Лабораторный практикум по прикладной химии, химической технологии и экологической безопасности. Учебное пособие

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

сульфидные руды различных металлов (галенит, сфалерит, халько- пирит), известняки (кальцит), флюорит, каменный уголь. При общей методике проведения процесса флотация этих материалов отличается природой применяемых флотореагентов и рН среды. Флотация суль- фидных руд. Цель флотации – повышение содержания сульфидов со- ответствующих металлов и отделение в виде флотационных хвостов железного колчедана и пустой породы. Флотореагенты: ксантоге- нат (10 г/т), а при флотации сфалерита – дополнительно пенообразова- тель Т-66 с рН = 8–9. Флотация известняков и флюорита. Цель флота- ции – отделение пустой породы, флотореагент – олеат натрия (100 г/т), рН = 9–9,5. Флотация каменного угля. Цель флотации – отделение при- месей сульфида железа, оксида кремния и глины. Флотореагенты – ке- росин (1500 г/т) и Т-66 (15 г/м3 пульпы).

Определение гранулометрического состава. Принцип метода

Гранулометрический (зерновой) состав, характеризующийся рас- пределением частиц твердого материала в соответствии с их дисперс- ностью, определяют методом ситового анализа. Для этого навеску сы- рья просеивают через набор сит, различающихся размером отверстий. При этом часть материала (проход) проходит через сито, а другая часть (остаток) остается на сите. Сита при просеивании встряхиваются вруч- ную или с помощью механических вибраторов с частотой колебаний 150 в минуту в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Последний способ предпочтительнее, так как обеспечивает более однообразные

иобъективные результаты. При ситовом анализе сырье разделяется на классы (фракции). Число фракций, получаемых при просеивании через набор сит n, N = n + 1.

Точность ситового анализа зависит от допуска при изготовлении сит

истепени отклонения просеиваемых частиц от шарообразной формы. Сита изготавливают из сеток с квадратными отверстиями с размерами от 0,04 до 2,5 мм. Размер просеиваемых частиц характеризуется так на- зываемым эквивалентным диаметром (в предположении, что частица ус- ловно имеет форму шара с объемом, равным объему реальной частицы). Эквивалентный диаметр определяется по формуле:

DЭ = 1,24 ×V = 1,24 × G (1),

где DЭ – эквивалентный диаметр частицы, см; G – масса частицы, г;

ρ – плотность материала частицы, г/см3.

11

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Рис. 1. Прибор для ситового анализа:

1) цилиндрические сита; 2) кольца; 3) сетка; 4) поддон; 5) крышка

Флотационное обогащение сырья

Минеральное или органическое сырье (сульфидная руда, каменный уголь) подвергают флотационному обогащению в лабораторной флота- ционной машине с механическим перемешиванием пульпы. Так как фло- тореагенты обладают весьма высокой активностью, количество их, вво- димое в пульпу, не превышает 100–200 г на тонну флотируемого сырья. Только в отдельных случаях, например, при флотации углей, оно повы- шается до 400–3000 г на тонну. Количество флотореагентов, вводимых в пульпу, рассчитывают по формуле:

или, если реагент вводится в виде разбавленного раствора,

g= GФC (3),

Ф10BC

где gФ – масса вводимого флотореагента, г; VФ – объем раствора флотореагента, мл; GФ – навеска флотируемого сырья, г;

в – заданный расход флотореагента, г/т; С – концентрация раствора флотореагента, г/мл.

Оборудование: прибор для ситового анализа, сушильный шкаф, чаш- ки фарфоровые лабораторная флотационная машина, ступка металличе- ская, ступка фарфоровая, сито с размером отверстий 2–10 мм, секундо- мер, весы, шпатель.

12

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Реактивы: образцы анализируемого сырья: сульфидные руды (гале- нит, сфалерит, халькопирит), фосфориты, сильвинит, каменный уголь, ксантогенат калия 1%-ный раствор, вода.

Ход работы

Анализируемое сырье взвешивают на технических весах с точностью 0,01 г. Прибор для просеивания собирают, следя за тем, чтобы сита были чистыми и сухими. Навеску анализируемого сырья высыпают на верхнее сито.

Если просеивание ведется вручную, то прибор встряхивают в наклон- ном положении с частотой колебаний около 150 в минуту, постепенно по- ворачивая его на полный оборот вокруг вертикальной оси. Просеивание ведут в течение 2 мин, после чего проводят контрольный опыт, подстав- ляя под последнее сито лист бумаги. Просеивание считают законченным, если в течение 1 мин через сито проходит не более 0,05 г анализируемого материала.

Флотируемый материал из последнего сита растирают до мелкого по- рошка в фарфоровой ступке. Из полученной пробы отбирают навеску 2 г с точностью до 0,01 г.

Во флотокамеру флотационной машины со снятой перегородкой по- мещают 2 г флотируемого сырья, заливают 18 мл воды и раствором фло- тореагента (объем рассчитывается по формуле (5). Включают мешалку и перемешивают содержимое флотокамеры в течение 2 мин. Затем встав- ляют в камеру перегородку, включают секундомер и начинают процесс флотации. При флотации образующаяся пена с концентратом переливает- ся в разделительное отделение камеры, а порода в виде хвостов оседает на дне камеры.

Через каждые 15 секунд с помощью пеносборника снимают пену, ста- раясьнезахватыватьприэтомпульпу, исобираютеевфарфоровуючашку. Процесс флотации ведут до прекращения образования пены, на что тре- буется, в зависимости от природы флотируемого сырья, от 3 до 5 мин. По окончании флотации чашку с концентратом переносят в сушильный шкаф, сушат при температуре 105–110 ºС до постоянного веса и взвеши- вают с точностью до 0,01 г.

Образовавшуюся во флотокамере пульпу, содержащую хвосты, вы- ливают в стеклянный стакан, флотокамеру обмывают из промывалки дистиллированной водой и промывные воды присоединяют к пульпе. Содержимое стакана фильтруют через предварительно взвешенный бу- мажный фильтр. Осадок вместе с фильтром сушат в сушильном шкафу

13

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

при температуре 105–110 ºС и взвешивают на технических весах с точно- стью до 0,01 г.

Расчеты и оформление результатов

Гранулометрический состав анализируемого сырья выражают в про- центном содержании в нем отдельных фракций. Это содержание рас- считывается как отношение массы каждой фракции к массе навески. При этом каждая фракция обозначается верхним и нижним пределами размеровчастиц: прошедшихчерезданноесито– сознакомминус, остав- шихся на данном сите – со знаком плюс:

где ХФ – доля (содержание) фракции, %; GФ – масса фракции, г;

G – навеска сырья, г; N – номер сита.

Например, фракция, прошедшая через сито № 2 и оставшаяся на сите № 3, обозначается как:

Результаты анализа представляют также в виде графика, на котором на оси абсцисс обозначается номер фракции, а по оси ординат – доля фракции ХФ.

14

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Количественными показателями процесса флотации являются выход концентрата, степень обогащения сырья и степень извлечения полезного компонента из сырья.

Выход концентрата η рассчитывается по формуле:

η = GK× 100% (6),

GC

где GК – масса полученного концентрата, г;

GС – масса флотируемого сырья (навеска), г.

Степень обогащения сырья рассчитывается по формуле:

Xo = AK.K (7),

AK.C

где АК.К – содержание полезного компонента в концентрате, %; АК.С – содержание полезного компонента в сырье, %.

При расчете принимают, что концентрат состоит из чистого компонен- та, т.е. что АК.К = 100%. Содержание полезного компонента в сырье, т.е.

АК.С задается преподавателем в начале работы.

Степень извлечения полезного компонента из сырья ХИ рассчитывает- ся по формуле:

XИ = GK.К × 100% (8),

GК.C

где GK.K – масса полезного компонента в концентрате, г; GK.C – масса полезного компонента в сырье, г.

Так как GK.K = GK АК.К, также и GK.C = GC АК.С.

Подставив эти значения и значение GK из формулы (6) в формулу (8), получим:

где g – масса фильтрата.

Массу флотационных хвостов GK рассчитывают по формуле: GK = g2 – g1 (9),

где g1 – масса фильтрата, г;

g2 – масса фильтрата с осадком, г.

15

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Полученные данные сводят в таблицу 2:

Контрольные вопросы

1.Приведите классификацию ресурсов химического сырья.

2.Опишите основные направления рационального использования химического сырья.

3.Из каких основных операций состоит подготовка химического сы- рья к переработке?

4.Перечислите количественные показатели процесса обогащения и дайте им определение.

5.Опишите сущность процесса флотации.

16

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Работа № 2. Выделение хлорида калия из сильвинита

Цель работы: получить из сильвинита некоторое количество хлори- стого калия, сделать его анализ, вычислить выход KCl и рассчитать про- центное содержание в продукте хлористого калия.

Вопросы для самоподготовки

1.Чем отличаются друг от друга сильвин, сильвинит и сильванит?

2.Области применения сильвинита в жизни человека.

3.Методы, используемые для выделения хлорида калия из сильви- нита.

Теоретическое введение

Основным сырьем для производства калийных удобрений являются сильвинит (смесь KCl и NaCl) и карналлит (KCl·MgCl2·6H2O).

Сильвиниты содержат от 20 до 40% KCl, от 58 до 78% NaCl, а также примеси MgCl2, CaSO4 и пр.

Сильвиниты применяются в больших количествах в качестве удобре- ния непосредственно в сыром виде после предварительного измельчения.

Для получения концентрированных удобрений и удаления вредных примесей, которыми являются, например, хлористый натрий в сильвини- те или хлористый магний в карналлите, калийные минералы подвергают- ся переработке.

Разделение сильвинита на составляющие компоненты может быть достигнуто флотацией или растворением и кристаллизацией. Во втором случае пользуются различной растворимостью в воде солей калия и на- трия при различных температурах (см. табл. 3):

17

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

С повышением температуры растворимость хлористого калия сильно возрастает, растворимость же хлористого натрия увеличивается очень не- значительно. На этом основано выделение KCl из сильвинита, достигае- мое охлаждением его из растворов.

Так как при растворении сильвинита при повышенной температуре в раствор переходит значительно больше KCl, чем NaCl, а последующее охлаждение раствора практически не уменьшает растворимости NaCl, то при охлаждении в осадок выпадает KCl, значительно менее раство- римый на холоде.

В основе метода анализа хлористого калия лежит осаждение ка- лия из водных растворов его солей в виде двойной комплексной соли – кобальтнитрита калия-натрия (гексанитрокобальтиат калия-на-

трия) K2Na[Co(NO2)6]·H2O

по реакции:

Na3[Co(NO2)6] + 2KCl + H2O = K2Na[Co(NO2)6]·H2O + 2NaCl (1).

Кобальтнитрит калия хорошо растворим в воде, но его растворы не- устойчивы и разлагаются с едким запахом, поэтому необходимо пользо- ваться свежеприготовленным раствором.

Оборудование: термостойкий стакан объемом 200 мл, 150 мл и 50 мл; технические весы; бумажный фильтр; воронка Бюхнера; колба Бунзена; сушильный шкаф; термометр; магнитная мешалка с подогревом; кри- сталлизатор; фарфоровая чашка; стеклянная палочка; цилиндр объемом

100 мл, 25 мл, 10 мл (2 шт.).

Реактивы: сильвинит; дистиллированная вода; кобальтнитрит калия (тв.); этанол; уксусная кислота 10%-ный раствор.

Ход работы

Получение хлорида калия

Для растворения сильвинита в термостойкий химический стакан на- ливают 100 мл маточного раствора (оставленного студентами предыду- щих групп) или 100 мл воды и помещают в него 50 г мелкоизмельченного сильвинита, взвешенного на технических весах.

Выщелачивание сильвинита производят при нагревании до 100 ºС на магнитной мешалке с подогревом при непрерывном механическом пе- ремешивании в течение 15–20 мин.

После выщелачивания сильвинита через 2–3 мин горячий раствор декантируют от осадка в другой стакан, добавляют еще 50 сильвинита исмесьвновьнагреваютдо100 ºСприперемешивании. Затемрастворот-

18

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

деляют от осадка через обычный бумажный фильтр на воронке Бюхнера. Осадок, представляющий собой смесь солей, сдают лаборанту.

Стакан с фильтратом охлаждают до температуры 50–60 ºС, а затем по- мещают в кристаллизатор с температурой воды 15–18 ºС и изредка пере- мешивают содержимое стеклянной палочкой. Через 10–15 мин осадок хлористого калия отфильтровывают через бумажный фильтр, смывая оставшиеся кристаллы из стакана фильтратом. Оставшийся фильтрат по- сле выделения хлористого калия (маточный раствор) оставляют для рабо- ты следующей группы студентов.

Осадок KCl с фильтром помещают в фарфоровую чашку и высушива- ютвсушильномшкафупритемпературе100–110 ºС, взвешивают(фильтр при этом удалить) и вычисляют выход хлористого калия от взятого коли- чества KCl в исходном сильвините по формуле:

γ= С × 100% (2), F

где γ – выход продукта; С – вес концентрата хлористого калия;

F – вес исходного материала (сильвинита).

Выходом называется отношение веса концентрата (С) к весу исходно- го материала (F), выраженное в процентах.

Анализ хлорида калия

Для определения процентного содержания KCl в полученном продук- те на аналитических весах делают навеску 0,2 г (с точностью до 0,001 г), помещают ее в химический стакан емкостью 150 мл и растворяют в 20– 25 млводы. Затемподкисляютраствор2–4 млуксуснойкислотыиприпе- риодическом перемешивании стеклянной палочкой добавляют 40–50 мл кобальтнитрата натрия.

Последний хорошо растворим в воде, но его растворы неустойчивы и разлагаются, поэтому необходимо пользоваться свежеприготовленным раствором, который готовят следующим образом. На технических ве- сах взвешивают кобальтнитрита приблизительно в два раза больше, чем требуется в соответствии с уравнением реакции (2). Взвешивают 1–1,2 г кобальтнитрита и растворяют в 30–40 мл воды. При смешении раство- ров кобальтнитрита и хлористого калия наблюдается выпадение желтого осадка K2Na[Co(NO2)6]·H2O.

Осадок отфильтровывают и промывают несколько раз 10%-ным раствором уксусной кислоты до достижения бледно-желтой окраски

19

Н. В. КУТЯШЕВА, Г. И. КУРОЧКИНА, М. К. ГРАЧЕВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ПРИКЛАДНОЙ ХИМИИ, ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

фильтрата, а затем в 10 мл спирта. Фильтрат с осадком высушивают в су- шильном шкафу при температуре 110 °С, взвешивают на аналитических весах и рассчитывают весовое и процентное содержание KCl в навеске.

Аналитический фактор для определения хлористого калия по весу K2Na[Co(NO2)6]·H2O = 0,3285. Умножив аналитический фактор на вес по- лученного желтого осадка, находят вес хлористого калия в навеске.

Обычноаналитическимфакторомпользуютсяпримассовыханализах. В данной лабораторной работе целесообразнее вести расчеты по уравнению (2). Например, для анализа взяли 0,2 г хлористого калия, а полученный промытый и высушенный желтый осадок (за вычетом веса фильтрата) весит 0,54 г. Из уравнения реакции (2) видно, что 454,13 г K2Na[Co(NO2)6]·H2O соответствуют 74,6·2 = 149,2 г KCl. Какому количе-

ству KCl соответствуют 0,54 г кобальтнитрита калия, определим из сле- дующего соотношения:

Тот же результат получим, если аналитический фактор умножим на 0,54.

Зная вес взятой навески для анализа пробы хлористого калия и его истинное содержание, по результатам анализа вычисляют процентное со- держание KCl в сильвините.

Расчеты и оформление результатов

Записать методику (ход выполнения) работы, рисунок прибора и про- извести необходимые расчеты.

Контрольные вопросы

1.В какой среде и почему проводят размол и флотацию калийного сырья (сильвинита)?

2.На чем основан галургический метод выделения хлорида калия из сильвинита? Какие требования предъявляют к щелоку, цирку- лирующему в системе?

3.В чем преимущества и недостатки галургического метода выделе- ния хлорида калия перед флотационным?

4.Медицинское применение сильвинита?

5.Для чего используют солянокислые амины при выделении хлори- да калия из сильвинита?

20