способ получения смешанных фосфатов алюминия и щелочных металлов

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕШАННЫХ ФОСФАТОВ АЛЮМИНИЯ И ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ, включающий обработку нефелина фосфорной кислотой с повышенной температурой и отделение нерастворимого осадка, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем непрерывного дозирования нефелина в кислоту со скоростью 0,4 - 0,8 г/мин на 1 моль P₂O₅.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению фосфатных связующих компонентов, используемых в производстве строительных материалов.

Известен способ получения сложных фосфатов алюминия и щелочного металла (натрия, калия) путем взаимодействия растворов нитрата алюминия с ортофосфорной кислотой и щелочью при нагревании [1].

Основным недостатком способа является использование дорогостоящих и дефицитных соединений алюминия и щелочных металлов (нитрат алюминия, едкие щелочи).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения смешанных фосфатов натрия, калия и алюминия, в котором предлагается использовать в качестве соединений металлов природный минерал нефелин - алюмосиликат натрия и калия. Способ заключается в следующем. Нефелин обрабатывают нагретой до 100^оС фосфорной кислотой с концентрацией 36-70% Р₂О₅, взятой в количестве 110% от стехиометрически необходимого для образования монозамещенных фосфатов натрия, калия и алюминия. Полученную при разложении фосфатную массу обрабатывают водой при 20-105^оС. После отделения фильтрованием нерастворимого остатка (кремнегеля) получают фильтрат смешанных фосфатов натрия, калия и алюминия с удельным весом 1,05-1,55 т/м³. Извлечение в раствор достигает по Al₂O₃ и Na₂O 84%; по К₂О - 86%. Для достижения указанного извлечения нерастворимый остаток промывают водой [2].

Описанный способ имеет ряд существенных недостатков. Процесс взаимодействия нефелина с фосфорной кислотой является экзотермическим, причем чем выше концентрация используемой кислоты, тем выше температура реакции. При обработке нефелина предварительно нагретой кислотой температура так резко возрастает, что объем реакционной массы увеличивается в несколько раз и существует реальная опасность выброса продуктов взаимодействия из реактора. Осуществить такой процесс на практике очень трудно.

Полученную твердую фосфатную массу перед обработкой водой необходимо разрыхлить, что требует применения каких-то специальных механизмов и увеличивает число операций (стадий).

Отделение фильтрованием нерастворимого остатка (кремнегеля) от раствора смешанных фосфатов в значительной мере затруднено из-за образования сильнообводненного осадка (геля). При промывке остатка водой он еще более обводняется, а скорость фильтрования промывных вод уменьшается. Промывные воды представляют собой сильноразбавленный раствор смешанных фосфатов натрия, калия и алюминия, который является нестойким: через 2-3 сут в результате гидролиза из них выпадает осадок среднего фосфата алюминия и растворы становятся непригодными для использования в качестве связующего компонента.

Промытый нерастворимый остаток (кремнегель), состоящий в основном из кремнезема, является отходом, что снижает комплексность использования нефелина.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи упрощения процесса и повышения комплексности использования нефелина.

Упрощение процесса заключается в сокращении стадийности, в увеличении скорости фильтрования растворов смешанных фосфатов алюминия и щелочных металлов.

Повышение комплексности использования нефелина обусловлено повышением извлечения алюминия, натрия и калия в раствор смешанных фосфатов и использованием непромытого кремнеземного остатка, наряду с раствором смешанных фосфатов, в качестве связующего компонента. Т. е. технология является практически безотходной.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения смешанных фосфатов алюминия и щелочных металлов, включающем обработку нефелина предварительно нагретой фосфорной кислотой и отделение нерастворимого остатка, обработку ведут непрерывным дозированием нефелина в кислоту со скоростью 0,4-0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅.

Обработку нефелина осуществляют в одну стадию в стандартном химическом реакторе с перемешивающими устройствами. Необходимая температура обработки поддерживается за счет тепла экзотермических реакций при дозированной подаче нефелина в кислоту со скоростью 0,4-0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅.

Дозирование нефелина в кислоту со скоростью 0,4-0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅ дает следующие преимущества. Свойства нефелина таковы, что при его взаимодействии с фосфорной кислотой в раствор извлекается не только алюминий, натрий и калий, но и кремнезем. При быстром смешении нефелина с кислотой (прототип) растворы быстро пересыщаются кремнеземом, который полимеризуется с образованием геля кремнекислоты, который распространяется во всем реакционном объеме, в результате чего масса схватывается (желатинизируется). При последующей водной обработке образуется неотстаивающаяся и труднофильтруемая суспензия. Более того, образующийся гель кремнекислоты экранирует частицы нефелина, затрудняя доступ к ним кислоты, что приводит к неполному разложению нефелина.

При дозировании нефелина в кислоту со скоростью 0,4-0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅ каждая поступающая порция нефелина в условиях большого избытка кислоты и высокой температуры практически мгновенно разлагается. В указанных условиях накопления растворенного кремнезема в растворе не происходит, поскольку он быстро претерпевает ряд изменений по следующей схеме:

растворенный кремнезем-полимеризация-образование зародышей-коллоидные частицы-коагуляция-аморфный кремнезем-осаждение.

Более того, образовавшиеся частицы аморфного кремнезема служат центрами, на которых происходит осаждение растворенного кремнезема в результате поступления последующих порций нефелина.

Таким образом, при дозировании нефелина в кислоту со скоростью 0,4-0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅ в результате образования дискретных частиц аморфного кремнезема образуются хорошо отстаивающиеся и фильтрующиеся фосфатные суспензии.

Нерастворимый остаток, отделенный от раствора смешанных фосфатов алюминия и щелочных металлов, представляет собой в основном смесь связки (раствора смешанных фосфатов) и аморфного кремнезема, являющегося отличным наполнителем в производстве различных стройматериалов, т.е. непромытый нерастворимый остаток может непосредственно использоваться в качестве связующего компонента.

При скорости непрерывного дозирования нефелина в кислоту более 0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅ вязкость фосфатных суспензий значительно возрастает в результате растворения кремнезема, содержащегося в нефелине. Поэтому получаемые суспензии трудно фильтруются. Более того, при очень высокой скорости дозирования нефелина в кислоту возможна частичная или полная желатинизация суспензий в результате полимеризации растворенного кремнезема. В этом случае отделить раствор смешанных фосфатов от нерастворимого остатка практически невозможно.

При непрерывном дозировании нефелина в кислоту со скоростью менее 0,4 г/мин на 1 моль Р₂О₅ скорость фильтрования растворов смешанных фосфатов практически не изменяется, в то время как продолжительность обработки нефелина неоправданно увеличивается.

Таким образом, непрерывное дозирование нефелина в кислоту со скоростью 0,4-0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅ позволяет упростить процесс за счет сокращения стадийности и увеличения скорости фильтрования растворов смешанных фосфатов. Непромытый нерастворимый остаток, состоящий в основном из аморфного кремнезема, и удерживающий некоторую часть раствора смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия, также используют в качестве фосфатного связующего. Это обстоятельство позволяет повысить степень использования нефелина практически до 100%.

Способ осуществляют следующим образом. В предварительно нагретую до 70-105^оС фосфорную кислоту с концентрацией 36-47% Р₂О₅ при перемешивании непрерывно дозируют нефелин со скоростью 0,4-0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅. Расход кислоты составляет 110% от стехиометрического количества на образование монозамещенных фосфатов алюминия, натрия и калия. По окончании дозирования нефелина фосфатную суспензию перемешивают в течение 30 мин и фильтруют. Получают раствор смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия и непромытый нерастворимый остаток, которые используют в качестве фосфатных связующих компонентов в производстве стройматериалов.

П р и м е р 1. 1 кг нефелинового концентрата, содержащего, мас.%: 28,5 Al₂O₃; 14,0 Na₂O; 7,25 K₂O; 42,0 SiO₂; 8,25 прочие, непрерывно дозируют при перемешивании в 3240 мл фосфорной кислоты с концентрацией 36% Р₂О₅, предварительно нагретой до 70^оС, со скоростью 0,4 г/мин на 1 моль Р₂О₅. По окончании дозирования нефелина фосфатную суспензию перемешивают в течение 30 мин и фильтруют на нутч-фильтре с площадью 7,2 дм². Скорость фильтрования раствора смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия составляет 0,93 м³/м^{2 .} ч. Получают 2430 мл раствора смешанных фосфатов с плотностью 1,46 г/см³ состава, г/л: 74,5 Al₂O₃; 38,1 Na₂O; 18,91 К₂О; 471,0 Р₂О₅ и 1786 г непромытого нерастворимого остатка, содержащего 553 г (30,96%) твердого и 1233 г (69,04%) раствора смешанных фосфатов. Степень извлечения в жидкую фазу составляет, %: 85,58 Al₂O₃; 89,1 Na₂O; 85,41 К₂О. Состав твердого в пересчете на сухую массу, %: 75,95 SiO₂; 7,43 Al₂O₃; 2,76 Na₂O; 1,91 К₂О; 11,95 прочие.

П р и м е р 2. 1 кг нефелинового концентрата непрерывно дозируют при перемешивании в 2250 мл фосфорной кислоты с концентрацией 47% Р₂О₅, предварительно нагретой до 105^оС, со скоростью 0,8 г/мин на 1 моль Р₂О₅. По окончании дозирования нефелина фосфатную суспензию перемешивают в течение 30 мин и фильтруют. Скорость фильтрования раствора смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия составляет 0,86 м³/м^{2 .} ч. Получают 1600 мл раствора смешанных фосфатов с плотностью 1,63 г/см³ состава, г/л: 106,2 Al₂O₃; 54,45 Na₂O; 26,86 К₂О; 672,0 Р₂O₅ и 1703 г непромытого нерастворимого остатка, содержащего 553 г (32,47%) твердого и 1150 г (67,53%) раствора смешанных фосфатов. Степень извлечения в жидкую фазу составляет, %: 85,30 Al₂O₃; 88,9 Na₂O; 85,25 К₂О. Состав твердого в пересчете на сухую массу, %: 75,1 SiO₂; 7,52 Al₂O₃; 2,78 Na₂O; 1,95 К₂О; 12,65 прочие.

П р и м е р 3. 1 кг нефелинового концентрата непрерывно дозируют при перемешивании в 2675 мл фосфорной кислоты с концентрацией 41,5% Р₂О₅, предварительно нагретой до 90^оС, со скоростью 0,6 г/мин на 1 моль Р₂О₅. По окончании дозирования нефелина фосфатную суспензию перемешивают в течение 30 мин и фильтруют. Скорость фильтрования раствора смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия составляет 1,05 м³/м^{2 .} ч. Получают 1880 мл раствора смешанных фосфатов с плотностью 1,56 г/см³ состава, г/л: 91,0 Al₂O₃; 46,7 Na₂O; 23,1 К₂О; 575,0 Р₂О₅ и 1810 г непромытого нерастворимого остатка, содержащего 553 г (30,55%) твердого и 1257 г (69,45%) раствора смешанных фосфатов. Степень извлечения компонентов в жидкую фазу составляет, %: 85,44 Al₂O₃; 89,0 Na₂O; 85,32 К₂О. Состав твердого в пересчете на сухую массу, %: 75,56 SiO₂; 7,48 Al₂O₃; 2,77 Na₂O; 1,92 К₂О; 12,27 прочие.

П р и м е р 4. Способ осуществляют по примеру 3. Нефелиновый концентрат непрерывно дозируют со скоростью 0,3 г/мин на 1 моль Р₂О₅. Скорость фильтрования раствора смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия составляет 1,10 м³/м^2.ч. Выход и состав раствора смешанных фосфатов и непромытого нерастворимого остатка как в примере 3.

П р и м е р 5. Способ осуществляют по примеру 3. Нефелиновый концентрат непрерывно дозируют со скоростью 1,0 г/мин на 1 моль Р₂О₅. Скорость фильтрования раствора смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия составляет 0,35 м³/м^2.ч. Получают 1130 мл раствора смешанных фосфатов с плотностью 1,58 г/см³ состава, г/л: 89,5 Al₂O₃; 45,8 Na₂O; 22,5 K₂O; 574,0 P₂O₅; 23,4 SiO₂ и 2957 г непромытого нерастворимого остатка, содержащего 490 г (16,57% ) твердого и 2467 г (83,43%) раствора смешанных фосфатов. Степень извлечения в жидкую фазу составляет, %: 84,48 Al₂O₃; 88,0 Na₂O; 83,48 K₂O; 15,0 SiO₂.

П р и м е р 6. Способ осуществляют по примеру 3. Нефелиновый концентрат непрерывно дозируют со скоростью 1,2 г/мин на 1 моль Р₂О₅. По окончании дозирования нефелина фосфатная суспензия желатинизируется.

П р и м е р 7 (прототип). 1 кг нефелинового концентрата состава как в примере 1 обрабатывают 2250 мл фосфорной кислоты с концентрацией 47% Р₂О₅, нагретой до 100^оС. Полученную при разложении твердую фасфатную массу обрабатывают 4000 мл воды при 28^оС и фильтруют. Скорость фильтрования раствора смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия составляет 0,33 м³/м^2.ч. Получают 3190 мл раствора смешанных фосфатов с плотностью 1,29 г/см³ состава, г/л: 40,0 Al₂O₃; 20,3 Na₂O; 9,9 K₂O; 260,0 P₂O₅ и 4184 г непромытого нерастворимого остатка, содержащего 578 г (15,76%) твердого и 3606 г (84,24%) раствора смешанных фосфатов. Степень извлечения в жидкую фазу составляет, % : 83,5 Al₂O₃; 87,0 Na₂O; 82,0 К₂О.

Как видно из приведенных примеров, заявляемый способ позволяет по сравнению с прототипом сократить стадийность процесса; более чем в 2,5 раза увеличить скорость фильтрования растворов смешанных фосфатов алюминия, натрия и калия; повысить степень извлечения компонентов в жидкую фазу; получить более концентрированные (а значит, более стойкие) растворы смешанных фосфатов. Кроме того, непромытый нерастворимый остаток, получаемый по заявляемому способу, может быть также использован в качестве связующего компонента, что повышает степень использования нефелина до 100% и делает технологию безотходной.