» » Примеси в боксите
03.12.2015

Как уже отмечалось ранее, в бокситах содержится в различных сочетаниях до 100 элементов таблицы Менделеева. Количество минералов также приближается к 100. С технологической точки зрения все минералы боксита можно разделить на три группы. К первой относятся алюминийсодержащие минералы — гиббсит, бемит, диаспор. Ко второй относятся минералы, затрудняющие или нарушающие технологию получения глинозема. Это кремнеземсодержащие минералы, разнообразные силикаты и алюмосиликаты, карбонаты, сульфиды, органические вещества. Третья группа — это балластные соединения, которые в процессе технологической обработки не претерпевают изменения и удаляются из технологического цикла в виде шлама. К ним относятся оксиды железа и титансодержащие соединения. Следует заметить, что это деление условно, так как оно не учитывает всех качеств минералов, а также то обстоятельство, что в различных производственных условиях поведение минералов может быть прямо противоположным. Так, например, минерал кальцит (СаСО3), являющийся вредной примесью в процессе Байера, превращается в полезный компонент в способе спекания и т. д.
Кремнийсодержащие минералы боксита и их поведение при выщелачивании. Содержание кремнезема SiO2) в бокситах колеблется в широких пределах (2—20 %) и характеризуется кремниевым модулем. Кремнезем в бокситах находится в свободном и связанном видах. К кремнийсодержащим минералам боксита относятся опал SiO2*Н2О, халцедон SiО2, α-кварц SiО2, а также различные алюмосиликаты и силикаты (каолинит Аl2О3*2SiО2*2Н2О, шамозит (Мg, Аl, Fе)12 [(Si, Аl)8О20](ОН)16 и другие минералы). По реакционной способности растворения в щелочно-алюминатных растворах кремнеземсодержащие минералы можно расположить следующим образом: гидрогель кремнезема — минерал опал — каолиновые минералы — кварц.
Каолинит — основной кремнеземсодержащий минерал бокситов. К его группе относятся также диккит и накрит.
Кривые нагревания данного минерала имеют 2 эндотермических эффекта в области от 400 до 600 °С и один экзотермический — при 900 °С. У минералов с неупорядочной структурой появляется еще один эндотермический эффект при 100—200 °С.
При этом при нагревании происходят следующие превращения:
Примеси в боксите

Каолинит при нагревании превращается в метакаолинит, затем — в кремниевую шпинель, и конечным продуктом является муллит с кристаллоболитом.
Каолинит и минералы его группы взаимодействуют со щелочно-алюминатными растворами с образованием гидроалюмосиликата натрия (см. формулу (4.9)). Интенсивность его растворения зависит от концентрации щелочно-алюминатного раствора и его температуры. Так, при повышении содержания Na2О с 120 до 220 г/л при температуре процесса 105 °С происходит полностью растворение каолинита. Снижение температуры алюминатного раствора до 70 °С, по сравнению со 105 °С, приводит к резкому снижению растворимости минерала. В условиях гидрохимического способа Байера каолиновые минералы разлагаются полностью в первую очередь.
Кварц обычно входит в состав бокситов в виде α-модификации: α-SiO2. Содержание его в боксите переменно и колеблется от 3 до 11 %. О поведении кварца в щелочных растворах имеются противоречивые сведения. В частности, авторы Ф.Ф. Вольф и О.И. Пудовкина считают, что α-SiО2 не растворяется в крепких щелочно-алюминатных растворах с концентрацией Na2O, равной 300 г/л, и каустическим модулем раствора, равным 4—7 единицам. По данным других исследователей, при достаточно тонком измельчении растворимость кварца не уступает растворимости геля кремнекислоты. Впоследствии с помощью электронной микроскопии авторы С. И. Кузнецов и другие показали, что отдельные кристаллы α-SiO2 растворяются в щелочных растворах уже при 100 °С. Таким образом, кварц в условиях гидрохимического способа Байера является активным компонентом. При повышенных температурах (220—230 °С) при автоклавном выщелачивании бокситов кварц растворяется полностью.
Шамозит (Fе2+, Мg)23 * (Fе3+, Аl)0,7 * (Si1,4*Аl0,6)O5 * (OН)4 — данный минерал относится к группе слоистых алюмосиликатов. Часто под термином «шамозит» подразумевается железистый хлорит. В глиноземсодержащем сырье также является основным кремнеземсодержащим минералом боксита. Наиболее часто встречается в месторождениях бокситов СУБРа, Тимана и ЮУБРа. Химический состав шамозитов очень непостоянен. Встречаются шамозиты с преобладанием двух- и трехвалентного железа.
Содержание основных компонентов в них колеблется в следующих пределах: SiO2 = 18-33 %, Аl2O3= 20-30 %, Fе2О3= 1-18 %, FеО = 2-39 %, МgО = 0,6-6,5 %, Н2О = 7-11 %.
Экспериментально было установлено, что в алюминатных растворах в процессе Байера растворимость шамозита зависит от его химического и минералогического состава. В частности, глубокоокисленный шамозит, содержащий FеО ≤ 1 %, уже при 95 °С растворяется за 4 часа на 96 %. Малоокисленный шамозит с содержанием FеО около 11,5 % при тех же условиях растворяется на 25-35 %.
Взаимодействие шамозита с NaOН можно описать следующей реакцией:
Примеси в боксите

Эта реакция может быть одной из причин повышения давления в автоклавах и появления в растворах двухвалентного железа. Было установлено, что при переработке нового вида сырья — тиманских бокситов на Уральских алюминиевых заводах, резко увеличилось количество сдувок в автоклавных батареях, что также подтверждает версию разложения шамозитов и хлоритов при выщелачивании.
Следует отметить, что выделение водорода при прохождении данной реакции может быть опасно.
Процесс превращения кремнезема боксита в ГАСН протекает в 2 стадии (рис. 4.12):
1) растворение кремнезема в щелочно-алюминатном растворе (см. формулу (4.6));
2) кристаллизация ГАСНа из раствора (см. формулы (4.7), (4.8)). Растворимость ГАСНа с увеличением температуры понижается, по этой причине алюмосиликатные растворы лучше и глубже обескремниваются при проведении процесса при температурах 150—170 °С.
Примеси в боксите

Большинство исследователей считают, что химический состав выделяющегося ГАСН непостоянен, зависит от температуры, состава и концентрации алюминатного раствора и соответствует условной формуле nNа2O*Аl2O3*(1,4-2)SiO2*xН2О. Такой алюмосиликат по своему составу и форме относится к природному минералу, который называется «содалит»: 7(Nа2O*Аl2O3*SiO2)*2NаАlO2*nН2О.
Образование нерастворимых соединений с кремнеземом обусловливает основные потери оксида алюминия и щелочи с красным шламом в виде ГАСН (см. формулу (3.4) - потери Nа2O и Аl2O3 в виде nNа2O*Аl2O3*(1,4-2)SiO2*xН2O).
Кремнезем (SiO2) является одной из вреднейших примесей при переработке боксита способом Байера. Отсюда и ограничение использования бокситов с низким кремниевым модулем, меньше 7-8 ед.
В присутствии извести часть кремнезема боксита связывается в новое соединение, которое называется «алюминиевый гидрогранат» (3СаO*Аl2O3*0,55SiO2*5,5Н2O), что приводит к снижению потерь щелочи с красным шламом. При этом происходит следующая химическая реакция:
Примеси в боксите

Например, при выщелачивании североуральского боксита без добавок извести образуется красный шлам с содержанием Na2O в нем от 6 до 8 %. При добавлении к данной пульпе боксита 3 вес.% CaO в красном шламе содержание щелочи понижается до 3—4 %.
Скорость и полнота растворения свободного кварца зависит от размера частиц, концентрации алюминатного раствора и температуры процесса (см. рис. 4.13, 4.14). Аморфный кремнезем и его гель быстрее растворяются в едких щелочах, чем кварц. Крупнозернистый кварц растворяется медленнее, чем высокодисперсный.
Растворение минералов кремния и выделение нерастворимых соединений ГАСН из алюминатных растворов в процессе выщелачивания приводит к зарастанию теплообменной аппаратуры при нагреве боксита с оборотным раствором в теплообменниках, а также к потерям полезных компонентов. Поэтому для ослабления этого вредного влияния бокситовую пульпу перед нагревом рекомендуется выдерживать в мешалках выдержки сырой при температуре 100 °С в течение 4—6 часов. Это приводит к созданию условий перевода растворимой части кремнезема боксита в гидроалюмосиликат натрия еще до выщелачивания основных алюминийсодержащих минералов боксита.
Примеси в боксите
Примеси в боксите

Интересные кривые были получены И.С. Лилеевым при изучении им поведения растворенного кремнезема в низкомодульных алюминатных растворах с αк = 1,7 при t = 70 °С. Четко были выделены три области состояния кремнезема (см. рис. 4.15). Область I — область равновесного состояния раствора. Область II, ограниченная на диаграмме состояния линией равновесия (OS), — область равновесного состояния кремнезема, и линией предельного пересыщения (OА), называемой метастабильной областью. Раствор в метастабильной области может сколь угодно долго находиться в состоянии неустойчивого равновесия, удерживая в себе кремнезем. Область III относится к лабильной области и является абсолютно неустойчивой. Нахождение в данной области приводит к спонтанной (самопроизвольной) кристаллизации ГАСНа. В дальнейшем было изучено поведение кремнезема при этих же условиях, но только в области повышенных концентраций глинозема в растворе. Благодаря усреднению и аппроксимации полученных экспериментальных данных удалось вывести уравнения ограничения данных областей.
Примеси в боксите

Экстраполируя экспериментальные данные по поведению кремнезема в концентрированных алюминатных растворах, были получены математически обработанные результаты поведения кремнезема в растворе и четко выделена область метастабильного состояния кремнезема.
Закономерность удержания кремнезема в метастабильной области подтвердилась и в растворах с высокой концентрацией глинозема. Было также показано, что разбавление данных концентрированных растворов до общепринятых концентраций позволяет остаться кремнезему в метастабильной области (кривая ОВ), что позволяет в дальнейшем отделить красный шлам от алюмосиликатного раствора.
I обл.: область равновесного состояния кремнезема.
II обл.: область метастабильного состояния кремнезема.
III обл.: область лабильного состояния кремнезема, в котором кремнезем практически не удерживается в растворе и интенсивно из него выделяется в виде ГАСНа.
С предельно высокими концентрациями кремнезема в алюминатных растворах приходится иметь дело при выщелачивании руды и спека. Обескремнивание алюминатных растворов через ГАСН возможно из-за предельно низкого содержания кремнезема (кривая ОS) в области равновесного состояния. Область выше кривой ОА является областью лабильного состояния кремнезема, где он практически не может удерживаться раствором и выделяется из него.
Железосодержащие минералы боксита и их поведение при выщелачивании. Постоянными спутниками основных породообразующих минералов бокситов — оксида и гидроксида алюминия и каолинита — являются соединения железа. Железосодержащие минералы бокситов представлены четырьмя классами соединений: оксидами, сульфидами и сульфатами, карбонатами и силикатами. Из первого, самого распространенного класса минералов, следует выделить гематит и гидрогематит, гетит и гидрогетит, лимонит и гематогель, а также магнетит и маггемит. Установлено, что диаспоровые бокситы богаче сульфидами по сравнению с бемит-гиббситовыми и гиббситовыми бокситами. Карбонаты железа присутствуют преимущественно в гиббситовых бокситах.
Гетит (α-FеООН) — постоянный спутник бокситов, является основным минералом гиббситовых бокситов тропических стран и среднеземноморских месторождений. Кристаллическая решетка гетита подобна диаспору, а γ-БеООН по своей структуре соответствует бемиту.
В условиях процесса Байера гетит в щелочных растворах, обезвоживаясь, переходит в гематит α-Fе2O3. Не влияя на химизм процесса Байера, гетит может нарушить процесс сгущения красных шламов. Это связано с его способностью обратимо дегидрировать и гидрировать. Если боксит обжечь до полного обезвоживания данного минерала гетита, то процесс сгущения происходит без осложнений.
Лепидокрокит (γ-FеООН) — редкий в бокситах минерал, по своей структуре соответствует бемиту. Этот минерал является неустойчивым соединением, и в щелочно-алюминатных растворах он перекристаллизовывается в маггемит — γ-, α-Fе2О3, Fе2О3. Данное соединение магнитно.
Гематит (α-Fе2О3) — основной железосодержащий минерал бокситов СУБРа. Количество гематита от общего содержания Fе2О3 в боксите нередко составляет 80—90 %. Гематит входит в состав бобовин и цементирующей массы. Часто тонкодисперсен и находится в тесной связи с другими минералами. В бокситах гематит настолько тонкодисперсен, что выделить его в чистом виде не удается. Искусственный гематит может быть получен при обезвоживании гетита нагреванием или обработкой щелочным раствором. Гематит практически не растворим в щелочно-алюминатных растворах и является балластной примесью в процессе Байера. Гематит слабомагнитен, и это объясняется присутствием в нем небольшого количества магнетита Fе3O4 и маггемита γ-Fе2O3.
Маггемит (γ-Fе2O3) — сильномагнитен. В природных условиях встречается в осадочных породах, богатых органическими веществами. Его также можно получить при обезвоживании лепидокрокита или гетита. При нагревании необратимо переходит в гематит.
Магнетит ((FеIIFeIII2)O4) является инертной составляющей боксита, не взаимодействует с щелочно-алюминатными растворами.
Карбонаты железа. Самый распространенный минерал — сидерит FеСO3.
Встречается в моногидратных и гиббситовых бокситах. Количество его в этих бокситах переменно. Среднее содержание в краснооктябрьских бокситах — 6 %. В отдельных партиях — до 30 %. Сидерит редко представляет собой чистый минерал. В заметных количествах в нем содержится марганец и магний (от 5 до 30 %). Замещение железа кальцием проявляется в более ограниченных размерах (до 10 %). Данный минерал является очень вредной примесью, т. к. он интенсивно и необратимо взаимодействует со щелочными растворами, что приводит к их декаустификации.
В частности: FеСO3+ 2NaOH + Н2О = NaСO3+ Fе (ОН)3 + 1/2 Н2.
Образование водорода может привести к повышению давления в автоклавах. Fе(ОН)3 — тонкодисперсная коллоидная составляющая красного шлама, ее наличие в красном шламе повышает расход ржаной муки при сгущении. Кроме того, происходит загрязнение щелочных растворов двухвалентным железом, содержание которого колеблется от 0,008 до 0,725 г/л. При декомпозиции железо выделяется совместно с гидроксидом алюминия и снижает качество получаемого продукта.
Сульфидные минералы железа. Практически вся сера (92—95 %) в бокситах представлена сульфидными минералами железа: пиритом, мельниковит-пиритом, пирротином, марказитом, халькопиритом.
По реакционной способности растворения в щелочных растворах они располагаются в следующий ряд: мельниковит-пирит → пирротин → марказит → пирит → халькопирит. Наиболее распространенным минералом является пирит (FеS2) — типичный представитель сульфидного железа в боксите. Встречается его коллоидная разновидность: мельниковит. В щелочно-алюминатных растворах в способе Байера пирит растворяется на 10—20 %, а мельниковит — на 100 %. Возможны изоморфные замещения железа никелем и кобальтом до 14—20 %. Сульфидные минералы железа отрицательно влияют на процессы Байера и спекания. Поэтому существуют ограничения по содержанию серы в бокситовом сырье. Экспериментально установлено, что рентабельно перерабатывать бокситы как по способу Байера, так и по способу спекания с содержанием серы не более 1 %. Присутствие сульфидов приводит к безвозвратным потерям щелочи в виде сульфидов, полисульфидов и сульфатов натрия. В настоящий момент разработаны методы очистки щелочно-алюминатных растворов от примесей серы и железа путем добавки к растворам оксида меди или цинка.
Химическая реакция разложения пирита в щелочно-алюминатных растворах представлена ниже:
Примеси в боксите

Извлечение серы в раствор зависит от минералогической формы и структуры сульфида. Наиболее реакционной способностью обладает мельниковит. Разложение сульфидных минералов в основном происходит при температуре выше 180 °С, с нагревом оно увеличивается. Аналогичное влияние оказывает повышение концентрации щелочи в растворе. Данная проблема остро возникает, когда на переработку поступают бокситы с содержанием серы больше 1 %. При таком содержании серы резко повышается загрязнение растворов железом, падает качество получаемого глинозема. Железо переходит в раствор в виде соединения Na2[FеS2(ОН)2]*2Н2О — гидроксотиоферрата натрия. Кроме того, было замечено, что увеличивается коррозия оборудования (срок службы в теплообменной аппаратуре на выпарке сокращается с 4,5 лет до 9 месяцев). Также интенсивно разрушаются трубопроводы.
В.В. Грачевым была установлена прямая зависимость загрязнения растворов железом от содержания в растворе сульфидной серы (см. табл. 4.2).
Примеси в боксите

Таким образом, было показано, что чем больше содержание сульфидной серы в растворе, тем больше в нем растворенного железа. В дальнейшем было установлено присутствие четырех форм серы в щелочно-алюминатных растворах: S2- — сульфидная, S2О3в2- — тиосульфатная, SО3в2- — сульфитная, SО4в2- — сульфатная.
При окислении в процессе выщелачивания происходит следующее изменение переходных форм серы:
S2- → S2О3в2- → SО3в2- → SО4в2-

Поведение данных форм окисления серы в процессе выщелачивания сульфидных минералов представлено на рис. 4.16.
Примеси в боксите

Энергия активации перехода сульфидной серы до различных форм рассчитана и имеет следующие значения: I. Еа = 2100 кДж/моль до S2О3в2-; II. Еа = 4396 кДж/моль до SО3в2-; III. Еа = 6007 кДж/моль до SО4в2-.
Из приведенных данных видно, что первая стадия является самой неэнергоемкой, она протекает при температуре ниже 100 °С. Экспериментально доказано, что для полного окисления сульфидной серы до сульфатной требуется определенное время (см. табл. 4.3).
Примеси в боксите

Скорость взаимодействия зависит от поверхности контакта и растворимости кислорода в алюминатном растворе, т. е. нужно подавать кислород очень сильно диспергированный.
Железо является неотъемлемым спутником серы, в алюминатных растворах находится также в различных формах и в процессе окисления серы претерпевает следующие изменения:
[FеS2(ОН)2]2- — гидроксосульфат железа (красный цвет);
[FеS(ОН)3]3- — придает раствору зеленый цвет при 25 °С;
[Fе(ОН)n*Н2О6-n]3-n — гидроксоаквакомплекс.
Данный гидроксоаквакомплекс железа в процессе декомпозиции соосаждается с гидроксидом алюминия, внедряясь в его кристаллическую решетку, и загрязняет полученный гидроксид примесями железа, снижая в дальнейшем качество получаемого глинозема.
Способы борьбы с сульфидными минералами:
1) обжиг выше 600 °С позволяет разрушить сульфидные минералы и удалить большую часть серы в виде газов, однако полного удаления серы достичь не удается;
2) флотация пирита бокситового сырья (водная флотация пирита и флотация его в щелочно-алюминатных растворах были экспериментально опробованы на кафедре «Металлургия легких металлов» УПИ Ф.Ф. Федяевым, В.С. Шемякиным, В.В. Салтановым и др.). В дальнейшем были проведены промышленные испытания данной технологии на обогатительной фабрике в г. В. Пышма и на Богословском алюминиевом заводе. Однако промышленного внедрения данная технология не получила;
3) радиометрическое и фотометрическое обогащение при рудоподготовке бокситового сырья являются в настоящий момент наиболее перспективными направлениями;
4) добавка ZnО в алюминатные растворы. В результате образуется ZnS, который выводит сульфидную серу с красным шламом. Содержание двухвалентного железа при этом в растворе резко сокращается. Впервые данная технология, разработанная на кафедре металлургии легких металлов УПИ В.В. Грачевым, Т.А. Непокрытых и другими, была успешно использована на Уральском алюминиевом заводе в середине 70—80 гг. прошлого века.
Титансодержащие минералы боксита и их поведение при выщелачивании. Оксид титана ТіO2 содержится во всех бокситах как в свободном виде, так и в виде различных химических соединений. Общее количество ТіO2 в бокситах переменно и колеблется от 1 до 10 %. В частности, в бокситах Алтайского месторождения — 2—4 % ТіO2, Краснооктябрьского — 1,5—2,5 % ТіO2, Татарского — 2-10 % ТіO2, Гайянского — 1-2 % ТіO2.
Основные минералы титана: анатаз, рутил, изредка брукит, ильменит; реже сфен, титаномагнетит, перовскит.
Рутил (ТіO2) — распространенный минерал в бокситах. В некоторых случаях присутствует до 8-10 % Fе(II) и Fе(III). Рутил является носителем урана и тория в бокситах. В щелочных растворах рутил может образовывать ряд соединений типа титанатов натрия и силикатов. В присутствии извести образуется соединение перовскит — СаO*ТіO2. Химически рутил менее активен, чем анатаз.
Анатаз (ТіО2) — наиболее распространенный минерал титана в бокситах. Содержит до 1 % железа и олова. Структура анатаза подобна рутиловой, и различия заключаются в ином расположении октаэдров [ТіO6]. В технологических переделах глиноземного производства служит источником потерь щелочи вследствие образования титанатов натрия. В присутствии оксида кальция кристаллизуется перовскит. С повышением температуры активность анатаза резко увеличивается.
Ильменит (FеО*ТiO2) — входит в состав цементируемой массы боксита. В технологическом процессе Байера ильменит инертен.
Сфен (СаО*ТiO2*SiO2) — в бокситах СУБРа присутствует в виде крупных изолированных зерен или скопления мелких зерен с неразвитыми гранями. Окраска желто-зеленая или буровато-серая. Сфен также находится в цементирующей массе боксита, реже — в бобовинах. В технологическом процессе сфен также инертен.
Титаномагнетит (ТiO2*Fе3О4) — чаще встречается в диаспор-бемитовых бокситах в виде вкрапления на больших черных кристаллах с металлическим блеском. В технологическом процессе минерал инертен.
Поведение минералов титана при выщелачивании бокситов впервые изучалось в ВАМИ. Полученные данные показали, что при обработке искусственно полученного рутила щелочным или алюминатным раствором содержание ТіO2 в растворе оказывалось незначительным — от 12 до 100 мг/л (см. рис. 4.17).
В присутствии добавки извести содержание ТiO2 в растворе не обнаруживается.
В дальнейшем было установлено, что добавка ТiO2 при выщелачивании североуральских бокситов, а также чистого диаспора и бемита снижает извлечение глинозема в раствор (рис. 4.17, 4.18). В присутствии извести, введенной из расчета отношения СаО:ТiO2≥1, добавка ТiO2 не снижает выход глинозема в раствор. Роль извести при этом сводится к образованию титаната кальция: 2СаО*ТiO2*nН2О.
Примеси в боксите

В ходе эксперимента было замечено, что при растворении диаспора в щелочно-алюминатном растворе в присутствии ТiO2 стенки автоклавов покрываются сплошным белым налетом, который не смывается водой. Химический и рентгеновский анализ данного налета показал, что это нерастворимый метатитанат натрия — NaНТiO3.
ТiO2 + NaОН = NaНТiO3
ТiO2 + 2NaОН = Nа2ТiO3 + Н2О
Na2ТiO3 + Н2О = NаНТiO3 + NaOH
На основании этого было сделано предположение, что такая же пленка может покрывать кристаллы диаспора или бемита. Была установлена ее толщина, равная 18 ангстрем. Резкое отрицательное влияние титана на растворение диаспора показано на рис. 4.19.
Примеси в боксите

Таким образом, показано отрицательное влияние оксида титана на растворение диаспора и бемита. Это объясняется тем, что защитная пленка из метатитаната натрия успевает образоваться на кристалле уже за время подогрева пульпы при более низкой температуре, чем температура выщелачивания диаспорового боксита, т. е. до заметного растворения минерала диаспора и бемита. При длительном перемешивании составляющие пленку частички агрегируются в более крупные хлопья, пленка разрушается и скорость растворения диаспора и бемита увеличивается. Были установлены две формы титаната натрия:
1) Na2O*3TiO2*2,5H2O — игольчатые кристаллы, полученные в растворах с концентрацией Na20R до 400 г/л;
2) 3Na2O*5TiO2*3H2O — мелкие равноосные кристаллы, полученные в растворах с концентрацией Na2Oк более 400 г/л.
Позднее были обнаружены в красных шламах венгерских заводов соединения титана 5Fe2О3*TiО2*Al2О3 и 8Fe2О3*6Al2О3*TiО2*SiО2, которые назвали «песками Дорра».
Ниже представлен ряд активности растворения основных минералов титана в щелочно-алюминатных растворах:
гель TiO2 → анатаз → рутил

В настоящий момент на уральские алюминиевые заводы поступают бокситы со следующим содержанием оксида титана в сырье: СУБР — 1,5—2 % TiO2, средне-тиманский боксит — 3—4 % TiO2. Причем в субровском боксите минерал титана представлен в виде аната-за, а в средне-тиманском — в виде рутила.
Карбонатсодержащие минералы боксита и их поведение при выщелачивании. Из минералов, содержащих карбонат кальция, встречаются минералы: кальцит СаСО3, доломит MgCO3*CаCO3, гидромагнезит 4MgCO3*Mg(ОН)2*4Н2О и сидерит FeCO3. Все эти минералы легко разлагаются в условиях автоклавного выщелачивания:
MeCO3 + 2NaOH = Na2CO3 + Me (OH)2
Карбонаты являются очень вредными примесями в сырье, т. к. они переводят дорогостоящую каустическую щелочь NaOH в карбонатную Na2CO3.
Кальцит (СаСО3) — наиболее распространенный карбонат в бокситах. Кривая нагревания имеет один эндоэффект в области 800—950 °C, который объясняется реакцией диссоциации: СаСО3 → СаО + СО2. Кальцит активно разлагается щелочами и тем сильнее, чем выше температура раствора и концентрация щелочи в нем. Данный минерал является одной из вредных примесей в боксите из-за декаустификации активной щелочи в растворе по реакции СаСО3 + 2NaOH = Na2CO3 + Са(OH)2.
Самое высокое содержание кальцита отмечалось в североуральских бокситах — до 7 % СО2, поэтому на СУБРе в настоящий момент используются различные механические способы обогащения боксита. В североуральских бокситах кальцит вкраплен в бобовины и цементирующую массу. Он также заполняет трещины и пустоты, образуя в них щетки и крупнокристаллизованные руды. Карбонат кальция при мокром размоле и выщелачивании бокситов взаимодействует со щелочью, превращая ее в соду. Константа равновесия данной реакции при температуре 25 °С рассчитывается по следующей формуле:
Примеси в боксите

где αCO3в2-, α(ОН)- — активность ионов; LpСаСО3, LpСа(ОН)2 — произведение растворимости СаСО3 и Са(ОН)2.
С нагревом константа равновесия реакции увеличивается, так как повышается произведение растворимости кальцита и падает произведение растворимости извести, при 200 °С она равняется единице. Было установлено, что в слабо нагретом алюмосиликатном растворе, а именно при мокром размоле боксита (t = 95 °С) кальцит разлагается с образованием соды и 3-кальциевого алюмината, который в этих условиях меньше растворим, чем известь. В частности:
3СаСО3 + 2NаАl(ОН)4 + 4NaОН = 3СаО*Аl2О3*6Н2О + 3Nа2СО3.

На рис. 4.20 приведены изотермы растворимости твердых фаз, образующихся в системе Nа2О-СаО-А12О3-СО2-Н2О при различных температурах, полученные М.Г. Лейтезен и Т.А. Потаповой. На этой диаграмме показаны области устойчивости 3СаO*Аl2O3*6Н2O.
Примеси в боксите

Все алюминатные растворы, имеющие состав выше кривой I, обогащены содой и не взаимодействуют с кальцитом. Растворы, расположенные ниже кривой I, разлагают кальцит с образованием 3-кальциевого алюмината, и область его устойчивости увеличивается с ростом концентрации каустической щелочи в растворе. В дальнейшем было установлено, что при повышенных температурах 3-кальциевый гидроалюминат становится неустойчивым и разлагается щелочью по реакции
3СаO * Аl2O3 * 6Н2O + 2NaОН = 2NаАl(ОН)4 + Са(ОН)2

Таким образом, приведенные данные показывают, что при мокром размоле диаспоровых бокситов, имеющих примеси кальцита, данный минерал полностью разлагается с образованием 3-кальциевого гидроалюмината и соды, а этот гидроалюминат при выщелачивании в дальнейшем распадается на известь и алюминат натрия. Установлено, что карбонаты кальция ускоряют выщелачивание диаспоровых бокситов, однако их следует рассматривать как вредные примеси, т. к. при разложении карбонатов происходит декаустификация щелочи и накопление соды в алюминатных растворах. В дальнейшем при упаривании карбонат натрия выделяется из раствора в виде «рыжей соды» и отправляется в спекательный передел для ее каустификации. Кроме того, создаются большие трудности при упаривании щелочно-алюминатных растворов, т. к. греющие трубки выпарных аппаратов быстрее зарастают содой, отчего производительность аппаратов резко уменьшается. По этим причинам диаспоровые бокситы, содержащие больше 3—4 % СО2, не рекомендуется перерабатывать на глинозем по способу Байера. Увеличение содержания СO2 выше рекомендуемой нормы приводит к необходимости увеличения мощности спекательного передела.
Фосфор и малые примеси бокситов. Содержание фосфора в бокситах в виде Р2О5 изменяется от следов до 8,0 % и в среднем колеблется в пределах 0,4-0,6 %.
Концентрации фосфора не определяются ни минеральным, ни генетическим типом бокситов, ни возрастом месторождений.
Содержание фосфора (Р2О5) в бокситах различных месторождений следующее: в бокситах СУБРа — 0,67 %; в бокситах ЮУБРа — 0,20 %; в бокситах СТБР — 0,27 %.
Наиболее вероятными минералами фосфора в бокситах являются апатит 3 [Са3РO4] * [Са F, Сl)2]; вивианит Fе3(РO4)2 * 8Н2O; франколит Са10(РO4)6 * [А], АF2, (ОН)2, СO3, O; эвансит Аl3(РO4)2 * 3Аl(OН)3 * 12Н2O.
Максимальное содержание Р2О5 в боксите СУБРа составляет 0,8 %. Фосфор считается очень вредной примесью. При переработке бокситов по способу Байера фосфор практически полностью переходит в щелочно-алюминатный раствор, образуя соединение Na3FО4. В дальнейшем, при незначительном понижении температуры раствора, фосфат натрия выкристаллизовывается, инкрустируя теплопроводы, греющие поверхности теплообменных и выпарных аппаратов, сокращая продолжительность их работы. Присутствие фосфора влияет на крупность зерна гидроксида алюминия (измельчает его), это обусловливает снижение качества товарного продукта.
Закономерность распределения малых примесей в бокситах различных геологических или литолого-минералогических типов изучена слабо. Однако такие элементы, как цирконий, ванадий, хром, никель и кобальт, присутствуют в составе всех бокситов. В настоящее время в бокситах установлено 43 химических элемента, 27 из которых относятся к малым примесям (их содержание в боксите меньше 0,1 %). Минералогические формы малых примесей в бокситах изучены недостаточно. Большинство примесей, как, например, галлий и скандий, не образуют самостоятельных минералов, а благодаря близости радиусов их ионов к радиусам ионов алюминия входят в решетки минералов диаспора, бемита и гиббсита. При переработке бокситов по способу Байера скандий и другие редкоземельные элементы полностью переходят в красный шлам, в котором их содержание возрастает в 1,5—2 раза от исходного содержания в боксите. Красный шлам в настоящий момент относится к техногенным отходам и является сырьевой базой для получения этих элементов.
Содержание малых примесей в бокситах представлены в табл. 6.5. Наибольший интерес представляют те примеси, которые имеют свойства в процессе циклического производства накапливаться в растворах,— V, Gа, Сr.
Ванадий и его поведение при выщелачивании. Ванадий может быть связан с оксидом 3-валентного железа. Отмечена зависимость между его содержанием и количеством оксида железа в бокситах.
Зависимость выражается следующей формулой, %: V2O5 = 4,8*Fе2O3 *10в-3, где Fе2О3 — процентное содержание в боксите. Кроме того, замечена связь ванадия с минералами алюминия вследствие близости их ионных радиусов. Отмечается повышение содержания V2О5 с ростом кремневого модуля боксита, что может быть следствием вхождения ванадия в минералы гидроксида алюминия. Наибольшее содержание ванадия наблюдается в таком глиноземном сырье, как высокожелезистые доменные шлаки. В гидрохимическом переделе глиноземного производства ванадий примерно поровну распределяется между щелочно-алюминатным раствором и твердой фазой (красным шламом).
Накапливаясь в алюминатном растворе в процессе декомпозиции, он выпадает из раствора вместе с гидроксидом алюминия, снижая его качество. Содержание V2О5 в заводских оборотных растворах колеблется от 1,1 до 1,5 г/л, поэтому данные растворы могут служить источником получения из них ванадия. Главным способом выделения ванадия из щелочно-алюминатных растворов является способ кристаллизации, основанный на снижении растворимости соединений ванадия в зависимости от концентрации раствора и снижения температуры. В настоящее время извлечение данного продукта осуществляется только на Павлодарском алюминиевом заводе.
Галлий и его поведение при выщелачивании. Галлий: tпл = 30 °С, t = 2000 °С; обладает большой теплоемкостью. Данный элемент не образует самостоятельных минералов, а может изоморфно замещать алюминий в его гидроксидах. Замечено, что в диаспоровых бокситах его больше, т. к. кристаллический GаООН изоморфен диаспору АlООН и может внедряться в его кристаллическую решетку. В технологических переделах производства глинозема оксид галлия взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде растворенного галлата натрия:
Примеси в боксите

Часть галлия уходит из технологического процесса с красным шламом в результате соосаждения и химического взаимодействия галлат-аниона с катионами металла. Содержание галлия в основных продуктах, получаемых в процессе Байера, приведено в табл. 4.4.
Примеси в боксите

Значительное количество товарного галлия, поступающего на мировой рынок, производится алюминиевой промышленностью в качестве побочного продукта при переработке бокситов. Исследования и промышленная практика показали, что около 2/3 оксида галлия из бокситов переходит в раствор, а 1/3 остается в красном шламе. Спекая красный шлам с известняком и содой, а затем обрабатывая щелочно-алюминатным раствором, можно извлечь из бокситов остальной галлий. Таким же образом можно извлекать галлий из бокситов, перерабатываемых по способу спекания. Источником получения галлия в глиноземном производстве являются алюминатные растворы, предварительно очищенные от примесей. На зарубежных глиноземных заводах галлий из растворов процесса Байера извлекают электролизом на ртутном аноде. У нас разработаны способы электрохимического осаждения на галлиевом катоде, а также цементация галлия из растворов галламой алюминия. Большой объем работ был проведен в ИХТТ УрО РАН под руководством С.П. Яценко по получению сверхчистого металла, соответствующего марке ТУ 48—4—350—84. Ими же было показано, что оптимальным масштабом галлиевого производства на глиноземном заводе со средней производительностью 0,5—1,0 млн т глинозема является цех по получению 5—10 т галлия в год. В этом случае установившаяся в оборотных растворах концентрация галлия мало зависит от масштаба галлиевого производства.
Галлий обладает рядом ценных свойств и используется в светодиодах, лазерах, солнечных батареях. Большое применение он нашел как компонент легкоплавких сплавов, припоев, диффузионно твердеющих составов, а также в стоматологических материалах.
Хром и его поведение при выщелачивании. Соединения хрома обычно встречаются в бокситах в незначительных количествах (0,02— 0,04 %), но в некоторых бокситах содержится до 3,0 % Сr2О3. Помимо предполагаемой связи его с гидроксидом железа, хром ассоциируется в бокситах с бемитом; 3-валентный хром растворим в щелочных растворах с образованием гексагидрооксохромата натрия. При избытке щелочи данные соединения могут накапливаться в алюминатных растворах, окрашивая их в зеленоватый цвет. Если хром с бокситом попадает на передел спекания, то после окисления его кислородом в процессе спекания образуются хорошо растворимые в воде и щелочных растворах хроматы натрия, в них хром находится в 6-валентной форме. В данных реакциях это соединение очень ядовито. Цвет 6-валентного хрома в щелочных растворах — красный. Для удаления 6-валентного хрома можно использовать различные восстановители, в частности Ns2S, FеSО4*10Н2О. Хром переходит в 3-валентное состояние и из щелочных растворов выделяется в виде Сr(ОН)3, причем с ним соосаждается некоторое количество алюминия, т. е. несколько возрастают потери алюминия с красным шламом.
Органические вещества в бокситах и их поведение в щелочно-алюминатных растворах. Бокситы месторождений всех типов содержат органические вещества разного происхождения. В основном это продукты разложения растительных остатков, мигрировавшие в залежах, реже наблюдаются минерализованные растительные остатки. Среднее содержание органических веществ в бокситах следующее: в виде битумов — до 0,052 %, гуминов — до 0,036 %.
К гуминовым относятся высокомолекулярные соединения. Согласно принятой классификации, гуминовые вещества подразделяются на 3 группы:
1) растворимые в воде — фульвокислоты;
2) растворимые в спирте — гематамилановые кислоты и их производные;
3) нерастворимые ни в воде, ни в спирте — гумусовые кислоты.
Допустимое содержание органики в растворах глиноземного производства должно быть менее 3 % по кислороду. Органика очень вредна для технологического процесса, т. к. ее присутствие сказывается на скорости и полноте выщелачивания боксита. Гумины замедляют разложение алюминатных растворов, уменьшают поверхностное натяжение растворов, что приводит к вспениванию, а также к замедлению сгущения красных шламов. Обжиг, а в некоторых случаях и промывка бокситов могут снизить предельную концентрацию органических веществ в алюминатных растворах. В настоящий момент борьба с органикой в щелочно-алюминатных растворах сводится к применению антивспенивателей в виде различных органических поверхностно активных веществ, позволяющих гасить пену, а также окислению органики кислородом или озоном. Материальный баланс распределения органических веществ представлен в табл. 4.5.
Примеси в боксите

В числителе дроби дан процент от общего количества органических веществ, а в знаменателе — от количества растворенных органических веществ.
Таким образом, из этого материального баланса видно, что основная масса органики — 83 %, выделившаяся из цикла с отвальным красным шламом. Из раствора органические вещества удаляются главным образом с содой (соосаждаются с рыжей содой) и Аl(ОН)3. Гидроксид алюминия, полученный декомпозицией в ветви Байера, окрашен органическими веществами в розовый цвет в отличие от белоснежного гидроксида, получаемого по способу спекания. Чем больше органических веществ, тем больше их выходит из цикла этими путями. Установлено, что органические вещества способны накапливаться в алюминатных растворах до некоторого предела, когда наступает равновесие между их поступлением и выводом из раствора. При таком равновесии содержание этих веществ должно оставаться ниже предельного, в противном случае нужны дополнительные меры для очистки растворов.
Исследования показали, что из бокситов практически полностью выщелачиваются гуминовые вещества в виде хорошо растворимых щелочных гуматов. Битумы выщелачиваются не более чем на 10 %, и при разбавлении и сгущении автоклавной пульпы они нацело выпадают в осадок. Гумины на выщелачивании и частично на других переделах окисляются с образованием оксалата натрия и смолистых веществ. Эти смолистые вещества, состоящие в основном из карбоновых кислот, окрашивают алюминатные растворы в коричневый цвет, а при больших содержаниях их растворы окрашиваются в черный цвет.
Изучая действие органических веществ на процесс выщелачивания, М.Н. Смирнов показал, что органические вещества, имеющие в своем составе спиртовые группы, ускоряют выщелачивание диаспоровых бокситов. Причем было установлено, что они повышают активность извести, увеличивая ее растворимость в алюминатных растворах. Смолистые вещества (оксалат и ацетат натрия) не влияют на извлечение глинозема из диаспоровых бокситов. Органические вещества, представляющие битумы, понижают скорость растворения диаспора в бокситах. По мнению М.Н. Смирнова, такие вещества при выщелачивании обволакивают частички минералов алюминия в боксите и затрудняют доступ к ним алюминатного раствора. Органические вещества замедляют декомпозицию алюминатных растворов, кристаллизацию оборотной соды и сгущение красного шлама, а также затрудняют упаривание маточного раствора. Смолистые органические вещества уменьшают поверхностное натяжение алюми-натных растворов и тем самым способствуют вспениванию их при транспортировке и перемешивании. Особенно сильное вспенивание наблюдается в мешалках после измельчения боксита, в промывателях красного шлама, а также в декомпозерах.
Из бокситов в раствор переходит от 3,8 до 11,9 % органических примесей, которые представляют из себя различные формы органики (см. рис. 4.21). В процессе многолетней циркуляции в цикле Байера содержание органики в оборотном растворе превышает почти в 30 раз ее поступление с бокситом. Основным носителем этой примеси являются оборотный раствор, первая промвода и затравочный гидроксид. Органические вещества осложняют процесс сгущения красного шлама, разложения алюминатных растворов, кристаллизации ванадия и цементации галлия. Различают три основных группы органических веществ в щелочно-алюминатных растворах: гумины и первичные продукты их распада с величиной молекулярной массы больше 500, промежуточные (фенолкислоты и бензолкарбоновые) и низкомолекулярные продукты. Способностью образовывать пену обладают спирты, фенолы, кетоны, алифатические карбоновые кислоты (табл. 4.6).
Примеси в боксите

При комбинированной схеме Байер-спекание обеспечивается поддержание оптимального количества органических веществ в оборотных растворах выводом их с красным шламом, с гидроксидом алюминия и, особенно, с оборотной содой. При переработке бокситов только по способу Байера приходится специально выделять органические примеси из растворов, чтобы уменьшить их содержание в оборотных материалах.
В истории развития алюминиевой промышленности известен пример, когда вновь построенный глиноземный завод, работающий по способу Байера, после нескольких месяцев эксплуатации пришлось закрыть из-за сильного загрязнения оборотных растворов органическими веществами.
Примеси в боксите