Способ разложения сфенового концентрата

Изобретение относится к технологии титанокальциевого минерального сырья, в частности к кислотному разложению сфенового концентрата, и может быть использовано для получения диоксида титана и продуктов на его основе. Перед кислотной обработкой сфеновый концентрат подвергают механоактивации при интенсивности энергоподвода не менее 10 кДж/с на 1 кг концентрата в течение 5-30 мин. Возможно проведение механоактивации в среде углекислого газа при его расходе 0,2-0,8 моль/моль СаО. Обработку концентрата осуществляют 15-20% азотной кислотой при температуре окружающей среды и атмосферном давлении с переводом в раствор дополнительно титана. Полученную реакционную массу фильтруют с отделением кремнеземного остатка. Достигаемый технический результат заключается в повышении технологичности способа за счет снижения температуры кислотной обработки до температуры окружающей среды и ведения процесса при атмосферном давлении с обеспечением высокой степени извлечения титана и кальция в раствор. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к химической технологии титанокальциевого минерального сырья, в частности к кислотному разложению сфенового концентрата, и может быть использовано для получения диоксида титана и продуктов на его основе.

Известен способ разложения сфенового концентрата (см. патент США №5181956, МКИ⁵ С 22 В 34/00, 1993), включающий автоклавную обработку концентрата азотной кислотой с концентрацией 5-25% при нагревании до 160-300°С и давлении 0,39-9,81 МПа с переводом кальция в азотнокислый раствор, концентрированием титана в твердом остатке и отделением остатка.

Недостатком данного способа является проведение разложения концентрата в автоклаве при высокой температуре и повышенном давлении. Другим недостатком является необходимость последующего дополнительного вскрытия титансодержащего твердого остатка для извлечения диоксида титана.

Известен также способ (ближайший аналог) разложения сфенового концентрата (см. патент РФ №2196736, МПК⁷ С 01 G 23/00, C 01 F 11/00, С 22 В 3/06, 2003), включающий автоклавную обработку концентрата 15-25% азотной кислотой при температуре 110-130°С и давлении 1,2-2,4 кг/см² в течение 5 час с переводом кальция в азотнокислый раствор, концентрированием титана в твердом остатке и отделением остатка. В результате взаимодействия сфенового концентрата с азотной кислотой при указанных условиях в раствор извлекается кальций до 93,5-98,0%, а титан на 40-60% переходит в химически активную анатазную форму и остается в твердом остатке вместе с кремнеземом.

Недостатком данного способа является проведение процесса разложения в герметичном реакторе при повышенном давлении с нагреванием реакционной смеси. Недостатком также является необходимость последующего дополнительного вскрытия титансодержащего твердого остатка для извлечения диоксида титана.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения технологичности способа за счет снижения температуры и рабочего давления при кислотной обработке с обеспечением высокой степени извлечения титана и кальция в раствор.

Технический результат достигается тем, что в способе разложения сфенового концентрата, включающем его обработку разбавленной азотной кислотой с переводом кальция в раствор и отделением кремнеземсодержащего остатка, согласно изобретению, перед кислотной обработкой концентрат подвергают механоактивации при интенсивности энергоподвода не менее 10 кДж/с на 1 кг концентрата в течение 5-30 минут, а обработку азотной кислотой осуществляют при температуре окружающей среды и атмосферном давлении с переводом в раствор дополнительно титана.

Технический результат достигается также тем, что механоактивацию сфенового концентрата проводят в среде углекислого газа при его расходе 0,2-0,8 моль/моль СаО.

Технический результат достигается и тем, что при обработке используют азотную кислоту с концентрацией 15-20%.

Сущность изобретения заключается в том, что при механических воздействиях определенного вида происходит возрастание свободной энергии за счет роста плотности структурных дислокаций в кристаллической решетке минерала и образования аморфной фазы. В результате заметно уменьшается энергия активации разложения минерала и возрастает скорость его взаимодействия с кислотой. Поэтому предварительная механическая активация концентрата в аппаратах с высокой энергонапряженностью значительно повышает степень кислотного разложения концентрата и позволяет вести процесс при температуре окружающей среды, относительно невысоких концентрациях кислоты и атмосферном давлении.

При интенсивности энергоподвода менее 10 кДж/с не достигается необходимая степень структурных нарушений кристаллической решетки сфена и, следовательно, снижается степень его кислотного разложения.

При механоактивации в течение менее 5 мин не достигается высокой степени извлечения титана и кальция. Механоактивация продолжительностью более 30 мин в указанном диапазоне подвода энергии избыточна, поскольку не оказывает существенного влияния на степень разложения концентрата и связана с повышенными энергетическими затратами.

Проведение активации исходного сырья в атмосфере углекислого газа позволяет получить аморфизированный минерал, содержащий в своем составе значительные количества карбонатных ионов, что при кислотном разложении приводит к увеличению извлечения титана и кальция в раствор.

Механоактивация сфенового концентрата в среде CO₂ при его расходе менее 0,2 моль/моль СаО не обеспечивает достаточного его насыщения углекислым газом и не дает преимуществ по сравнению с механоактивацией в воздушной среде. Расход СО₂ более 0,8 моль/моль СаО не увеличивает существенно степень поглощения углекислого газа концентратом и не влияет на степень извлечения титана и кальция в раствор.

Разложение концентрата, подвергнутого предварительной механоактивации, предпочтительно производить 15-20%-ной азотной кислотой. При концентрации азотной кислоты менее 15% снижается степень извлечения титана и кальция в раствор. Использование азотной кислоты с концентрацией более чем 20% приводит к повышению парциального давления кислоты над растворами, что нежелательно из-за необходимости улавливания паров кислоты.

Для разложения механоактивированного концентрата наряду с азотной кислотой может быть использована разбавленная серная кислота при некотором снижении эффективности процесса.

Сущность и преимущества заявляемого изобретения могут быть проиллюстрированы следующими Примерами.

Пример 1. Сфеновый концентрат состава, мас.%: TiO₂ 33,0; CaO 24,5; SiO₂ 32,5; Al₂О₃ 2,5; Fe₂О₃ 2,5; Na₂O 1,0; Ln₂O₃ 0,8; К₂О 0,5, подвергают механоактивации путем измельчения в центробежно-планетарной мельнице АГО-2 в воздушной атмосфере в течение 6 мин при интенсивности энергоподвода 100 кДж/с на 1 кг концентрата. Механоактивированный концентрат в количестве 10 г обрабатывают 100 мл 20% HNO₃ при температуре окружающей среды - 20°С и атмосферном давлении в течение 10 час. Реакционную массу фильтруют с отделением кремнеземного остатка. Степень извлечения в раствор титана составила 93,5%, кальция - 96,4%.

Пример 2. Осуществляют механоактивацию сфенового концентрата аналогично Примеру 1 в течение 30 мин при интенсивности энергоподвода 10 кДж/с на 1 кг концентрата. Механоактивированный концентрат в количестве 10 г обрабатывают 140 мл 15% HNO₃ при температуре 20°С и атмосферном давлении в течение 9 час. Реакционную массу фильтруют с отделением кремнеземного остатка. Степень извлечения в раствор титана составила 92,2%, кальция - 97,1%.

Пример 3. Осуществляют механоактивацию сфенового концентрата аналогично Примеру 1. Отличие заключается в том, процесс ведут в атмосфере CO₂ в течение 5 мин при интенсивности энергоподвода 100 кДж/с на 1 кг концентрата. Расход CO₂ составляет 17,6 г (0,4 моль/моль CaO). Механоактивированный концентрат в количестве 12 г обрабатывают 120 мл 20% HNO₃ при температуре 18°С и атмосферном давлении в течение 8 час. Реакционную массу фильтруют с отделением кремнеземного остатка. Степень извлечения в раствор титана составила 98,2%, кальция - 98,0%.

Пример 4. Осуществляют механоактивацию сфенового концентрата аналогично Примеру 3 в течение 8 мин при интенсивности энергоподвода 80 кДж/с на 1 кг концентрата и расходе СО₂ 0,88 г (0,2 моль/моль СаО). Затем 15 г механоактивированного концентрата обрабатывают 150 мл 20% HNO₃ при температуре 18°С и атмосферном давлении в течение 10 час. Реакционную массу фильтруют с отделением кремнеземного остатка. Степень извлечения титана в раствор составила 95,5%, кальция - 96,9%.

Пример 5. Осуществляют механоактивацию сфенового концентрата аналогично Примеру 3 в течение 20 мин при интенсивности энергоподвода 40 кДж/с на 1 кг концентрата и расходе CO₂ 35,2 г (0,8 моль/моль СаО). Затем 12 г механоактивированного концентрата обрабатывают 160 мл 18% HNO₃ при температуре 20°С и атмосферном давлении в течение 12 час. Реакционную массу фильтруют с отделением кремнеземного остатка. Степень извлечения в раствор титана составила 97,7%, кальция - 97,1%.

Таким образом, из приведенных Примеров следует, что предлагаемый способ разложения сфенового концентрата является более технологичным по сравнению с прототипом за счет снижения температуры со 110-130°С до температуры окружающей среды и снижения давления с 1,2-2,4 кг/см² до атмосферного. При этом обеспечивается высокая степень извлечения в раствор титана (до 98,2%) и кальция (до 98,0%).

1. Способ разложения сфенового концентрата, включающий его обработку разбавленной азотной кислотой с переводом кальция в раствор и отделением кремнеземсодержащего остатка, отличающийся тем, что перед кислотной обработкой концентрат подвергают механоактивации при интенсивности энергоподвода не менее 10 кДж/с на 1 кг концентрата в течение 5-30 мин, а обработку азотной кислотой осуществляют при температуре окружающей среды и атмосферном давлении с переводом в раствор дополнительно титана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механоактивацию сфенового концентрата проводят в среде углекислого газа при его расходе 0,2-0,8 моль/моль СаО.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при обработке используют азотную кислоту с концентрацией 15-20%.