Способ обезвоживания осадка гидроксидов металлов при получении их оксидов

Изобретение относится к области гидрометаллургии металлов и может быть использовано для получения оксидов металлов. Способ получения оксидов металлов из осадков гидроксидов включает нагрев гидроксидов при температуре разложения. При этом нагрев гидроксида ведут в автоклаве без испарения основной массы воды при выполнении условия, что давление диссоциации гидроксида должно быть больше давления насыщенных водяных паров при данной температуре. Техническим результатом является сокращение расходов на обезвоживание, так как при нагревании в автоклаве нет необходимости испарять всю имеющуюся в осадке воду, и осадок легко фильтруется и обезвоживается за счет перехода от коагуляционной структуры гидроксида к кристаллизационной структуре оксида металла. 4 ил.

 

Изобретение относится к области гидрометаллургии металлов и может быть использовано для получения оксидов металлов.

Известен способ обезвоживания осадков путем их фильтрования, сушки и прокалки [Гиллебранд В.Ф., Лендель Г.Э., Брайт Г.А., Гофман Д.И. Практическое руководство по неорганическому синтезу. М.: Химия, 1966. С.123-134].

Недостатками способа являются высокая влажность осадка даже после двух- трехкратной отмывки (влажность 400-500%), наличие большого количества водно-растворимых примесей, захваченных при осаждении гидроксида с маточником, высокая температура прокаливания.

Наиболее близким техническим решением является способ обезвоживания гидроксидов металлов нагреванием до температуры разложения с получением оксидов металлов [Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия. 1977. С.42-114].

Недостатком способа является то, что неизвестны условия обезвоживания гидроксидов металлов при наличии внешнего давления насыщенных водяных паров.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является нахождение оптимальных условий для быстрого и эффективного способа получения оксида металла.

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, является экономичность способа получения оксида металла.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе получения оксидов металлов обезвоживанием осадка гидроксидов металлов путем их термического разложения до оксидов осуществляется нагревание гидроксидов в автоклаве без испарения основной массы воды, при этом давление диссоциации гидроксидов должно быть больше давления насыщенных водяных паров при данной температуре.

Сущность способа поясняется фиг.1-4.

В общем виде реакция термического разложения гидроксидов металлов Ме(ОН)_n с образованием оксидов Me₂O_n может быть представлена уравнением

где n - валентность металла Me.

Для реакции (1) изотерма для нестандартных условий имеет вид:

где Р - давление насыщенных водяных паров при заданной температуре.

В уравнении (2) заложен принцип Ле-Шателье:

а. Реакция (1) находится в равновесии, если ΔG_T=0, откуда

ΔG_T ⁰+RTlnP=0 и далее (ΔG_T ⁰/RT)+lnP=0;

так как ΔG_T ⁰/RT=-lnK_p, то -lnK_p+lnP=0,

где К_р - константа равновесия реакции (1),

далее lnK_p=lnP, К_р=Р.

Для реакции (1) К_р=Р_равн,

где Р_равн - давление диссоциации гидроксида Ме(ОН)_n, откуда Р_равн=P.

Таким образом, условием равновесия реакции (1) является равенство давления диссоциации гидроксида Ме(ОН)_n и давления насыщенного водяного пара при той же температуре.

Рассуждая аналогичным образом, получим:

б. Реакция (1) термодинамически возможна, протекает в прямом направлении, в сторону продуктов гидролиза, если ΔG_T<0, откуда условием разложения гидроксида по реакции (1) является Р_равн>Р.

в. Реакция (1) термодинамически невозможна, протекает в обратном направлении, в сторону образования гидроксида, если ΔG_T>0, откуда условием образования гидроксида по реакции (1) является Р_равн<Р.

На фиг.1-4 даны зависимости от температуры давления диссоциации гидроксидов металлов Р_равн при их разложении по реакции (1) (графики для ионов металлов Bi, Ca, Cd, Co, Fe, Mg, Mn, Ni, Pb, Zn) и для давления насыщенного пара воды Р (график Н₂О).

На фиг.1 даны зависимости от температуры давления диссоциации Р_равн гидроксидов металлов Fe(III) и Bi(III) при их разложении по реакции (1) (графики Fe(III), Bi(III)) и давления насыщенного пара воды Р (график H₂O). Видно, что для гидроксидов металлов Bi(III), Fe(III) Р_равн>>Р.

На фиг.2 даны зависимости от температуры давления диссоциации Р_равн гидроксидов металлов Fe(II), Zn(II), Ni(II) и Pb(II) при их разложении по реакции (1) (графики Fe(II), Zn(II), Ni(II), Pb(II)) и давления насыщенного пара воды Р (график Н₂О). Видно, что для гидроксидов металлов Fe(II), Ni(II), Pb(II) И Zn(II) Р_равн>Р.

На фиг.3 даны зависимости от температуры давления диссоциации Р_равн гидроксидов металлов Со(II) и Cd(II) при их разложении по реакции (1) (графики Co(II), Cd(II)) и давления насыщенного пара воды Р (график H₂O). Видно, что для гидроксидов металлов Со(II) и Cd(II) Р_равн≥Р при t≥175°С и t>150°С для Со(II) и Cd(II) соответственно.

На фиг.4 даны зависимости от температуры давления диссоциации Р_равн гидроксидов металлов Mn(II), Mg(II) и Ca(II) при их разложении по реакции (1) (графики Mn(II), Mg(II), Ca(II)) и давления насыщенного пара воды Р (график Н₂О).

Из данных фиг.4 следует, что для гидроксидов металлов Са(II), Mn(II), и Mg(II) Р_равн<<Р.

Таким образом, данный способ обезвоживания можно использовать для гидроксидов Bi, Fe, Ni, Zn, Cd, Pb и Со, у которых при температуре разложения Р_равн≥Р.

Способ, наоборот, не применим, например, для гидроксидов Mn(II), Mg(II) и Са(II), у которых при температуре разложения Р_равн<Р.

Такой способ сокращает расходы на обезвоживание, так как при нагревании в автоклаве таких осадков до температуры их разложения нет необходимости испарять всю имеющуюся в осадке воду, кроме того после такой обработки осадок легко фильтруется и обезвоживается за счет перехода от коагуляционной структуры гидроксида к кристаллизационной структуре оксида металла.

Пример конкретного выполнения способа

Из данных фиг.2 следует, что для гидроксида цинка Р_равн>Р, то есть условие разложения Zn(OH)₂ под давлением насыщенных водяных паров выполняется.

Раствор, содержащий 100 мг/дм³ иона Zn(II), нейтрализуют раствором гидроксида аммония до рН 8-9. Осадок гидроксида цинка отделяли от раствора фильтрацией и сушили.

Рентгенофазовый анализ осадка свидетельствует об аморфном состоянии большей части фаз, из которых состоит данный образец. Однозначное решение качественного и количественного анализа рентгеновского спектра практически невозможно. Тем не менее, по наличию отдельных кристаллических рефлексов спектра обнаружен Zn(OH)₂ - основа и примеси ZnO, ZnSO₄, (NH₄)₂SO₄, 3Zn(OH)₂·ZnSO₄·4Н₂О, 6Zn(OH)₂·ZnSO₄·4Н₂О и др.

Влажность осадка 85%.

Под микроскопом видна шаровидная форма частиц.

Осадок после фильтрации и промывки нагревали в автоклаве до 130-170°С и выдерживали при этой температуре не менее 30 мин, при этом при испарении части воды устанавливается давление насыщенных водяных паров, соответствующее температурам 130-170°С. После нагревания в автоклаве и охлаждения пульпы осадок легко фильтруется и промывается.

Методом математического планирования эксперимента получены зависимости влажности кека и скорости фильтрования водной суспензии от температуры нагрева в автоклаве, влажности загружаемого материала и длительности воздействия температуры. Установлено, что основным фактором, влияющим на влажность кека, является температура нагрева в автоклаве. Полученные с помощью программы MathCad зависимости влажности осадка W, % масс., и скорости фильтрования V, дм³/ч, от температуры нагрева в автоклаве t, °C для интервала температур 120-170°С и времени нагрева 30 мин имеют вид:

W=482,207-5,548t+0,018t2	(R2=0,978)
V=-24,521+0,726t-1,607·10-3t2	(R2=0,931)

Рентгенофазовый анализ осадка после нагрева в автоклаве, фильтрации и сушки показал, что он содержит более 70% об. или более 80% масс. оксида цинка. Такие примеси как ZnSO₄, (NH₄)₂SO₄, составляющие около 8% об., легко удаляются последующей промывкой водой. Полученный продукт - оксид цинка удовлетворяет требованиям ГОСТ по содержанию примесей для цинковых белил и оксида цинка.

Сравнение данных рентгенофазового анализа осадка, полученного до и после нагрева в автоклаве, свидетельствует о том, что нагрев в автоклаве при 150-190°С приводит к переходу от коагуляционной структуры гидроксида к кристаллической структуре оксида цинка. Поэтому осадок после нагрева в автоклаве легко фильтруется и промывается.

Под микроскопом видны кристаллы игольчатой формы, характерной для оксида цинка.

В качестве нейтрализаторов, помимо гидроксида аммония, можно использовать и другие щелочные реагенты, как, например, NaOH, Са(ОН)₂ и т.п.

Для получения конечного продукта по известному способу из осадка гидроксида цинка, содержащего 85% влаги и 15% сухого, необходимо испарить 85:15=5,7 единиц влаги на единицу продукта, а по предлагаемому способу при влажности 60% (40% сухого) необходимо испарить 60:40=1,5 единиц влаги, т.е. в 5,7:1,5=3,8 раза меньше. Количество энергии, затрачиваемое на сушку продукта, снижается в такое же количество раз соответственно.

Такой способ сокращает расходы на обезвоживание, так как при нагревании в автоклаве таких осадков до температуры их разложения нет необходимости испарять всю имеющуюся в осадке воду, кроме того после такой обработки осадок легко фильтруется и обезвоживается за счет перехода от коагуляционной структуры гидроксида к кристаллизационной структуре оксида металла.

Расчеты показывают, что способ применим к большинству гидроксидов цветных металлов. Способ применим при гидролитическом осаждении ионов цветных металлов, в том числе при обезвоживании осадков, полученных в результате гидролитического осаждения примесей цветных металлов из растворов макрокомпонентов, как, например, примесей гидроксидов Fe, Co, Cu (разлагается при нагревании) и других при очистке растворов сульфатов цинка и никеля в технологии гидрометаллургического получения этих металлов или при переработке шлака медно-свинцового производства.

Способ получения оксидов металлов из осадков гидроксидов, включающий нагрев гидроксидов при температуре разложения, отличающийся тем, что нагрев ведут в автоклаве без испарения основной массы воды при выполнении условия, что давление диссоциации гидроксида должно быть больше давления насыщенных водяных паров при данной температуре.