Курсовая работа: Экологические аспекты преподавания темы "Ванадий и его применение" в школьном курсе химии

При пирометаллургическом способе ванадий извлекают из ванадийсодержащего сталеплавильного (конвертерного) шлака. На долю пирометаллургии приходится около 70 % всего производимого ванадия, ее используют большинство производителей ванадия, в том числе китайские и российские предприятия, а также некоторые производители в ЮАР и США.

Технологическая схема переработки конвертерных ванадиевых шлаков (16-18 % V₂ 0₅ ) состоит из следующих этапов:

• подготовки шлака к обжигу (дробление, размол, очистка от металловключений, смешение с реакционной добавкой);

• окислительного обжига шихты в присутствии реакционно-способной добавки (Na₂ C0₃ или СаС0₃ );

• выщелачивания обожженной шихты водой и раствором серной кислоты;

• осаждения ванадия из растворов в виде химического концентрата V₂ 0₅ или NH₄ V0₃ ;

• сушки, плавки и грануляции химического концентрата V₂ 0₅ .

Ванадиевые шлаки поступают на производство в кусках и измельчаются до тонкого порошка с размером частиц менее 0,1 мм. Наличие металлической фазы в шлаках требует их многократной обработки на магнитных сепараторах. Металлоотсев возвращают в начало металлургического процесса или используют для прямого легирования сталей и чугунов.

Одна из важнейших задач обжига ванадиевых шлаков — окисление низших оксидов железа, ванадия и марганца в высшие и образование растворимых соединений ванадия. При обжиге шлаков оксид V₂ О₃ переходит в легкорастворимые соединения ванадия(У), окисляются дисперсное железо, монооксид железа и низшие оксиды марганца, перекристаллизовываются силикаты.

Процесс окисления шлаков может быть представлен следующими основными реакциями:

Оптимальный температурный интервал реакций — от 700 до 900 °С.

Окислительный обжиг шлаков ведут в трубчатых вращающихся печах. Обычно шлаки обжигают в присутствии солей натрия, что позволяет получать ванадаты, хорошо растворяющиеся в воде и разбавленных растворах кислот и карбонатов. Обжиг шлаков совместно с содой позволяет осуществлять процесс при более низких температурах, чем при добавлении других солей натрия.

Шихта из обжиговой печи с температурой от 550 до 620 °С поступает в барабанный холодильник, где орошается водой или оборотным раствором. Одновременно с охлаждением в барабане происходит измельчение спека до 0,15 мм помещенными в барабан металлическими катками.

Выщелачивание шихты начинается в барабанном холодильнике. Пульпа, проходя ряд насосов и реакторов с мешалками, выщелачивается и поступает на вакуум-фильтр. После фильтра раствор направляют на осаждение концентрата V₂ 0₅ , а твердый остаток влажностью до 20 % — на сернокислотное выщелачивание. Применение серной кислоты как выщелачивающего реагента связано с тем, что разбавленные растворы этой кислоты в меньшей степени, чем другие минеральные кислоты, растворяют сопутствующие ванадию компоненты шлака.

Трехстадийное выщелачивание позволяет перевести в растворы 97,5-99,0 % V₂ 0₅ , в том числе около 65 % на стадии водного выщелачивания.

Существующие способы выделения ванадия из растворов позволяют осадить его в виде химического концентрата, в состав которого входит один или несколько металлов или аммонийная группа NH. При осаждении V₂ 0₅ происходит нейтрализация щелочных растворов минеральными кислотами, а кислых — содой до рН 1,5-2,0. Затем раствор нагревают до 85-95 °С и выдерживают. При этом из него выпадает красно-коричневый осадок. Процесс осаждения пятивалентного ванадия можно представить в общем виде следующими реакциями:

Фильтрацию гидратной пульпы проводят на барабанных вакуум-фильтрах. Сырой остаток, содержащий около 60 % влаги, загружают в плавильную печь. Плавление осадка происходит при температурах 950-1100 °С. Расплавленный продукт вытекает через отверстие на боковой стенке плавильной печи по железному желобу на охлаждаемую водой вращающуюся поверхность стола, на котором застывает тонким слоем. С помощью съемного ножа слой разделяют на небольшие пластинки и направляют их в контейнеры.

Химический концентрат, содержащий после сушки до 92 % V₂ 0₅ , используют для выплавки феррованадия и других сплавов. Феррованадий (35-80 % V) получают восстановлением ферросилицием или алюминием.

Гидрометаллургический способ предусматривает извлечение ванадия химическим выщелачиванием из обожженных титано-магнетитовых и ильменит-магнетитовых концентратов. Этот метод предъявляет жесткие требования к качеству перерабатываемых руд: высокое содержание ванадия в исходной руде и низкое — примесей.

Гидрохимический способ — это переработка вторичных материалов техногенного происхождения, таких, как отработанные ванадийсодержащие катализаторы, нефтяные остатки, нефтяной кокс, асфальтиты, зола от сжигания мазута, шлаки феррофосфорного производства, отходы переработки уран-ванадиевых руд и др.

Извлечение ванадия при этом осуществляется по различным гидрохимическим технологиям. Этот способ используют главным образом американские производители, а также в Великобритании и Японии. На его долю приходится около 10 % производимого ванадия. В настоящее время он является наиболее дорогостоящим.

Развитие технологий извлечения ванадия из вторичных материалов в США и Великобритании обусловлено в основном отсутствием в этих странах рудной базы ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья. Кроме того, учитывается и наличие большого количества отходов других производств с высоким содержанием ванадия (до 50 %), а также жесткие экологические требования и высокие платежи за загрязнение окружающей среды.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РЕСУРСОВ

Структура ресурсов ванадия в нашей стране определяется наличием больших запасов ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд. В связи с высокой стоимостью переработки и сложностью технологической схемы передела этих руд в настоящее время стала актуальной задача разработки технологий и создания производств по выпуску ванадиевой продукции из техногенного ванадийсодержащего сырья.

К ванадиевым ресурсам техногенного происхождения относятся золы и шлаки тепловых электростанций, отработанные катализаторы сернокислотного производства, шламы титанового и глиноземного производств, попутные продукты и вторичные материалы ванадиевого и феррованадиевого производств.

Один из видов такого сырья — материалы, образующиеся в котлоагрегатах ТЭС, сжигающих ванадийсодержащие мазуты и нефтеводяные эмульсии. В результате оксидные соединения ванадия концентрируются в зольных остатках, оседающих на поверхностях нагрева, или в шламах, образующихся в обмывочных растворах.

В некоторых странах ванадийсодержащие ЗШО ТЭС активно вовлекают в производственную сферу. В Канаде, США и Венесуэле ванадий, а также никель получают не только из нефти и битума, но и из ВЗШО, полученных в результате сжигания на ТЭС нефтепродуктов. Наиболее развито применение техногенного ванадийсодержащего сырья в Японии. Доля ванадийсодержащих нефтяных остатков, летучей золы, образующейся в топках, работающих на мазуте, и отработанных катализаторов в производстве феррованадия в Японии достигает 30 %.