156

Часть 2. Лабораторный практикум по комплексной

переработке и использованию техногенных и бытовых отходов

2.1. Комплексная переработка пиритных огарков

Лабораторная работа №1

Выделение меди с использованием хлорирующего обжига

Цель работы: Изучить основные методы переработки отходов сернокислотного производства.

Оборудование и материалы: пиритные огарки, NaCl, разбавленный р-р кислоты, муфельная печь, фильтры, ступка с пестиком.

Теоретическое обоснование

Для получения серной кислоты в промышленности используются два метода: контактный и нитрозный (башенный). В обоих случаях сначала из сырья получают диоксид серы SO₂, который затем перерабатывают в H₂SO₄. Основное количество серной кислоты производят контактным методом из серного колчедана (обычно флотационного), сжигания природной или газовой серы, а также при обжиге сульфидов цветных металлов, причем доля серной кислоты, получаемой в нашей стране на базе цветной металлургии, год от года увеличивается.

Чистый серный колчедан содержит 53,5% серы и 46,5% железа. Однако примеси (песок, глина, сульфиды цветных металлов, карбонаты соединения мышьяка, селена, серебра и др.) снижают содержание серы во флотационном колчедане до 32-40%. Оксид железа, образующийся при обжиге колчедана в печах различной конструкции, выходит из печи в виде огарка и поступает в отвал. На одну тонну производимой серной кислоты образуется более 550 кг огарка. Пиритные огарки состоят, главным образом, из железа (40-63%) с небольшими примесями серы (1-2 %), меди (0,33-0,47%), цинка (0,42- 1,35%), свинца (0,32-0,58%), драгоценных металлов (10-20 г/т) и т.д.

Направлений использования пиритных огарков несколько:

— производство чугуна и стали,

— железосодержащий компонент для производства портландцементного клинкера,

— производство пигментов и наполнителей,

— стекольное производство,

— сельское хозяйство и т.д.

Однако без предварительного извлечения цветных и драгоценных металлов, серы высокоэффективное использование отходов экономически и экологически нецелесообразно. Медь, сера, цинк, свинец сильно усложняют металлургическую переработку этого отхода, использование его при производстве портландцементного клинкера и стекла. Кроме того, известно, что руды, содержащие 0,4 - 0,5 % меди, являются в настоящее время пригодными для промышленной добычи. Поэтому извлечение меди, а попутно и других ценных компонентов из пиритных огарков - важная технологическая и экологическая задача.

В настоящей лабораторной работе предлагается с использованием предварительной пирометаллургической подготовки (хлорирующий обжиг) получить растворимые соединения меди, а затем, используя методы гидрометаллургии, выделить металл. В результате из огарка можно извлечь 85-90% всей меди, значительную долю благородных металлов и обеспечить почти полное обессеривание отхода. Более подробно с методами переработки металлосодержащих отходов, требованиям к ним можно ознакомиться в работе [9, 27].

Экспериментальная часть

Перед хлорирующим обжигом 10 грамм пиритного огарка измельчают совместно с 2 г NaCl. В процессе обжига протекает ряд реакций, в результате которых медь переходит в растворимое соединение CuCl₂. Сера образует с NaCl сульфат натрия. Оптимальная температура обжига находится в пределах 550 — 600⁰ С. При температуре ниже 530⁰С в шихте образуется водорастворимый сульфат железа, который мешает качественному проведению процессов выщелачивания и восстановления меди, а при температуре выше 600⁰ С снижается выход основных продуктов реакции. Другим условием для нормального течения процесса является достаточное содержание серы в огарке — для перевода всего NaCl в Na₂SO₄. В случае недостатка серы к огарку добавляют свежий колчедан. Для того, чтобы хлорирующий обжиг начался и затем шел автотермично, достаточно смесь подогреть до 200 - 300⁰ С. Обжиг сопровождается выделением SO₂, SO₃, HCl. Поэтому обжиг ведут под вытяжным устройством. Кислые газы обжига можно поглощать водой в барботере с получением смеси кислот (HCl, H₂SO₄), которые используют для выщелачивания меди.

Суммарно и приближенно процесс хлорирующего обжига относительно меди может быть выражен следующим уравнением:

Cu + 2S + 4NaCl + 3,5O₂ + H₂O = CuCl₂ + 2Na₂SO₄ + 2HCl (7)

В результате обжига 85-90% огарковой меди превращается в водоростворимую соль CuCl₂. Из обожженной массы медь выщелачивают теплой водой в несколько стадий: сначала смешивают с 50 мл воды, а затем разбавленной кислотой и подогревают с перемешиванием, при этом выщелачивается 6-10 % меди, оставшейся в кеке и не перешедшей в CuCl₂.

Полученную суспензию отфильтровывают. Вытяжку проверяют на наличие меди зачищенной стальной пластинкой и обрабатывают железным скрапом для выделения цементной меди. В результате на поверхности металла образуется цементная медь. Эту операцию проводят без доступа воздуха, так как в присутствии кислорода происходят реакции, ведущие к образованию Fe(OH)₃, который загрязняет получаемую цементную медь. Цементная медь содержит 70-90% Cu и большое количество загрязнений. Она может быть направлена на переплавку в черновую медь или использована для получения медного купороса. Содержание меди в растворе может быть определено аналитическими методами по заданию преподавателя. Отработанный раствор содержит до 100 г/л Na₂SO₄. Его выпаривают или вымораживают для получения Na₂SO₄^. 10Н₂О.

Степень извлечения меди из огарка составляет 95-96%. Выщелоченный огарок просушивают в механических печах до влажности 8-10%, а затем агломерируют или брикетируют с последующим обжигом в печах канального типа при температуре размягчения Fe₂O₃ (≥ 1200 ⁰C). После такой обработки огарок идет на доменную плавку. Переработка 1 т огарка (≈ 0,5 % Cu) может дать до 4,5 кг меди и 900 кг агломерата.

На практике полученную после выщелачивания вытяжку также часто обрабатывают железным скрапом для выделения меди. Цементная медь содержит 70 — 80 % Cu и большое количество загрязнений. Она может быть направлена на переплавку в черновую медь или использована для получения медного купороса. Выщелоченный огарок наиболее эффективно может быть использован далее в металлургии. Возможны другие направления его использования.

Огарок просушивают и далее используют для проведения других работ.

После выделения меди отработанный раствор выпаривают для получения Na₂SO₄^.10H₂O.