строительные и другие материалы, содержащие бокситовые хвосты, подвергнутые технологической обработке, и способ получения материалов

Формула изобретения

1. Способ технологической обработки потоков отходов, содержащих бокситовые хвосты, по существу, для нейтрализации преобладающей части щелочных химических соединений, имеющихся в них, предусматривающий распыление указанных бокситовых хвостов для получения, в общем, гомогенного порошка, перемешивание указанного порошка при добавлении достаточного количества воды для образования, в общем, свободно текущей суспензии, добавление к суспензии достаточного количества кислоты для нейтрализации указанных щелочных химических соединений до величины рН, составляющей приблизительно, 5,5-6, для образования водного раствора солей указанной кислоты и отделение указанного водного солевого раствора от остального нерастворимого вещества суспензии.

2. Способ по п.1, в котором указанный гомогенный порошок является достаточно тонким, чтобы, в общем, проходить через сито 16.

3. Способ по п.1, в котором указанное щелочное химическое соединение является гидроксидом натрия.

4. Способ по п.1, в котором указанная кислота является неорганической минеральной кислотой.

5. Способ по п.4, в котором указанная неорганическая минеральная кислота является серной кислотой.

6. Способ по п.1, в котором указанные нерастворимые вещества суспензии из обработанного потока отходов, содержащих бокситовые хвосты, дополнительно обрабатывают для образования компонента строительного материала.

7. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, часть указанной соли остается с указанным нерастворимым веществом суспензии после удаления из нее указанного водного солевого раствора.

8. Способ по п.6, в котором указанный строительный материал является цементирующим материалом.

9. Способ по п.8, в котором указанный цементирующий строительный материал используется в составе строительного блока.

10. Конструкционный строительный материал, содержащий отвержденный формованный элемент, содержащий цементирующий материал, заполнитель и приблизительно до 30 об.% распыленных бокситовых хвостов, которые были подвергнуты технологической обработке достаточным количеством водного раствора неорганической минеральной кислоты, по существу, для нейтрализации щелочных химических соединений, имеющихся в указанных хвостах.

11. Строительный материал по п.10, в котором указанным формованным элементом является строительный блок.

12. Строительный материал по п.10, в котором указанной неорганической минеральной кислотой является серная кислота.

13. Строительный материал по п.10, в котором указанным щелочным химическим соединением является гидроксид натрия.

14. Строительный материал по п.10, в котором указанный заполнитель представляет собой содержащий силикат компонент в количестве, составляющем приблизительно 5-50% от массы цементирующего материала.

15. Строительный материал по п.10, в котором указанным цементирующим материалом является цемент.

16. Способ технологической обработки бокситовых хвостов, предусматривающий распыление указанных бокситовых хвостов для получения, в общем, гомогенного порошка, перемешивание указанного порошка при добавлении достаточного количества воды для образования, в общем, свободно текущей суспензии, и добавление к суспензии достаточного количества кислоты по существу для нейтрализации щелочных химических соединений для образования воды и солей указанных химических соединений.

17. Способ по п.16, который дополнительно предусматривает отделение указанных солей от остального нерастворимого вещества суспензии.

18. Способ по п.17, в котором указанное нерастворимое вещество суспензии комбинируют с цементирующим материалом, уплотняют и отверждают для образования строительного блока.

19. Способ по п.16, в котором указанными щелочными химическими соединениями являются гидроксиды щелочных металлов, а указанной кислотой является неорганическая минеральная кислота.

20. Способ по п.16, в котором указанную нейтрализацию осуществляют до величины рН, составляющей приблизительно 5,5-6.

21. Способ получения цементирующего материала, содержащего обработанные бокситовые хвосты, предусматривающий распыление бокситовых хвостов, содержащих щелочные соединения, для получения, в общем, гомогенного порошка, перемешивание указанного порошка при добавлении достаточного количества воды для образования, в общем, свободно текущей суспензии, добавление к суспензии достаточного количества кислоты для нейтрализации указанных щелочных химических соединений до величины рН, составляющей приблизительно 5,5-6, для образования водного раствора солей указанной кислоты, отделение указанного водного солевого раствора от остального нерастворимого вещества суспензии, и комбинирование указанного нерастворимого вещества суспензии в количестве от приблизительно 5 об.% до примерно 50 об.% с цементирующим веществом для образования указанного цементирующего материала.

22. Способ по п.21, в котором указанным цементирующим веществом является цемент.

23. Способ по п.21, в котором указанное нерастворимое вещество суспензии комбинируют с указанным цементирующим веществом, уплотняют и отверждают для образования строительного блока.

24. Способ по п.23, в котором указанный строительный блок отверждают в сверхнасыщенной влагой среде в течение заданного промежутка времени.

25. Способ по п.24, в котором указанный период времени составляет, по меньшей мере, 168 ч.

26. Способ по п.21, в котором указанной кислотой является серная кислота, а, по меньшей мере, часть указанных солей серной кислоты, которые образуются, остается с нерастворимым веществом суспензии после удалении из нее воды для катализирования последующего образования углеродистых кристаллов в цементирующем материале.

27. Способ по п.26, в котором указанное нерастворимое вещество суспензии впоследствии не промывают для отделения водного солевого раствора.

28. Способ по п.5, в котором указанное нерастворимое вещество суспензии впоследствии не промывают для отделения водного солевого раствора.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу технологической обработки потоков отходов, содержащих бокситовые хвосты, для нейтрализации имеющегося в них гидроксида щелочного металла, например, гидроксида натрия, для получения продукта, который может быть введен в строительные или другие материалы, например строительные блоки, для улучшения их свойств. Настоящее изобретение дополнительно относится к улучшенным строительным материалам, содержащим материал хвостов, подвергнутым технологической обработке в соответствии со способом, соответствующим настоящему изобретению.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ Байера получения оксида алюминия из боксита приводит в результате к образованию больших количеств "красного шлама" или хвостов, которые являются как источником загрязнения окружающей среды, так и разбазариванием потенциально ценных минеральных ресурсов. В соответствии с этим было бы выгодно иметь способ эффективного использования таких хвостов для получения полезного промышленного продукта.

В патенте США №3,985,567, выданном Ивью, описан способ комбинирования подвергнутых технологической обработке бокситовых хвостов с глиной и нагрева в печи для получения строительных блоков.

В патенте США №4,133,866, выданном Локатосу и др., описан способ отделения связанного натрия из отстоя красного шлама, в котором сульфат железа используют для извлечения содержащегося натрия.

В патенте США №5,554,352, выданном Жако и др., описана технологическая обработка сырого боксита для получения пуццолана, предназначенного для использования при получении бетонных изделий.

ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается способ технологической обработки потоков отходов, содержащих бокситовые хвосты, делающий их пригодными для введения в полезные строительные материалы, например строительные блоки, которые образуют из цементирующего материала. Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает получение улучшенного строительного материала, в котором бокситовые хвосты, которые были подвергнуты технологической обработке неорганической (минеральной) кислотой для нейтрализации гидроксидов щелочных металлов, которые затем могут быть скомбинированы с цементирующим материалом и отверждены для обеспечения строительного материала высшего качества. Перед комбинированием с цементирующим или другим материалом удаляют воду и все или часть солей щелочных металлов, образованных благодаря нейтрализации.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

В соответствии с настоящим изобретением сначала бокситовые хвосты превращают в гомогенный порошок, который может пройти через сито, имеющее размер ячеек, составляющий 1/16 дюйма (1,59 мм) или менее, и к хвостам добавляют воду. Введение воды осуществляют при тщательном перемешивании смеси. Воды добавляют достаточно для того, чтобы суспензия растекалась свободно и равномерно. Требуемая консистенция и вязкость соответствует приблизительно консистенции и вязкости нежелатиноподобной малярной краски. Как только такая консистенция достигнута, к суспензии в достаточном количестве добавляют кислоты (то есть один моль водорода на каждый моль натрия, имеющегося в хвостах) в течение процедуры перемешивания, отделяя в соответствии с этим атомы натрия от ионов их гидроксидов. Вследствие чего атом водорода из кислоты обменивается положениями с атомом натрия из каустической соды (из гидроксида натрия) и образует воду. Ион натрия занимает свободное место, оставленное атомом водорода, для образования соляного побочного продукта. Конкретная соль определяется используемой исходной неорганической (минеральной) кислотой, например серная кислота будет образовывать сульфат натрия, а соляная кислота будет образовывать хлорид натрия. Эти соли в растворе и суспензии разделяют или посредством центрифугирования или посредством "гашения" или другими доступными средствами. Затем соли отделяют от воды путем дистилляции или другими средствами, так что вода может быть повторно использована для продолжения технологического процесса, а соли проданы как промышленные химикаты.

В этом месте следует отметить, что при введении кислоты в основную суспензию могут и будут иметь место вторичные и третичные реакции. По этой причине предпочтительно иметь тонкодисперсную суспензию, как практически выполнимо в широко распространенных обстоятельствах, и чтобы тонкодисперсная суспензия находилась в состоянии тщательного перемешивания в момент введения кислоты, целью которого является уменьшение продолжительности реакции или "времени до воздействия" кислоты на целевое химическое соединение (гидроксид натрия). В этот процесс неизбежно будут вовлечены некоторые количества калия, магния и алюминия, а также других элементов, но которого в этих обстоятельствах не достаточно для того, чтобы препятствовать достижению цели, которая заключается в удалении гидроксида натрия из бокситовых хвостов так, чтобы хвосты могли затем быть стабилизированы и впоследствии введены в матрицу обычных строительных материалов.

Как только суспензия отделена от солевого раствора, она становится готовой для использования в качестве компонента в обычных строительных материалах, например в строительных блоках для мощения. Например, доли отдельных компонентов заполнителя аналогичны тем, которые будут использованы для "нормальных" строительных блоков для мощения, за исключением тех случаев, когда "стабилизированные бокситовые хвосты" используют вместо каких-либо мелких фракций, просеянных через сито 200, которые будут, как правило, представлены. Если они (мелкие фракции, просеянные через сито 200) не используют, то "стабилизированные бокситовые хвосты" будут введены в смесь в пропорции, составляющей приблизительно 20 об.%. В этом случае наилучшим режимом образования конечного продукта в настоящее время является промышленный стандартный технологический процесс использования гидравлического уплотнения вместе с одновременным вибрационным уплотнением в течение технологического процесса формования предварительно перемешанного заполнителя.

Аппарат для получения бетонного строительного блока может иметь, по меньшей мере, одну видимую поверхность, имеющую "отделанную" лицевую сторону. Строительный блок может быть получен путем заполнения формы бетонной смесью, вибрации формы и использования падающего пуансона для сжатия бетона в заполненной форме. По меньшей мере, одна внутренняя поверхность формы может иметь текстурированную поверхность, используемую для образования текстуры в строительном блоке. При последующем сжатии смеси подвижная боковая стенка отходит в поперечном направлении от строительного блока на достаточное расстояние, чтобы текстурированная поверхность стенки формы освобождала текстурированную поверхность строительного блока при подъеме формы. В случае строительного блока для мощения лицевая поверхность будет образована пуансоном. Пуансон остается по месту, тогда как форма поднимается, после чего поднимается пуансон, давая отделанный строительный блок.

Будучи отформованными, строительные блоки должны предпочтительно находиться в сверхнасыщенной влажной среде и самим строительным блокам не должно быть позволено стать "сухими" в течение первых 168 часов отверждения. Уровни влажности могут поддерживаться путем размещения отделанных строительных блоков в технологической камере, которая имеет туманообразующее средство, которое обеспечивает смачивание насыщения с регулярными интервалами в течение технологического процесса отверждения. Более высокие рабочие/эксплуатационные характеристики получают, когда содержание хвостов не превышает 30 об.%.

Дополнительно отмечено, что в том случае, если в смеси имеется достаточное количество оксида железа, то она приобретает эстетически приятный цвет, который по оттенку очень похож на терракоту. Кроме того, изменение величины рН заполнителя, увеличиваемой благодаря добавлению кислой суспензии, резко изменяет "смачивающие" способности доступной воды в смеси. Это в результате приводит к образованию гомогенной кристаллической структуры бетона при его отверждении.

Благодаря использованию серной кислоты в качестве первостепенного реагента и не удалению результирующих солей, которые образованы из реакции нейтрализации, которая имеет место, сбережению того, что удалено путем отделения избыточной воды из суспензии, оставшийся сульфат натрия действует как катализатор для образования углеродистых кристаллов, которые характеризуют внутреннюю кристаллическую структуру цементирующих смесей.

Способ, соответствующий настоящему изобретению, поясняется с помощью следующей процедуры: одну часть бокситовых хвостов взвешивают в трех частях воды, титрование смеси осуществляют при использовании одномолярного раствора серной кислоты на моль натрия в хвостах до тех пор, пока смесь не достигнет величины рН, составляющей 5,5-6,0. Для успешного выполнения указанного выше смесь обязательно должна непрерывно перемешиваться, поддерживая частицы смеси во взвешенном состоянии. Как только смесь достигает требуемой величины рН, составляющей 5,5-6,0, процесс прекращают. После этого смесь оставляют для отстаивания, и фильтрат отделяют от всплывающей жидкости посредством декантации и/или фильтрации. Остаток не обязательно должен быть промыт. Испарение всплывающей жидкости даст сульфат натрия, который после рафинирования может быть продан как промышленный химикат и подвергнут электролизу и повторно использован в технологическом процессе.

В качестве побочного продукта вышеуказанной процедуры обработки хвостов и последующего введения в цементирующую среду, конечный продукт имеет повышенное сопротивление эфлоресценции, то есть выше уровней сопротивления бетонных изделий, не содержащих бокситовые хвосты, а также те, которые их содержат.

В соответствии с настоящим изобретением, если выбранной неорганической (минеральной) кислотой является серная кислота, то натрий избирательно извлекается из хвостов в раствор в виде сульфата натрия, не содержащего раствор с сульфатами железа, титана, кремния или алюминия. Оставшийся красный шлам из описанного выше, который не содержит гидроксида натрия, может быть теперь использован для производства строительных материалов. На предшествующем уровне техники относительно высокое процентное содержание соды в бокситовых хвостах делало их неприменимыми в качестве составной части строительных материалов.

Следующие примеры дополнительно иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения.

Пример 1

Бетонный блок для мощения формовали из смеси, содержащей 30 об.% подвергнутого технологической обработке красного шликера, добавленного к цементирующему заполнителю, используя только портландцемент в качестве связующего вещества, и отверждали до размера, требуемого для удовлетворения эстетическим и конструктивным требованиям, предъявляемым в строительной промышленности и потребителями. Результирующий блок имел следующие характеристики:

а. Предел прочности при сжатии - 2750 фунт на квадратный дюйм (18947,5 кПа).

b. Водопоглощение - 13,5%.

Пример 2

Бетонный блок для мощения мог быть отформован из смеси, содержащей 30 об.% подвергнутого технологической обработке красного шликера, добавленного к цементирующему заполнителю, и 30 об.% портландцемента, замененного тонко измельченными силикатными хвостами, и отвержен до размера, требуемого для удовлетворения эстетическим и конструктивным требованиям, предъявляемым в строительной промышленности и потребителями. Результирующий блок имел следующие характеристики:

с. Предел прочности при сжатии - 3000 фунт на квадратный дюйм (20670 кПа);

d. Водопоглощение - 13,5%.

Одна лицевая сторона конечного строительного блока и "контрольный" огнеупорный строительный блок из печи для обжига и сушки подвергали воздействию при температуре окружающей среды нагреву до 6800°F (3760°С) мощной ацетиленокислородной горелкой, имеющей конфигурацию, напоминающую по форме свежий бутон розы (большой мундштук, используемый специально для нагрева широких областей обрабатываемых изделий). Полученные результаты были следующими: через 15 минут после непосредственного воздействия пламени строительный блок, соответствующий настоящему изобретению, оставался неизменным. Через 15 минут аналогичной обработки лицевая сторона "контрольного" строительного блока становилась глазурованной и начинала оплавляться и "стекать" в виде жидкости.

Обычным побочным продуктом отходов технологического процесса, проводимого в соответствии со способом Байера, является богатый силикатом компонент, обычно называемый "песком" или "асфальтовым песком". Более крупные частицы (размер зерна соли или крупнее), как правило, отделяют от технологического потока перед "варочной" фазой технологического процесса в соответствии со способом Байера.

Эту составляющую, как правило, выбрасывают либо отдельно, или во взвешенном состоянии с суспензией отходов. Этот материал также может быть использован как дополнение к получению готовой продукции, но не является существенным для получения готовой продукции.

Эти природные силикаты явно улучшают многие из физических характеристик изделия, соответствующего настоящему изобретению. Если эти силикаты имеются в любом месте данных хвостов, то они могут быть отделены (если они уже не отделены) и измельчены до консистенции тонкого порошка и введены в портландцемент в качестве усиливающего агента для увеличения прочности и долговечности конечного изделия. Оптимальные результаты получают при добавлении в портландцемент при 30 об.% силикатов к 70 об.% цемента, однако улучшенные рабочие характеристики изделия могут быть получены только при приблизительно любом силикатном соотношении, находящемся в диапазоне, составляющем примерно от 5 до 50%. Компонент "модифицированного" портландцемента затем подмешивают к стандартной смеси заполнителя вместе со "стабилизированным красным шламом", соответствующим настоящему изобретению, добавляют воду и осуществляют формование смеси, подвергают систему воздействию вибрации и давления для придания полуфабрикату конечной конфигурации и давая возможность отверждения в окружающей среде, насыщенной холодной водой, в течение, по меньшей мере, семи дней. Максимальный предел прочности при сжатии получают приблизительно к 28 дню.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, используют "холодный технологический процесс" для получения стабилизированного боксита и в таком случае обеспечивается возможность получения намного более широкого спектра номенклатуры конечных изделий. Черепица, керамические дренажные трубки, керамические плитки для покрытия пола, блоки для мощения, облицовочные плитки, шлакобетонные блоки, подпорные стеновые блоки, штакетники, звукоизолирующие экраны, защитные стенки, экраны для отклонения струй при наддуве, предохранительные стенки и так далее и в основном все, что может быть сделано из бетона, также может быть получено из бетона и стабилизированных хвостов, добавленных в него.

Использования и применения настоящего изобретения не ограничены случаями применения, в которых используется бетон. "Стабилизированные хвосты", соответствующие настоящему изобретению, могут быть использованы в качестве фильтрующих средств, добавки в верхний слой почвы, ростверка мусорной свалки, защиты полимерных материалов от ультрафиолетового излучения, пигмента для краски, полимерных материалов и керамики и незагрязняющего маркера для гидрологического анализа поверхностной воды.

Внутриквартальные проезды или внутренние дворики могут быть облицованы такими блоками (поскольку они достаточно дешевы и прочны) или устройства для барбекю могут быть построены на их основе (поскольку они также являются огнеупорными). Придорожные водопропускные трубы могут быть облицованы такими блоками или ими могут быть облицованы речные подпорные стенки (поскольку они имеют высокое сопротивление эфлоресценции) или стенки чугунных плавильных печей. Кроме того, благодаря введению стабилизированных хвостов, подвергнутых технологической обработке в соответствии с настоящим изобретением, в стандартный портландцемент он может быть после этого быть использован в качестве недорого и прочного скрепляющего строительного раствора для установки по месту огнеупорных блоков.

Квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что без отклонения от сущности или объема настоящего изобретения, могут быть сделаны различные модификации и изменения способа и результирующего материала, соответствующих настоящему изобретению. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает его модификации и варианты осуществления при условии, что они находятся в объеме прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.