Способ получения оксида магния

 

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к способам получения окиси магния из природного сырья, в частности из серпентинита. Изобретение решает задачу окиси магния высокой чистогты из сырья, содержащего большое количество соединений кремния, экономичным и экологически чистым способом. Поставленная задача решается тем, что в способе получения окиси магния из природного сырья, включающем растворение его в минеральной кислоте, отделение нерастворившегося остатка от раствора, очистку раствора от примесных металлов, осаждение магнийсодержащего соединения и последующую его термообработку, согласно изобретению, в качестве минеральной кислоты используют серную кислоту концентрацией не менее 20 мас.%, отделение нерастворившегося осадка от раствора производят путем охлаждения образующейся на стадии растворения сырья в кислоте смеси до состояния кристаллизации с последующей промывкой ее водой, очистку раствора от примесных металлов осуществляют осаждением последних в виде гидроокисей при рН 5-7 и отделением полученного осадка от раствора, магнийсодержащего соединение осаждают в виде гидроокиси магния при рН 10-12, а термообработку проводят в две стадии при 200 - 450^oC и 450 - 850^oC, после чего промывают полученный продукт водой.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к способам получения окиси магния из природного сырья, в частности из серпентинита.

Известен способ получения смеси магния из серпентинита [1], включающий сплавление его с сульфатом аммония при температуре от 250^oC до 400^oC, выщелачивания продукта сплавления водой, очистку полученного раствора сульфата магния от примесей металлов осаждением их в виде гидроокисей фракционной нейтрализацией, осаждение гидроокиси магния аммиаком при pH 10 - 10,5, осаждение карбоната магния карбонатом аммония при pH 11 - 11,5, отмывку полученных осадков от сульфат-иона и последующую термообработку при температуре 750^oC.

Данный способ является экономичным, так как обеспечивает возможность рециркуляции побочных продуктов реакции в технологическом процессе получения целевого продукта.

Однако согласно данному способу трудно получить продукт с высоким содержанием основного вещества. При сплавлении серпентинита с сульфатом аммония атомы кремния, которые в большом количестве присутствуют в серпентините, экранируют ионы металлов в кристаллической решетке образующегося сплава, что затрудняет их извлечение в виде солей из кристаллической решетки. Кроме того, гидроокись магния обладает способностью хорошо сорбировать сульфат-ионы, поэтому отмывка магнийсодержащих осадков от сульфат-ионов, производимая до стадии их термообработки, не обеспечивает высокую чистоту целевого продукта.

Известен способ получения окиси магния из природного сырья [2], наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способу и выбранный авторами за прототип.

Способ включает растворение сырья серной кислотой, отделение нерастворившегося остатка от раствора сульфата магния, очистку последнего от примесей металлов осаждением их в виде гидроксидов, при pH = 5 - 7 с последующим отделением осадка, осаждение гидроксида магния из сульфатного раствора обработкой его щелочным агентом, отделение осадка целевого продукта и термообработку его в две стадии.

Данный способ является экономичным и обеспечивает значительную степень химической очистки целевого продукта.

Однако указанная технология не позволяет полностью разложить серпентиниты со сложной кристаллической структурой, содержащие в своем составе повышенное количество - до 40% - двуокиси кремния.

Предлагаемый способ решает задачу создания экономичного и экологически чистого способа получения окиси магния высокой чистоты из природного магнийсодержащего сырья, в котором присутствует большое количество соединений кремния, в частности, из серпентинита.

Сущность способа заключается в том, что природное магнийсодержащее сырье растворяют в минеральной кислоте, отделяют нерастворившийся остаток от раствора, очищают раствор от примесных металлов, осаждают магнийсодержащее соединение и подвергают полученный осадок термообработке, причем в качестве кислоты используют серную кислоту концентрацией не менее 20 мас.%, отделение нерастворившегося остатка проводят путем охлаждения образующейся на стадии растворения сырья в кислоте смеси до состояния кристаллизации с последующей промывкой закристаллизованной смеси водой, очистку раствора от примесных металлов осуществляют осаждением из в виде гидроокисей при pH раствора 5 - 7 и отделением полученного осадка от раствора, магнийсодержащее соединение осаждают в виде гидроокиси магния при pH раствора 10 - 12, а термообработку проводят в две стадии при температуре от 200^oC до 450^oC и при температуре от 450^oC до 850^oC, после чего промывают полученный продукт водой.

Новым в способе является то, что используют серную кислоту концентрацией не менее 20 мас.%, отделение нерастворившегося остатка от раствора проводят путем охлаждения образующейся на стадии растворения сырья в кислоте смеси до состояния кристаллизации с последующей промывкой закристаллизованной смеси водой, осаждение примесных металлов в виде гидроксидов осуществляют при pH 5 - 7, гидроксид магния из сульфатного раствора осаждают при pH 10 - 12, а термообработку проводят в две стадии при температуре от 200^oC до 450^oC и при температуре от 450^oC до 850^oC, после чего промывают полученный продукт водой.

Использование серной кислоты концентрацией не менее 20 мас.% для растворения сырья обеспечивает экономичность способа и снижает опасность загрязнения окружающей среды.

Реакция взаимодействия сырья с серной кислотой происходит с выделением тепла, что способствует интенсивному и полному растворению сырья в кислоте без подогрева или с незначительным дополнительным подогревом. Образующиеся в процессе растворения кремниевая кислота и сульфаты магния и прочих примесных металлов на дальнейших стадиях техпроцесса не образуют токсичных соединений. Таким образом, способ не требует дополнительных операций по нейтрализации вредных продуктов.

Использование серной кислоты концентрацией менее 20 мас.% не обеспечивает полного растворения сырья в кислоте и не требует значительного дополнительного нагрева смеси.

Присутствующие в сырье соединения кремния образуют на стадии растворения в минеральной кислоте нерастворившийся остаток-гель кремниевой кислоты, от которого трудно отделить раствор сульфатов магния и прочих примесных металлов, используемый на дальнейших стадиях получения целевого продукта. Особые сложности по отделению нерастворившегося геля возникают в случае применения сырья с большим содержанием кремния. Охлаждение смеси, образующейся на стадии растворения сырья в кислоте, до температуры кристаллизации приводит к образованию цельной закристаллизованной массы. Кристаллы сульфатов магния и примесных металлов при последующей промывке закристаллизованной массы водой вымываются и переходят в растворе. Нерастворившийся остаток легко отделяется от раствора фильтрацией и является ценным побочным продуктом (силикагель), получаемым дополнительно при использовании заявляемого способа.

Осаждение примесных металлов из раствора солей при pH 5 - 7 в виде их гидроокисей и отделение образующегося осадка позволяет очистить магнийсодержащее соединение от нежелательных примесей.

Осаждение магнийсодержащего соединения в виде гидроокиси магния при pH раствора 10 - 12 обеспечивает получение целевого продукта путем последующей термической обработки указанной гидроокиси.

Осуществление термообработки гидроокиси магния в две стадии при температуре от 200^oC до 50^oC и от 450^oC до 850^oC и последующая промывка продукта водой обеспечивают экономичность процесса и высокую частоту целевого продукта.

На первой стадии термообработки при температуре от 200^oC до 450^oC тепловая энергия главным образом затрачивается на испарение влаги. В процессе сушки продукта осуществляется также его частичное термическое разложение с образованием в подсушенном продукте около 60 мас.% окиси магния с плотностью не более 3,1 г/см³. Промывку продукта водой после первой стадии термообработки не осуществляют, так как образующиеся на данной стадии легкие сорта окиси магния могут частично растворяться в воде и вновь обращаться в гидроокись магния.

При температуре менее 200^oC не обеспечивается достаточное подсушивание продукта и его частичное термическое разложение.

При температуре более 450^oC процесс идет чрезмерно интенсивно, при этом термообжиг сырого продукта ведет к его частичной потере из-за разбрызгивания.

На второй стадии термообработки при температуре от 450^oC до 850^oC тепловая энергия затрачивается непосредственно на термообжиг подсушенного продукта, в результате которого образуется окись магния средней плотности 3,3 г/см³, слабо растворимая в воде.

При температуре менее 450^oC процесс термического разложения подсушенного продукта протекает недостаточно эффективно. При нагревании до температуры более 850^oC образующийся продукт теряет свои вяжущие свойства, что ограничивает область его применения.

Промывка продукта водой по окончании второй стадии термообработки позволяет получить окись магния высокой чистоты. Полученная окись магния средней плотности чрезвычайно слабо растворима в воде и практически не образует гидроокись магния, обладающую способностью сорбировать сульфат-ионы.

Оставшиеся в продукте примесные сульфат-ионы легко вымываются водой, в результате чего достигается содержание окиси магния в целевом продукте не менее 95 мас.%.

При этом отделяемый раствор сульфат-ионов может быть направлен на регенерацию серной кислоты.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

В качестве сырья для получения окиси магния использовали водную пульпу серпентизированного ультрабазита с содержанием, мас.%: двуокись кремния - 36, окись магния - 34, окислы железа двухвалентного и трехвалентного и других металлов марганца, алюминия, титана, никеля, хрома - 6, вода - 13, примеси, удаляемые при прокаливании - 11.

1 кг сырья растворяли в технической серной кислоте концентрацией 40 мас. %. Процесс сопровождается выделением тепла с нагревом смеси до температуры 80 - 90^oC. Растворение осуществляли в течение двух часов.

Спустя один час от начала процесса растворения в раствор добавляли окислитель - 15 мл раствора перекиси водорода с концентрацией 36 мас.% до pH 5 - 7. Добавление окислителя осуществляли с целью перевода присутствующего в сырье двухвалентного железа Fe⁺² в трехвалентное железо Fe⁺³, способное образовывать выпадающее в осадок соединение на стадии очистки от примесей металлов магнийсодержащего соединения. Добавление указанного окислителя обеспечивает также изменение валентности некоторых прочих примесных металлов для образования выпадающих в осадок соединений, например, перевод двухвалентного марганца Mn⁺² в четырехвалентный Mn⁺⁴. Введение перекиси водорода ранее одного часа от начала растворения сырья в кислоте нежелательно, так как это может нарушить процесс выщелачивания.

Охлаждали полученную на стадии растворения смесь до температуры ее кристаллизации +5^oC, после чего промывали закристаллизованную смесь водой.

Отделяли нерастворившийся остаток фильтрованием. Отделенный остаток представлял собой побочный продукт, получаемый в результате осуществления способа, - силикагель.

Отделенный фильтрат представлял собой раствор сульфата магния и сульфатов примесных металлов.

В фильтрат доливали раствор щелочи с концентрацией 8 мас.% до pH 5 - 7, при этом в осадок выпадали соединения примесных металлов в виде их гидроокисей.

Осуществляли фильтрацию образовавшегося осадка, после чего в фильтрат добавляли раствор щелочи с концентрацией 8 мас.% до pH 10 - 12, при этом в осадок выпадала гидроокись магния.

Осадок фильтровали и подвергали термообработке.

Осуществляли термосушку осадка при температуре 350^oC. Подсушивание осадка осуществляли до значения влажности материала не боле 2%. Получали продукт с содержанием окиси магния до 60 мас.%.

После этого осуществляли термообработку подсушенного материала при температуре 800^oC в течение 40 минут. Указанное время оказалось достаточным для процесса полного термического разложения обрабатываемого материала.

Осуществляли промывку полученного продукта водой и фильтрацию осадка. Отфильтрованный раствор направляли на регенерацию серной кислоты.

В итоге получали целевой продукт с содержанием, мас.%: окись магния - не менее 95, FeO - 0,254, MnO - 0,085, Al₂O₃ - 0, TiO₂ - 0, Cr₂O₃ - 0, NiO - 0 (всего окислов железа и других металлов, кроме окиси магния - 0,339).

Пример 2.

Осуществляли получение окиси магния, как описано в примере 1.

Растворение сырья осуществляли в серной кислоте концентрацией 50 мас.%.

Термосушку продукта осуществляли при температуре 400^oC до значения влажности материала не более 2%.

Термообжиг материала осуществляли при температуре 850^oC в течение 30 минут.

Получали целевой продукт с содержанием, мас.%: окись магния - не менее 95, FeO - 0,115, MnO - 0,059, TiO₂ - 0, Cr₂O₃ - 0, NiO - 0 (всего окислов железа и других металлов, кроме окиси магния - 0,174).

Пример 3.

Осуществляли получение окиси магния, как описано в примерах 1 и 2.

Осуществляли растворение сырья в серной кислоте концентрацией 20 мас.%. Процесс сопровождался выделением тепла с нагревом смеси до 60^oC. В ходе растворения пульпу дополнительно нагревали до температуры 80^oC.

Термосушку продукта осуществляли при температуре 450^oC до значения влажности материала не более 2%. Термообжиг материала осуществляли при температуре 800^oC в течение 40 минут.

Получали целевой продукт с содержанием, мас.%: окись магния - не менее 95%, FeO - 2, MnO - 0,5, TiO₂ - 0,2, Cr₂O₃ - 0,3, NiO - 0,2 (всего окислов металлов, кроме окиси магния - 3,2).

Формула изобретения

Способ получения оксида магния из природного сырья, включающий растворение его в серной кислоте, отделение нерастворившегося остатка от полученного сульфатного раствора, очистку последнего от примесных металлов осаждением в виде гидроксидов, отделение осадка, осаждение гидроксида магния из раствора обработкой его щелочным агентом, отделение осадка целевого продукта и термообработку его в две стадии, отличающийся тем, что серную кислоту используют с концентрацией не менее 20 мас.%, отделение нерастворившегося остатка осуществляют путем охлаждения смеси до состояния кристаллизации с последующей промывкой закристаллизованной смеси водой, гидроксиды примесных металлов осаждают при рН 5-7, осаждение гидроксида магния ведут при рН 10-12, а термообработку продукта на первой стадии проводят при 200-450^oC, а на второй - при 450-850^oC, после чего продукт промывают водой.