بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استخراج فلزات با ارزش پسماند تولید آلومینا (گل قرمز) به عنوان یکازی
آلاینده هاي خطرناك محیط زیست با استفاده از روشهاي هیدرومتالورژي
چکیده
باطله بوکسیت (گل قرمز) پسماند خطرناك تولید شده صنعت پالایش آلومینا میباشد. به جز مواردي که بـه درستی مدیریت شده، گل قرمز به دلیل قلیایی بودن شدید و اثرات بالقوه آن روي کیفیت آبهاي سطحی و زیر زمینی، محیط زیست را در معرض خطرات قابل توجهی قرار میدهد. گل قرمـز، در اغلـب مـوارد، حـاوي غلظت بالاي آهن علاوه بر فلزات با ارزشی چون آلومینیوم، تیتانیوم و سدیم است و استفاده از آن بـه عنـوان منبع ثانویه جهت بازیابی فلزات بـا ارزش مـی توانـد یکـی از راه هـاي حـل ایـن خطـرات باشـد. روشهـاي هیدرومتالورژي براي استخراج فلزات ساده نسبتاًو ارزان هستند.
در این مطالعه، آزمایشات در سه پروسه انجام شدند. ابتدا گل قرمز معمولی و سپس گل قرمز کلسینه شده بـا اسیدهاي تک فروشویی شدند. در پایان گل قرمز معمولی با استفاده از ترکیـب اسـیدهاي مختلـف فروشـویی شد.
به منظور بدست آوردن درصد و خصوصیات معدنی ترکیبات گل قرمز معمولی و کلسینه شـده از فلوئورسـانی پرتوي ایکس (XRF) و پراش پرتوي ایکس (XRD) استفاده شد. محتوي فلزات در محلول پس از فروشویی با پلاسماي جفت شده القایی- طیف بینی نشر اتمی (ICP-AES) و طیف بینی جذب اتمی (AAS) انـدازه گیري شد. نتایج آزمایش نشان داد که درصد استخراج آهن و آلومینیوم بعد از کلسینه شدن گل قرمز به طور قابل توجهی افزایش یافت. همچنین، بالاترین میزان استخراج از ترکیب اسید سولفوریک و اسید هیدروکلریک غلیظ به نسبت 3 به 1 بدست آمد.
کلمات کلیدي
گل قرمز، صنعت آلومینا، استخراج، فلزات با ارزش، کلسیناسیون، فروشویی
.1 مقدمه
گل قرمز یا باطله بوکسیت یک پسماند/محصول جانبی تولید شـده در خـلال فرآینـد بـایر اسـت کـه در آن از هضـم شیمیایی بوکسیت با هیدروکسید سدیم در دما و فشار بالا رفته براي تولید آلومینا استفاده میشود. تحت شرایط نرمال حدود
2-1 تن باطلههاي گل قرمز (وزن خشک) براي هر تن آلومیناي تولید شده حاصل میشود[19] .در حال حاضر، بـیش از 90
میلیون تن گل قرمز قلیایی سالیانه باید در تمـام دنیـا دفـع شـود.[2] در ایـران نیـز کارخانـه تولیـد آلومینـا از بوکسـیت در شهرستان جاجرم خراسان با ظرفیت تولید سالانه 280 هزار تن آلومینا در سال 1382 به مرحله بهره بـرداري رسـید. تولیـد گلقرمز در این مراکز فرآوري سالانه در حدود 500 هزار تن برآورد میشود.[1] دفع چنین مقدار زیاد از این پسماند قلیـایی گران است (بالاي % 2- 1 قیمت آلومینا) و همچنین به ناحیه دفعی بزرگـی نیـاز دارد ( تقربـایً Km2 1 هـر 5 سـال بـراي 1 Mtpy کارخانه آلومینا).[18]
به جز مواردي که به درستی مدیریت شده، گل قرمز به دلیل قلیایی بودن شدید و اثرات بالقوه آن روي کیفیت آب-
هاي سطحی و زیر زمینی، محیط زیست را در معرض خطرات قابل توجهی قرار میدهد.[10] روشهاي مختلفی در دنیا براي ذخیره و نگهداري گل قرمز مورد استفاده قرار گرفته است. اما هیچ یک از آنها از دیدگاه زیست محیطی مطلوب نمیباشد.
براي مثال در آلمان و فرانسه بسیاري از کارخانههاي آلومینیوم گل قرمز مستقیماًرا به دریا میریزند. روش دیگر براي ذخیره گل قرمز، فرستادن آن به حوضچههاي بزرگی است که به اصطلاح دریاچه قرمز نامیده میشوند (شکل .(1 این شیوه به طور معمول در کانادا، هند و ایران مورد استفاده قرار میگیرد.[1]
ترکیب شیمیایی و کانی شناختی گل قرمز به طور گسترده به منبع کانی بوکسیت و پارامترهاي روشهاي فرآوري آن وابسته است. گل قرمز به صورت عمده محتوي اکسیدهاي فلزي ماننـد Al2O3، Fe2O3، TiO2، SiO2، Na2O و CaO و بـه صورت جزئی شامل فلزاتی مانند Mg، Nb، Zr، Sr، Zn، Cr و K میباشد.[7]
تا به حال، کاربردهاي مختلفی براي استفاده از گل قرمز عنوان شده است و هنوز تحقیقات به طور گسترده براي حـل
این مشکلات در دنیا ادامه دارد. براي مثال کاربردهاي محدودي در صنعت رنـگ و تولیـد ضـدزنگ بـه منظـور جلـوگیري از
خورده شدن آهن [19]، تولید مواد ساختمانی و سرامیکی 22] ،[23، استفاده به عنوان کاتالیسـت [15]، بـه منظـور جـذب شیمیایی آلوده کنندههاي صنعتی مانند روي، فسفات، فنول و مس 13]،16،5،[4 و یـا حـذف آنهـا از پسـاب کارخانـههـا 20]،9،17،[11، اصلاح گل قرمز با پلیمر به صورت کامپوزیت 12]،3،[8 و جداسازي برخی گازها ماننـد CO2 بـا اسـتفاده
ازگل قرمز.[21] تمامی این کاربردها تنها بخش کوچکی از گل قرمز تولید شده را مصرف میکنند.
استفاده گل قرمز به عنوان منبع ثانویه به منظور بازیافت فلزات با ارزش میتواند یکی از راه حـلهـاي ایـن مشـکلات باشد. در دنیا تا اکنون روشهاي مختلفی براي بازیابی فلزات از گل قرمز ارائه شدهاند که از لحاظ اقتصـادي و پیچیـدگیهـاي روش متفاوتاند.
دو فرآینــد ممکــن بــراي بازیــابی فلــزات از باقیمانــده گــل قرمــز وجــود دارد: فرآینــدهاي پیرومتــالورژیکی و هیدرومتالورژیکی.[18] فرآیندهاي پیرومتالورژیکی با مشکلاتی نظیر مصرف انرژي بالا، تولید پسماندهاي بی ارزش، هزینه بر بودن و پیچیدگی شرایط عمل مواجه هستند. در مقابل فرآیندهاي هیدرومتالورژیکی از سادگی و هزینه کمتري برخوردارند و در این زمینه تحقیقات فراوانی در دنیا در حال انجام است که چشم انداز روشنی را در بازیابی فلزات با ارزش از گل قرمز نوید میدهند.
شایان و بایرامقلو بازیابی تیتانیوم از گل قرمز با اسید سولفوریک را توسط آزمایشات طراحی شـده بـه صـورت آمـاري بررسی کردند .[14] آنها گزارش دادند که به بازیابی 70% تیتانیوم توسط فروشویی اسید سولفوریک 4 نرمال در دمـاي C˚
90 نائل شدند.
در چین فرآیندي به منظور استخراج Al2O3 و Na2O از گل قرمز پیشنهاد شد. بـدین منظـور گـل قرمـز بـا مقـادیر مختلف از %60-40 محلول NaOH و دوغاب آهک در 170-210C˚ براي 3/5 ساعت فروشویی شـد.[24] در کـل، %87/8 Al2O3 و NaO2 %96/4 در گل قرمز میتواند بازیافت شود.
پرادهان و همکـارانش بـراي بازیـابی فلزهـاي بـا ارزش در هنـد آزمـایشهـایی را بـا اسـتفاده از اسـیدهاي متفـاوت
(هیدروکلریک اسید، سولفوریک اسید و نیتریک اسید) در غلظتهاي متفاوت انجام دادهاند.[6] بهترین نتایج بدست آمده در شرایط تعیین شده براي اکسیدهاي آهن، آلومینیوم و تیتانیوم به ترتیب %92، %91/1 و %7/67 بود.
در این مطالعه، به دلیل وجود فاکتورهاي متعدد در امر بازیابی فلزات بـا ارزش از گـل قرمـز آزمایشـات در 3 پروسـه طراحی شدند.
پروسه اول: آزمایشاتی بودند که توسط اسیدهاي تک بر روي گل قرمز معمولی صورت گرفت.
پروسه دوم: تکرار آزمایشات پروسه اول که بر روي گل قرمز کلسینه شده صورت گرفت.
پروسه سوم: آزمایشاتی که توسط اسیدهاي ترکیب شده بر روي گل قرمز معمولی انجام گرفت.
.2 مواد و روشها
.1 .2 گل قرمز
به منظور انجام آزمایشات گل قرمز از کارخانه تولید آلومیناي جاجرم مشهد ارسال شد. نمونه گل قرمز بـراي انجـام آزمایشات و مطالعات کانی شناختی به مدت 48 ساعت در دماي 110C˚ خشک و پس از سرد شدن آسـیاب و بـا سـرند 60
مِش دانه بندي شد.
.2 .2 گل قرمز کلسینه شده
کلسینه کردن پودر گل قرمز در دماي850C˚ به مدت 2 ساعت در کوره الکتریکی انجام شد.
.3 .2 روشهاي آنالیزي
به منظور بدست آوردن درصد و خصوصیات معدنی ترکیبات گل قرمز معمولی و کلسینه شده از فلوئورسانی پرتوي ایکس (XRF) و پراش پرتوي ایکس (XRD) استفاده شد. محتواي فلزات در محلول پس از فروشویی با پلاسماي جفت شده
القایی- طیف بینی نشر اتمی (ICP-AES) و طیف بینی جذب اتمی (AAS) اندازه گیري شد.
دستگاه آنالیز حرارتی همزمان (STA) با سرعت 10C˚ بر ثانیه 0) تا (1200C˚، جهت بررسی رفتار حرارتی گل قرمز و تعیین نقطه کلسیناسیون استفاده شد.
.4 .2 فروشویی
فرآیند فروشویی گل قرمز ابتدا با اسیدهاي معدنی به صورت مجزا قبل و بعد از عمل کلسیناسیون و سپس با همان اسیدها به صورت ترکیب شده صورت گرفت. به دلیل وجود چندین پارامتر تأثیر گذار تعدادي از پارامترها بهینه و ثابت نگه داشته شدند. پارامترهایی مانند دماي فروشویی و نسبت اسید به گل قرمز ثابت و پارامترهایی چون نوع و غلظت اسید متغییر بودند. زمان فروشویی در قسمت اسیدهاي ترکیب شده ثابت و در قسمت اسیدهاي تک، متغییر بود.
تمامی آزمایشات در فشار اتمسفر انجام شد و دما 100C˚ و سرعت همزدن 750rpm ثابت در نظر گرفته شد. براي ظرف واکنش از لوله شیشهاي سر بسته با پارافیلم و فویل آلومینیومی استفاده شد تا از تبخیر اسید جلوگیري شود و در تمامی مراحل هضم شیمیایی 5 cc اسید با نرمالیتههاي مختلف به 0/5 گرم گل قرمز اضافه شد.
.1 .4 .2 پروسه اول
در این قسمت از سه اسید شامل سولفوریک اسید، کلریدریک اسید و نیتریک اسید به صورت غلیظ و 6 نرمال استفاده شد. جدول 1 پارامترهاي مطالعه شده و میزان آنها را براي فروشویی گل قرمز نشان میدهد.
جدول :1 پارامترهاي مطالعه شده و میزان آنها براي فروشویی گل قرمز
واحد سطح پایین (-) سطح بالا (+) متغییرها پارامتر
N 6 غلیظ غلظت اسید A
h 2 4 زمان واکنش B
.2 .4 .2 پروسه دوم
براي درك بهتر تأثیر حرارت دهی گل قرمز در فرآیند فروشویی پیش عملیات تکلیس بر روي گل قرمز خام صورت گرفت. دماي عملیات تکلیس 850 C˚ در مدت 2 ساعت در نظر گرفته شد تا تغییرات فازي به طور کامل صورت پذیرد و به علاوه گل قرمز به حالت پودري خود باقی بماند. پس از تکلیس گل قرمز ادامه آزمایشات مانند پروسه اول انجام شد.
.3 .4 .2 پروسه سوم
در این مرحله از سولفوریک اسید، کلریدریک اسید، نیتریک اسید و همچنین از اسید پرکلریک استفاده شد. اسیدها در سه غلظت مختلف (غلیظ، 6 نرمال و 3 نرمال) به صورت دوتایی با یکدیگر ترکیب شدند (جدول.(6 در این قسمت شرایط دمایی و زمانی ثابت در نظر گرفته شد و فاکتورهایی مانند غلظت اسیدها و نسبت اسیدها به یکدیگر مورد بررسی قرار گرفت.
لازم به ذکر است که در این مرحله از گل قرمز خام استفاده شد.
