiO2 - 57,9; TiO2 - 1,2; Аl2O3 - 10,8; Fe2O3 - 3,5; FeO - 1,5; S - 0,4; MnO - 0,12; MgO - 1,8; Na2O - 1,6; K2O - 6,6; P2O5 - 0,5; CaF2 - 1,0; CaCO3 - 9,0; S - 3,2. Через входной патрубок (6) в проточную камеру (1) подают суспензию со скоростью 1 л/мин. Выщелачивание суспензии проводят по 10 мин в режиме с ультразвуковой обработкой материала. Общее время выщелачивания составляет 90 мин. После этого пульпа подается на фильтр. Снятый с него твердый остаток (кек) промывают горячей водой, сушат и отправляют на анализ. По результатам химического анализа оценивали степень извлечения ценных компонентов в раствор. Данные представлены в таблице. Таблица № Концентрат Условия выщелачивания Извлечение в раствор, % Степень извлечения в раствор, % t, мин L1, мм L2, мм 1 фосфатный 90 15/5 25/5 P2O5/Al2O3 3/96 5/98 2 аргунский 45 10/5 5/5 U 4,5 7,5 3 браннеритовый 90 15/10 5/5 U 6,3 8,3 Выщелачивание различных концентратов проточной камеры: L1 = 5-10 мм, L2 = 5-15 мм, обеспечивающие наиболее высокие показатели процесса по степени извлечения урана в карбонатный раствор. Выщелачивание браннеритового концентрата в проточной камере обеспечивает степень извлечения урана в раствор на уровне 96,3-98,3 %. При этом оптимальные размеры ее рабочего пространства, обеспечивающие максимальный выход урана в карбонатный раствор, составляют L1 = 10-15 мм, L2 = 5-15 мм. Таким образом, применение проточной камеры ультразвукового реактора для обработки различных составов суспензий позволяет извлекать в раствор от 93 до 98,3 % ценных компонентов минерального сырья. Применяемый в работе аппарат защищен патентом (полезная модель) Российской Федерации [22]. № Concentrate Leaching conditions Extraction in solution, % Degree of extraction in solution, % t, min L1, mm L2, mm 1 phosphate 90 15/5 25/5 P2O5/Al2O3 3/96 5/98 2 argun 45 10/5 5/5 U 4.5 7.5 3 brannerite 90 15/10 5/5 U 6.3 8.3 Leaching of various concentrates Table Выводы В ходе исследования предложен и испытан аппарат ультразвуковой проточной обработки рудного сырья (концентрата), содержащего РЗЭ. Установлены оптимальные режимы работы устройства, обеспечивающие его стабильное функционирование при выщелачивании РЗЭ из различных сред. Экспериментально установлена высокая эффективность использования устройства при выщелачивании различных типов концентратов (фосфатного, аргунского и браннеритового). Показано, что степень извлечения P2O5, Al2O3 и урана в раствор при выщелачивании данных концентратов составляет не менее 93,0-98,3 %. 3. Обсуждение Как видно из таблицы, использование ультразвукового воздействия на процесс выщелачивания в проточной камере фосфатного концентрата обеспечивает следующую степень извлечения ценных компонентов в раствор: Р2О5 = 93-95 %; Al2O3 = 96-98 %. При этом указанную степень извлечения ценных компонентов в раствор обеспечивают размеры рабочего пространства проточной камеры, равные: L1 = 5-15 мм, L2 = 5-25 мм. При выщелачивании аргунского концентрата в проточной камере с указанными размерами ее рабочего пространства степень извлечения урана в раствор составила 94,5-97,2 %. При этом установлены оптимальные размеры рабочего пространства

Об авторах

Марианна Юрьевна Малькова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: marianna300@yandex.ru

Профессор департамента строительства, Инженерная академия, д.т.н., профессор

Российская Федерация, 117198, Москва, Миклухо-Маклая, 6

Александр Никитич Задиранов

Российский университет дружбы народов

Email: marianna300@yandex.ru

Профессор департамента строительства, Инженерная академия, д.т.н., профессор

Российская Федерация, 117198, Москва, Миклухо-Маклая, 6

Список литературы