Комплексное использование сырья и утилизация отходов. Сборник задач. Учебное пособие

21.Изобразите схему двукратной флотации сильвинита (первая схема для флотации примесей, вторая – для флотации KCl и отделения его концентрата с массовой долей KCl 92 %). Аппараты на схеме изобразите прямоугольниками, соедините их линиями со стрелками, укажите названия этих аппаратов, покажите перемещение сырья, укажите размер части (в мм).

22.Составьте технологическую схему двухступенчатого измельчения сильвинита, состоящего из сросшихся друг с другом кристаллов сильвина KCl и галита NaCl. Содержание в сильвините KCl 25 % мас., NaCl 68,5 % мас., имеются также примеси глины и песка. Размеры частиц должны уменьшаться от 5-20 см до < 1 мм. Грохочение проводится после каждой ступени измельчения.

23.Определите выход концентрата, степень извлечения цинка и степень обогащения сырья, если при флотации цинковой руды массой 15 т с массовой долей цинка 0,037 выходит концентрат массой 473 кг с массовой долей цинка 0,21. Составьте материальный баланс процесса подготовки сырья.

24.Какая масса цинковой руды, содержащей 4,5 % мас. ZnS, должна перерабатываться для годовой выработки цинка массой 10 000 т, если в результате флотации руды получают концентрат с массовой долей Zn 0,40 при степени извлечения 85 %, а выход цинка в процессе переработки концентрата в оксид цинка, восстановления и перегонки металла составляет 92 % от теоретического. Вычислите массу концентрата цинка при выходе 100 %.

25.При флотации сильвинита образуются галитоглинистые отходы с массовой долей KCl 0,0227. Какая масса хлорида калия попадает в отход, если получено 1310 кг галитоглинистых отходов, что составляет 69,5 % мас. от первоначального количества руды.

21

2. ВОДА В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Вода – распространенный растворитель веществ. Поэтому природная вода всегда содержит различные примеси, от концентрации и типа которых зависит пригодность её для промышленных и бытовых целей. Вода - один из катализаторов многих химических реакций. Она обладает большой теплоёмкостью, что обусловливает применение её в качестве теплоносителя. Вода вследствие незначительной её сжимаемости используется в различных механизмах для передачи давления. Вода - дешевое и широко доступное сырье химической промышленности.

Одним из основных показателей качества природных вод является жесткость, обусловленная присутствием в воде солей кальция и магния. Жесткость воды измеряется количеством миллиграмм - эквивалентов ионов кальция или магния, содержащихся в 1 дм3 воды. За единицу жесткости принимают

концентрацию 20,04 мг/см3 ионов Са2+ или 12,16 мг/см3 ионов Mg2+.

Различают временную, постоянную и общую жесткость. Временная, или карбонатная, жесткость Жк обусловлена

наличием в воде двууглекислых солей кальция и магния (гидрокарбонатов), которые при кипячении воды переходят в нерастворимые соли и выпадают в виде плотного осадка (накипи):

Са(НСО3)2 = СаСО3↓ +СО2 +Н2О, 2Mg (НСО3)2 = Mg2 (ОН)2СО3↓ +3СО2 +Н2О.

Постоянная, или некарбонатная, жесткость Жн обуслов-

лена содержанием в воде других солей кальция и магния, остающихся при кипячении в растворенном состоянии (хлориды, сульфаты, фосфаты, силикаты). Общая жесткость Жо определяется суммой карбонатной и некарбонатной жесткости:

Жо = Жк + Жн.

Применение жесткой воды в промышленности приводит к необходимости использования умягчителей, а в ряде случаев

22

ухудшает продукцию производства. Большой вред приносят растворимые в воде соли и газы, вызывая образование накипи и поверхностные разрушения металлов вследствие коррозии.

Окисляемостъ и кислотность воды

«Окисляемость» воды – это количество кислорода (в мг), необходимого для окисления содержащихся в 1 дм3 воды органических и неорганических веществ при их взаимодействии с сильными окислителями. В чистых родниковых и артезианских водах окисляемость обычно составляет 1,0–2,0 мг/дм3. В воде открытых водоемов окисляемость повышается до 6-8 мг/дм3, достигая большего значения в водах болотного происхождения.

Для окисления загрязняющих веществ используют химические окислители – перманганат калия (KMnO4) или бихромат калия (K2Cr2O7), израсходованное количество которых переcчитывают на эквивалентное количество кислорода.

Определение перманганатной окисляемости основано на том, что перманганат калия (KMnO4), являясь сильным окислителем, в кислой среде реагирует с восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитраты и т.д.) и восстанавливается в соответствии с уравнением:

Избыток KMnO4, оставшийся после окисления, реагирует с вводимой щавелевой кислотой (Н2С2О4) по уравнению:

Не вступившую в реакцию (5) щавелевую кислоту оттитровывают перманганатом калия (KMnO4) по реакции (4).

Для пересчета перманганатной окисляемости воды в окисляемость кислородом запишем следующую реакцию:

23

Сравнивая реакции (4) и (6) мы видим, что 158/5 г перманганата калия эквиваленты 32/4 г кислорода (здесь 158 – относительная молекулярная масса КMnO4, 32 – относительная молекулярная масса кислорода, 5 и 4 – число принятых перманганат-ионом и кислородом электронов). То есть потребление кислорода будет в 0,253 раза больше, чем перманганата калия:

324 :1585 =8:31,6 =0,253.

Кислотность воды характеризуется концентрацией водородных ионов в системе и выражается в единицах рН. Реакция среды природных вод близка к нейтральной и колеблется в пределах 6,8 -7,3. Кислотность оборотных вод, присутствующих на предприятии, зависит от характера производства.

Способы очистки промышленных вод

1.Отстаивание - осветление воды. Отстаиванием удаляются грубодисперсные взвешенные примеси, оседающие под действием силы тяжести на дно отстойника.

2.Коагуляция. Коагуляцией называется процесс выделения из воды примесей, находящихся в коллоидном состоянии (мельчайшие глинистые частицы и белковые вещества). Коагуляция осуществляется внесением в воду небольших количеств

электролитов (А12(SO4)3, FeSO4), называемых коагулянтами. Количество вносимого в воду коагулянта находится в зависимости от загрязнённости воды и составляет от 20 до 120 г/м3.

3.Филътрование - наиболее универсальный метод очистки воды. Для фильтрования применяют песчаные фильтры с зернистым фильтрующим слоем и катионитовые фильтры.

4.Нейтрализация воды. Этот способ применяют в том случае, если промышленная вода загрязнена кислотами или щелочами.

5.Деаэрация - процесс удаления из промышленных вод

вредных газов (СО2 и особенно О2). В настоящее время применяют термическую и химическую деаэрацию. Термическая деаэрация заключается в нагревании воды до кипения, а химиче-

24

ская - в добавлении к воде веществ, связывающих кислород и углекислый газ. В качестве химического деаэратора применяют сульфит натрия или гидразин:

2Na2SО3 + О2 =2Na2SО4 , N2Н4 + О2 = N2 + 2Н2О.

6. Обеззараживание - устранение бактериальной загрязнённости воды - хлорированием, озонированием, кипячением, бактерицидным облучением и другими способами.

Умягчение и обессоливание воды

Умягчение воды состоит в удалении солей кальция и магния и осуществляется термическим, химическим или физикохимическим методами.

Термический метод заключается в кипячении воды. При этом устраняется карбонатная жёсткость:

Са(НСО3)2 → СаСО3 + СО2 + Н2О.

Химический метод основан на осаждении ионов кальция и магния в виде труднорастворимых соединений, выпадающих в осадок.

По применяемым реагентам различают следующие спосо-

бы: известковый, содовый, натронный, фосфатный и комбини-

рованный. Наиболее экономично применение комбинированного способа умягчения воды, обеспечивающего устранение временной и постоянной жёсткости. Таким способом является извест- ково-содовый в сочетании с фосфатным. При обработке воды гашеной известью устраняется временная жёсткость:

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + 2Н2О, Mg(HCО3)2 + 2Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + Mg(OH)2↓ + 2Н2О,

СО2 + Са(ОН)2= СаСО3↓ + Н2О.

Постоянная жёсткость, обусловленная ионами магния, при обработке известковым молоком переходит в кальциевую:

25

действия флокулянтов другой: под действием флокулянтов происходит образование полимерных мостиков между осаждаемыми частицами. Применение коагулянтов позволяет снизить окисляемость обрабатываемой воды, уменьшить содержание взвешенных веществ, скорректировать общую щелочность. Коагулянты способны образовать устойчивый осадок, который отфильтровывается при прохождении воды через фильтры в очистных сооружениях. Однако многие фильтры не способны удерживать мелкие частицы. Для более качественной очистки воды применяются флокулянты. Эти реагенты объединяют полученные в ходе коагуляции частицы в более крупные хлопья, что значительно облегчает их механическое удаление. Таким образом, основным отличием коагулянтов от флокулянтов является как механизм их действия, так и размер осаждаемых хлопьев.

Для интенсификации процесса коагуляции гидроксидов алюминия и железа (III) применяют флокулянты. Различают флокулянты органической и неорганической природы. Органические флокулянты представляют собой высокомолекулярные вещества, хорошо растворимые в воде, макромолекулы, которых имеют цепочечную форму. В качестве полимерных флокулянтов используют полиакриламид (ПАА) анионного типа, ВА-2, ВА-3 катионного типа, которые в отличие от флокулянта ПАА вызывают образование крупных хлопьев без обработки примесей воды коагулянтами. ПАА гидролизуется водой, щелочами и кислотами с образованием акриловой кислоты и её солей. Механизм действия этого флокулянта основан на адсорбции его молекул на частичках Al(OH)2+ или Fe(OH)2+, образующиеся при гидролизе солей-коагулянтов. Молекулы ПАА способны образовать ассоциаты.

Подбор совместно используемых коагулянтов и флокулянтов проводится с учетом нескольких параметров сточной воды. Тип коагулянта подбирается на основании величины рН сточной воды и с учетом методов последующего отделения твердой фазы. Для стоков, имеющих кислую реакцию среды более эффективно использование коагулянтов основного характера, таких, как алюминат натрия. Для стоков с нейтральной реакцией среды

28

оптимально применение основных коагулянтов, таких, как гидроксохлорид алюминия или хлорид железа (III).

Если для отделения твердой фазы используются методы отстаивания, предпочтительным является использование коагулянтов на основе хлорида и сульфата железа, так как благодаря более высокой атомной массе железа, они образуют более тяжелые и плотные по структуре хлопья его гидрооксида.

Если же для отделения скоагулированного осадка используются методы флотации, то большая степень очистки достигается при использовании коагулянтов на основе сульфатов и хлоридов алюминия, а также алюминатов, так как они образуют более легкие и имеющие развернутую поверхность хлопьевидные осадки, легко поднимаемые пузырьками воздуха на поверхность флотатора.

Масса макромолекулы флокулянта также подбирается в зависимости от метода осветления сточной воды. Флокулянты с меньшей массой используются совместно с коагулянтами для случая последующего удаления осадка с помощью флотации или фильтрации; а имеющие высокую массу - при отстаивании обработанной ими сточной воды.

Примеры решения типовых задач

Задача 1.

К 100 см3 исследуемой воды было прибавлено 10 см3 раствора KMnO4 с молярной концентрацией эквивалента 0,0105 моль/дм3. После 10 мин кипячения прилито 10 см3 раствора щавелевой кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,01 моль/дм3, на титрование избытка которой пошло 2 см3 раствора перманганата калия КМnO4. Определите окисляемость воды в пересчёте на кислород.

Решение. Общий объём раствора перманганата калия КМnO4 с молярной концентрацией эквивалента 0,0105 моль/дм3, составляет: 10,0+2,0=12,0 см3. Из них на взаимодействие с щавелевой кислотой пошло:

29

0,01 10 = 9,52 см3;

0,0105

на окисление органических примесей, содержащихся в 100 см3 исследуемой воды израсходовано 12,0 - 9,52 = 2,48 см3 раствора КМnO4.

Перманганатная окисляемость исследуемой воды (OКMnO4 ) вычисляется по формуле:

окисляемость воды в пересчете на кислород находится следующим образом:

OО2 = ОКМnО4 0,253,

где Vр-ра(KMnO4) – объем раствора KMnO4, израсходованный на титрование органических примесей (см3); С(1/z КМnО4) – молярная концентрация эквивалента перманганата калия, моль/дм3, z – число электронов, которые принимает один моль KMnO4. Mэ(КМnО4) молярная масса эквивалента перманганата калия

Mэ(КМnО4)= M(КМnО4)/z = 158/5 = 31,6 г/моль. 0,253 – коэффи-

циент для пересчета «окисляемости» воды кислородом.

В нашем примере окисляемость воды в пересчете на ки-

Ответ: окисляемость воды 2,08 мг О2/дм3.

Задача 2.

В 5 м3 воды содержится 250 г ионов кальция и 135 г ионов магния. Определите общую жесткость воды.

Решение. Найдем концентрацию ионов кальция и магния (в мг/дм3) в воде:

[Са2+] = 250 10-3/5 10-3=50 мг/дм3, [Mg2+] = 135 10-3/5 10-3=27 мг/дм3.

30