Способ комплексной утилизации диоксида циркония и тетрафторида кремния

 

Изобретение относится к области химической технологии и экологии и может быть использовано в организации процессов совместной утилизации тетрафторида кремния и отработанного диоксида циркония. Результат изобретения - разработка способа утилизации диоксида циркония и тетрафторида кремния и получение дорогостоящих продуктов циркония - искусственного химически чистого циркона ZrSiO₄ и тетрафторида циркония ZrF₄, широко применяющихся в различных отраслях промышленности. Через слой порошкообразного диоксида циркония пропускают газообразный тетрафторид кремния при температуре 700-1100^oС. Продукты реакции разделяются на тетрафторид циркония и смесь образовавшегося циркона и непрореагировавшего диоксида циркония.

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано в организации процессов совместной утилизации тетрафторида кремния и диоксида циркония.

Тетрафторид кремния SiF₄ является многотоннажным отходом в нескольких химических процессах - производстве фосфатных удобрений, безводного фтористого водорода, в алюминиевой промышленности. Диоксид циркония применяется для изготовления керамических изделий, утилизация которых представляет определенные технологические трудности. Наиболее эффективно использовать предложенный способ на предприятиях по производству циркониевой продукции из циркона фторидными методами, где в больших количествах имеются отходы тетрафторида кремния и брак диоксида циркония. Тетрафторид кремния является, для некоторых соединений, хорошим фторирующим агентом, подобно фтору или фтороводороду. В то же время стоимость тетрафторида кремния минимальна, поскольку он является практически неиспользуемым отходом производства. Экспериментальные исследования показали, что тетрафторид кремния при повышенных температурах реагирует с диоксидом циркония с образованием новой кристаллической фазы. Таким образом, газ поглощается порошком диоксида циркония, который превращается в смесь фторидов и силикатов циркония.

Известен способ разложения баделеита (природного диоксида циркония) сплавлением его с гидроксидом натрия. В предварительно расплавленный гидроксид натрия при 332^oС засыпают баделеит, затем поднимают температуру до 650^oС. В течение часа происходит практически полное разложение минерала [У. Б.Блюменталь. Химия циркония, ИЛ, 1963].

Недостатком этого способа является дороговизна основного реагента - гидроксида натрия, высокая температура процесса и большие энергетические затраты. Предъявляются повышенные требования к безопасности производства, поскольку использование гидроксида натрия при высокой температуре приводит к образованию токсичных аэрозолей гидроксида натрия.

Известен способ утилизации тетрафторида кремния, содержащегося в газах суперфосфатного производства, взаимодействием его с аммиаком [Патент Югославии 23740]. В результате получается SiF₄:2NH₃, который затем растворяют в NH₄OH. Из полученного раствора путем выпаривания и действия Н₂SO₄ получают фтористый водород.

Недостатком этого метода является многостадийность процесса, использование большого количества вспомогательный реагентов, и, как результат, образование большого количества промежуточных отходов.

Известен способ разложения диоксида циркония, выбранный в качестве прототипа [М.М.Годнева, Д.Л.Мотов. Химия фтористых соединений циркония и гафния. Л.: Наука, 1971, с.14]. Суть метода-прототипа заключается во взаимодействии газообразного фторида с диоксидом циркония, в качестве фторирующего агента используется фтористый водород. Процесс осуществляют при температуре 550^oС по реакции ZrO₂+4HF=ZrF₄+2H₂O.

В результате получается твердый тетрафторид циркония и пары воды.

Недостатком способа-прототипа является применение, в больших количествах, дорогостоящего реагента - фтороводорода.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа одновременной утилизации диоксида циркония и тетрафторида кремния и получения дорогостоящих продуктов циркония - химически чистого циркона ZrSiO₄ и тетрафторида циркония ZrF₄, широко применяющихся в различных отраслях промышленности.

Поставленная задача достигается тем, что через слой порошкообразного диоксида циркония пропускают газообразный тетрафторид кремния, процесс ведут при температуре 700-1100^oС.

В результате взаимодействия протекает химическая реакция по уравнению 2ZrO₂+SiF₄=ZrSiO₄+ZrF₄.

При температуре ниже 700^oС реакция идет медленно и количественного взаимодействия не достигается. С повышением температуры скорость реакции возрастает, использование высоких температур (выше 1100^oС) нецелесообразно из конструкционных соображений. При температуре выше 900^oС образовавшийся тетрафторид циркония сублимируется и в виде газа отделяется от твердого циркония и непрореагировавшего диоксида циркония. Процесс сублимации и отделения тетрафторида циркония происходит одновременно с химической реакцией его образования из диоксида циркония и тетрафторида кремния.

Пример конкретного выполнения.

Для проведения реакции в промышленных масштабах процесс необходимо осуществлять в шнековых аппаратах, аппаратах кипящего слоя или аппаратах комбинированного типа.

Отработанную керамику предварительно обрабатывают тетрафторидом кремния при температуре 800^oС, после обработки керамика охрупчивается, и ее измельчают в шаровой мельнице до размера зерен менее 50 мкм. Дальнейшее взаимодействие диоксида циркония с тетрафторидом кремния проводят в аппарате кипящего слоя при температуре 900-1000^oС. Продукты реакции разделяются на тетрафторид циркония и смесь образовавшегося циркона и непрореагировавшего диоксида циркония.

Формула изобретения

Способ комплексной утилизации диоксида циркония и тетрафторида кремния, включающий обработку порошка диоксида циркония газообразным фторирующим агентом, отличающийся тем, что в качестве фторирующего агента используют тетрафторид кремния, который пропускают через слой порошкообразного диоксида циркония при температуре 700-1100°С.