Утилизация техногенных отходов путем гидрометаллургической переработки

Утилизация техногенных отходов путем гидрометаллургической переработки

Шубина Марианна Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент;

Махоткина Елена Станиславовна, кандидат технических наук, доцент

Магнитогорский государственный технический университет имени Г. И. Носова (Челябинская обл.)

В статье показана необходимость утилизации техногенных ванадиевых отходов и представлены результаты исследований по извлечению ванадия в виде растворимых ванадатов из металлургических ванадиевых шлаков с применением гидрометаллургической переработки. Выявлено существенное влияние на степень извлечение ванадия химического состава шлака и режимов выщелачивания. Наибольшая степень извлечения (65–87 % из шлака ОАО «НТМК» и 31–33 % из шлака процесса ITmk3) получена в результате выщелачивания при температуре 80 °С в течение 3 часов.

Ключевые слова: техногенные отходы, ванадиевый шлак, шлак процесса ITmk3, обжиг, выщелачивание, щелочные добавки, степень извлечения ванадия

Накопление значительных объемов техногенных отходов является одной из основных проблем промышленных регионов, поскольку приводит к ухудшению экологической обстановки. В России общее количество отходов составляет более 80 млрд. т, а ежегодно их образуется до 5 млрд. т. Основными источниками загрязнения окружающей среды опасными и токсичными отходами являются металлургические, нефтехимические предприятия и теплоэлектростанции. Высокой токсичностью характеризуются отходы металлургического производства, в частности, ванадийсодержащие, которые появляются в окружающей среде в результате переработки ванадийсодержащей руды и в составе ванадиевого шлака [1, 2]. Оказывая токсическое действие на живые организмы, ванадий и его соединения могут тормозить синтез жирных кислот и ингибировать некоторые ферментные системы, вызывать контактный дерматит и конъюктивит. Вместе с тем, в техногенных отходах содержится значительное количество ванадия, являющегося технически ценным металлом, который редко встречается в виде крупных ванадиевых месторождений и присутствует в рудах только в виде примеси (0,1–4,9 % V₂О₅). Следовательно, утилизация ванадиевых техногенных отходов позволит расширить сырьевую базу ванадия и сэкономить минеральные ресурсы, улучшить экологическую обстановку и сократить площади шламоотвалов с токсичными отходами [3–5].

В связи с этим, актуальным является решение проблемы утилизации техногенных ванадиевых отходов. Их переработка требует наличия соответствующих технологических решений. В проведенном исследовании проанализирована возможность утилизации отдельных видов ванадиевых металлургических шлаков путем их гидрометаллургической переработки с извлечением ванадия в виде растворимых ванадатов.

В лабораторном исследовании использованы шлак процесса ITmk3 с низким содержанием ванадия (табл. 1), полученного на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), и шлак ОАО «Нижнетагильского металлургического комбината» (ОАО «НТМК») с более высоким содержанием ванадия (табл. 2) [6–10].

Таблица 1

Таблица 2

Химический состав шлака ОАО «НТМК»

В исследованиях использовали образцы с шихтой, содержащей по 5 г шлака и 5 г щелочной добавки (соды Na₂CO₃). Все образцы подвергали окислительному обжигу в течение 1,5 часов при температуре 900 °С [11–13]. Выщелачивание этой шихты проводили при разных температурах от 50 °С до 80 °С с использованием воды в течение 1, 2 и 3 часов. Содержание ванадия в растворе определяли методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии (РФС) на энергодисперсионном спектрометре с помощью градуировочного графика, а также титриметрическим методом с применением соли Мора [14, 15].

Проведенные эксперименты, результаты которых представлены на рис. 1–2, позволили сравнить возможность извлечения ванадия из шлаков с разным химическим составом, полученных в разных металлургических процессах [16]. При этом выявлено, что с увеличением температуры выщелачивания (рис. 1) степень извлечения ванадия возрастает на 30–50 %. Наибольшая степень извлечения ванадия (65 % из шлака ОАО «НТМК» и 31 % из шлака процесса ITmk3) получена при температуре 80 °С. Кроме того, степень извлечения ванадия из шлака процесса ITmk3 в 2 раза ниже, чем из шлака ОАО «НТМК».

Увеличение длительности процесса выщелачивания с 1 часа до 2 и 3 часов (рис. 2) привело к росту степень извлечения ванадия на 40–80 %. Наибольшая степень извлечения ванадия (87 % из шлака ОАО «НТМК» и 33 % из шлака процесса ITmk3) получена при обработке в течение 3 часов. Кроме того, степень извлечения ванадия из шлака процесса ITmk3 в 2–2,5 раза ниже, чем из шлака ОАО «НТМК».

Рис. 1. Зависимость степени извлечения ванадия от температуры выщелачивания

Рис. 2. Зависимость степени извлечения ванадия от времени выщелачивания

Полученное различие в степени извлечения ванадия из шлаков, полученных в разных металлургических процессах, связано с особенностями химического состава этих шлаков (табл. 1, 2). Известно, что увеличение содержания SiO₂ в шлаке приводит к значительному ухудшению результатов и уже при содержании SiO₂ 16 % степень извлечения ванадия не превышает 35 % [17]. Шлак процесса ITmk3 содержит до 26,3 % оксида кремния, поэтому ванадий связан химически в стекловидной фазе, т. е. находится в нерастворимой форме, а значит, достигнутая в экспериментах с данным шлаком степень извлечения 31 % приближалась к максимально возможной. К тому же, существенно влияет на вскрытие и выщелачивание ванадия присутствие оксида марганца в шлаке. Уменьшение отношения MnO / V₂O₅ менее чем 0,45–0,50 приводит, при том же отношении CaO / V₂O₅, к снижению вскрытия и полноты извлечения ванадия.

Литература:

1. GoonanT. G. Vanadium recycling in the United States in 2004//Flow studies for recycling metal commodities in the United States: U. S. Geological Survey Circular. 2011. pp.1–17.
2. Mahdavian, A. Recovery of vanadium from Esfahan Steel Company steel slag; optimizing of roasting and leaching parameters / A. Mahdavian, A. Shafyei, E. Keshavarz Alamdari, D. F. Haghshenas // International Journal of ISSI. 2006. Vol. 3. № 2. pp. 17–21.
3. Рабинович Е., Гринберг Е. Области применения ванадия // Национальная металлургия. 2002. № 2. С. 33–36.
4. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Извлечение ценных компонентов из шлака процесса ITmk3 // Металлургия: технологии, инновации, качество / под ред. Е. В. Протопопова. Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. Ч.1. С. 340–344.
5. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Шлаки процесса прямого восстановления железа как источник получения ванадия и титана // Теория и технология металлургического производства, 2015. № 2 (17). С 60–65.
6. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Извлечение ванадия из шлака процесса ITmk3 // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 71-й международной научно-технической конференции / под ред. В. М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2013. Т.1. С. 168–171.
7. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Сравнительный анализ возможности извлечения ценных компонентов из шлаков металлургического производства // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 74-й международной научно-технической конференции / под ред. В. М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2016. Т.1. С. 265–268.
8. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Исследование возможности извлечения ванадия из шлаков переработки титаномагнетитов // Теория и технология металлургического производства, 2013. № 1 (13). С 75–77.
9. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Извлечение титана из шлака прямого восстановления титаномагнетитов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 73-й международной научно-технической конференции / под ред. В. М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2015. Т. 1. № 1. С. 255–258.
10. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Анализ возможности извлечения титана из шлака процесса ITmk3 // Наука и образование в современном обществе: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. Смоленск: НОВАЛЕНСО, 2015. Ч.1. С. 64–65.
11. Zhang, G. Extraction of vanadium from vanadium slag by high pressure oxidative acid leaching / G. Zhang, T. Zhang, G. Lu, Y. Zhang, Y. Liu, Z. Liu // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2015. Vol. 22. № 1. — pp. 21–23.
12. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Гидрометаллургический способ извлечения ванадия из шлака // Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды: сборник материалов III Всероссийской конференции с международным участием / отв. ред. К. В. Липин. Чебоксары: Изд-во «Новое время», 2013. С. 151–152.
13. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Исследование режимов обработки шлака процесса ITmk3 для извлечения ванадия // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 72-й международной научно-технической конференции / под ред. В. М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2014. Т.1. С. 279–282.
14. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Растворы: Учеб. пособие. М. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2006. 67 с.
15. Махоткина Е. С., Шубина М. В., Крылова С. А. Растворы электролитов и неэлектролитов: Учеб. пособие. М. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова,, 2012. 91 с.
16. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Переработка ванадийсодержащих шлаков по содовой технологии // Молодой ученый. 2016. № 14 (118). С. 201–204.
17. Ватолин Н. А., Молева Н. Г., Волкова П. И., Сапожникова Т. В. Окисление ванадиевых шлаков. М.: «Наука», 1978. 153 с.