Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология. Учебно-методическое пособие
.pdf
ГЛАВА II. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
1. ФЛОТАЦИОННОЕ ОБОГАЩЕНИЕ
Флотационное обогащение основано на избирательной смачива-
емости поверхности руды поверхностно-активными веществами,
называемыми флотореагентами. Частица руды, адсорбировавшая
флотореагент, перестает смачиваться водой и при продувании взвеси
«прилипает» к пузырькам воздуха. Поскольку пузырьки воздуха вместе с прилипшими частицами минералов обладают в среднем меньшей плотностью по сравнению с окружающим раствором, они всплывают наверх, образуя пену.
В состав флотореагента входят вещества, называемые коллекто-
рами и пенообразователями. Коллекторы адсорбируются поверхностью флотируемого минерала. Молекулы пенообразователя адсорбируются на поверхности пленок, образующих воздушные пузырьки,
резко увеличивают устойчивость последних и предупреждают их слияние и разрушение на поверхности воды. При соприкосновении минеральной частицы с таким воздушным пузырьком и происходит
их взаимное прилипание.
Эффективность и скорость флотации будут повышаться при до-
статочно сильном продувании пульпы воздухом.
В качестве флотореагентов используются различные органические
вещества и их смеси. Хорошо действуют пихтовое, сосновое, эвкалиптовое масла, которые можно применять без добавок других веществ.
В качестве флотореагентов можно использовать также некото-
рые органические кислоты, например олеиновую кислоту, продукты
окисления парафина, содержащие карбоновые кислоты и оксикислоты, ксантогенаты ROCSSNa, аэрофлоты (RO)2PSSNa и др.
Флотореагенты расходуются в очень небольших количествах (10–
200 г на 1 т руды), так как на поверхности флотируемых частичек минерала часто создается только мономолекулярная пленка флотореагента.
Пенообразователи (сапонины, неочищенный крезол и др.) сни-
жают поверхностное натяжение воды. Однако сильное снижение поверхностного натяжения воды, которое происходит при наличии в воде таких пенообразователей, как мыла, часто приводит к тому,
что пена оказывается «пустой», т.е. не содержит частичек флотируемого материала. Происходит это потому, что снижение поверхностного натяжения на границе «вода – воздух» вызывает лучшее смачива-
11
ние частичек минерала водой, что и препятствует флотации. Правильный подбор пенообразователя имеет большое практическое значение.
Частички флотируемой руды, адсорбировавшей флотореагент,
могут удерживаться на поверхности воды и без пенообразователя
за счет плохой смачиваемости их водой и своеобразного «продавливания» поверхности воды.
Работа 1. Флотационное обогащение
медной сульфидной руды
Цель работы: провести флотацию железного или медного кол-
чедана. Определить выход концентрата, степень извлечения металла
и степень концентрации.
Оборудование и материалы
1. Сосуд для флотации – колба или цилиндр на 250 мл с пробкой.
2. Флотореагент (репейное или сосновое масло, ксантогенат
или аэрофлот).
3. Сульфидная руда (медная или железная).
4. Металлическая и фарфоровая ступки.
5. Сито с отверстиями 0,1–0,05 мм.
6. Технохимические весы с разновесом.
7. Воронка Бюхнера с отсосом.
8. Сушильный шкаф.
Проведение работы
Крупные куски руды измельчают в металлической ступке, а за-
тем растирают в фарфоровой до тончайшего порошка. Полученный
порошок просеивают через сито. Частицы размером 0,1 мм подвергают повторному дроблению.
Для флотации берут 2,5–3,0 г руды, содержащей 4–6 % сульфи-
да меди или железа.
Руду высыпают в цилиндр на 250–300 мл, наливают 100–150 мл
воды и добавляют 2–3 капли флотореагента.
Цилиндр закрывают пробкой, и смесь энергично взбалтывают
в течение 0,5–1,0 мин до тех пор, пока некоторая часть сульфидов
не всплывет на поверхность водного слоя. Через 1–2 мин в сосуд по
стенке наливают воду, которая смывает сульфиды в воронку Бюхнера
с фильтровальной бумагой. Необходимо, чтобы песчинки, которые
пристают к стенкам сосуда, не попадали на фильтр. Так как после
12
первого взбалтывания всплывает только часть сульфидов, то операцию флотации повторяют еще два – три раза.
Отфильтрованные сульфиды вместе с фильтром высушивают
при 80–100 ºС, взвешивают и проводят необходимые расчеты.
Результаты опыта оформляют в виде таблицы.
Оформление результатов работы
Взято руды
Получено Выход Степень
концентрата
(в г)
концентрата
(в №)
извлечения
металла (в №)
Степень кон-
центрации
(во сколько раз)
Содержание металла в концентрате определяют расчетным пу-
тем, считая, что отфильтрованное вещество является чистым сульфидом.
Вопросы и задачи
1. Что такое флотореагенты, как они классифицируются и какое
назначение имеет каждая группа?
2. Для чего при флотации через пульпу продувают воздух?
3. С какими флотореагентами проводится флотация сульфидных
руд, окислов металлов и нерудных ископаемых?
4. Капля воды на поверхности сульфидной руды не растекается.
Что произойдет, если в эту каплю добавить некоторое количество депрессора? Объясните наблюдаемое явление.
5. Как проводится флотация полиметаллических руд, например
свинцово-цинковых и медно-свинцово-цинково-пиритных руд?
6. При обогащении 10 т медной сульфидной руды, содержащей
1,5 % меди, получено 400 г концентрата, содержащего 30 % меди.
Определить степень извлечения меди и степень концентрации.
7. При флотации 5 т цинковой руды, содержащей 3 % цинка, по-
лучено 340 кг концентрата, содержащего 22 % цинка. Определить выход концентрата, степень извлечения цинка и степень концентрации.
13
2. ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ
В настоящее время в промышленности используют самые разнообразные металлы и сплавы, поэтому главной целью химического
анализа является установление марки или сорта металла или сплава,
которые и определяют качество и назначение материала.
Наиболее распространенным методом технического анализа является химический анализ, при помощи которого устанавливают содержание отдельных элементов в материале.
При практическом использовании методов технического анализа
первостепенное значение имеет точность и скорость выполнения анализа, а также назначение анализа, т.е. требования производства.
При контроле технологического процесса обычно применяют
экспрессные методы. Быстрота анализа достигается как за счет ускорения обычных операций, так и за счет применения спектрального
анализа, фотоколориметрии, реактивов, специфичных только
для данного элемента и др. Экспрессные методы анализа металлов
выполняются за 5–15 мин, что позволяет следить за ходом технологического процесса.
Вычисление результатов анализа следует проводить с такой
точностью, чтобы последняя вычисленная цифра была бы первой,
точность которой недостаточна. Точность анализа зависит от точности отдельных измерений, поэтому все вычисления нужно делать
с точностью до 0,1 %, т.е. до четвертой значащей цифры. При обычных рядовых анализах металлов, при навеске в 1 г, точность взвешивания в 1 мг вполне достаточна.
Работа 2. Определение кремния
Для определения кремния в сталях и чугунах применяют солянокислый, колориметрический, спектральный и другие методы. Ниже
описывается солянокислый метод – один из наиболее простых по исполнению и достаточно точный.
Кремний присутствует в стали главным образом в виде твердого
раствора. При его содержании выше 14 % в стали образуются различные силициды: FeSi, Fe2Si3 и т.д.
Навеску стали сначала растворяют в соляной кислоте. При растворении стали кремний переходит в кремниевую кислоту. Образующиеся промежуточные продукты – силан SiH2, тетрахлорид кремния SiCl4 – являются нестойкими веществами и также дают кремние-
14
вую кислоту. Потери кремния при растворении стали в кислоте
не происходит.
Кремниевая кислота находится в коллоидном состоянии
и при фильтровании может переходить сквозь фильтр, поэтому раствор упаривают досуха. При этом кремниевая кислота обезвоживается
и переходит в силикагель. Полученные окислы железа и оксихлориды
растворяют в соляной кислоте, а силикагель отфильтровывают и прокаливают.
По массе полученной двуокиси кремния рассчитывают содержание кремния в стали.
Цель работы: определить количество кремния в стали.
Оборудование и материалы
1. Фарфоровая чашка диаметром 10–12 см.
2. Соляная кислота (d = 1,19).
3. Азотная кислота (d = 1,4).
4. Беззольные фильтры с красной лентой.
5. Воронка для фильтрования, промывалка, тигель, стеклянная
палочка с резиновым наконечником.
6. Электрическая муфельная печь.
7. 5%-й раствор роданида калия или роданида аммония.
8. Часовое стекло.
Проведение работы
2 г стали или 0,2 г чугунной стружки помещают в фарфоровую
чашку и растворяют при нагревании в 30–40 мл соляной кислоты.
Чашку закрывают часовым стеклом. После растворения стали на дне
чашки останется взвесь карбидов и графита (если был взят чугун).
Для их окисления к горячему раствору прибавляют 2–3 мл азотной
кислоты, раствор выпаривают досуха и слегка подсушивают (около
130 С) на асбестированной сетке до разложения хлоридов и появления светло-бурой окраски, зависящей от наличия гидратированных
окислов железа. После охлаждения к осадку приливают 10–15 мл соляной кислоты и 100 мл горячей воды. Раствор нагревают до полного
растворения окислов и солей. Теплый раствор фильтруют, сливая
его по палочке.
Осадок на фильтре (он обычно невидим) нужно хорошо промыть
горячей водой, подкисленной соляной кислотой, до тех пор, пока промывные воды не перестанут давать розовое окрашивание при добавле-
15
нии к нему роданида калия. Фильтр с осадком помещают в фарфоровый
a
тигель и после подсушивания прокаливают в муфельной печи при температуре 900–1000 С до полного сгорания фильтра. Тигель охлаждают
в эксикаторе, после чего тигель с осадком снова взвешивают. Затем
взвешивают пустой тигель. При правильно проведенном анализе осадок
двуокиси кремния должен быть белого цвета Наличие красноватой
окраски указывает на наличие в ней окислов железа. Процентное содержание кремния в стали рассчитывается по формуле:
%
Si
m
1004672,0
,
где m – масса двуокиси кремния, г;
а – навеска стали (или чугуна), г;
0,4672 – фактор пересчета двуокиси кремния на кремний.
Оформление результатов работы
Записать методику анализа, цифровые данные оформить в виде
таблицы:
Навеска стали, г Масса двуокиси кремния, г Содержание кремния в стали, %
Вопросы
1. В какой кислоте растворяют навеску стали и навеску чугуна?
Почему?
2. Чем отличается растворение навески стали и навески чугуна?
Привести уравнения реакций, лежащих в основе растворения стали
и чугуна, и остальные реакции, происходящие в процессе получения
раствора пробы.
3. Почему необходимо упаривание и прокаливание полученного при растворении навески раствора до сухих солей? Как повлияет на результат анализа непроведение этой операции? Уравнения
реакций.
4. Что такое аналитический фактор пересчета в весовом анализе? Привести примеры.
5. Чем может быть загрязнен осадок? Что необходимо сделать
для увеличения его чистоты? Как проверяется полнота промывания
осадка от загрязняющих веществ?
6. В чем состоит суть арбитражного анализа, его назначение?
7. Какую роль играет кремний как компонент стали? Как от содержания кремния зависят свойства стали и чугуна?
16
Работа 3. Определение фосфора
Наиболее распространенным методом определения фосфора в ста-
ли является так называемый объемный, или алкалиметрический, метод.
Навеску стали растворяют в кислотах, обладающих сильными
окислительными свойствами, а иногда и в царской водке. При этом
фосфор, находящийся в стали главным образом в виде фосфидов,
окисляется до фосфорной кислоты:
3Fe3P + 41HNO3 = 9Fe(NO3)3 + 3H3PO4 + 14NO + 16H2O.
Для предупреждения возможности образования кислот с меньшей валентностью фосфора, например фосфористой кислоты, в раствор приливают перманганат калия:
5H3PO3 + 2KMnO4 + 6HNO3 = 5H3PO4 + 2KNO3 + 2Mn(NO3)2 + 3H2O.
Раствор перманганата калия прибавляется в избытке, поэтому
за счет разложения перманганата калия может образоваться темнокоричневый осадок двуокиси марганца:
2KMnO4 + 2HNO3 = 2KNO3 + H2O + 2MnO2 + 3O.
Осадок двуокиси марганца растворяют в растворе сульфата
двухвалентного железа:
MnO2 + FeSO4 + 8HNO3 = Mn(NO3)2 + 2Fe(NO3)3 + 2H2SO4 + 2H2O.
Для определения фосфора фосфорную кислоту осаждают раствором молибдата аммония:
H3PO4 + 12(NH4)2MoO4 + 21HNO3 =
(NH4)3PO412MoO3 + 21NH4NO3 + 12H2O.
Осаждение фосфорномолибденовокислого аммония проводят
из слабокислого раствора, в который добавляют 5–10 % нитрата аммония для понижения растворимости осадка. Слишком высокая концентрация азотной кислоты может привести к разрушению комплексного соединения, а понижение содержания – к загрязнению осадка
молибденовой кислотой, которая плохо растворима в воде и разбавленных кислотах. Оптимальной температурой для осаждения является
60–70 С. Выпадение осадка задерживается при наличии в растворе
больших количеств сульфатов, соляной и фтористоводородной кислот. Мешают определению мышьяковая и кремниевая кислоты, так
как они тоже дают комплексные соединения с молибдатом аммония.
Полученный осадок фильтруют, отмывают от кислоты и титруют щелочью:
17
(NH4)3PO412MoO3 + 23NaOH =
(NH4)2HPO4 + NH4NaMoO4 + 11Na2MoO4 + 11H2O.
По количеству щелочи, пошедшей на титрование, рассчитывается количество фосфора.
Осадок можно также высушить при 105 С и взвесить в виде
(NH4)3PO412MoO3. При прокаливании (температура 400–500 С) это
вещество разлагается и дает вещество состава P2O512MoO3.
Цель работы: определить количество фосфора в стали.
Оборудование и материалы
1. Азотная кислота (1 : 2).
2. 2%-й раствор перманганата калия.
3. Насыщенный раствор сульфата двухвалентного железа.
4. 20–25%-й раствор аммиака.
5. Раствор молибдата аммония (молибденовая жидкость).
6. 1%-й раствор (нейтральный) нитрата аммония или калия.
7. 0,02%-й водный раствор метилового оранжевого.
8. Титрованный раствор азотной кислоты.
9. Титрованный раствор едкого кали или едкого натра.
10. Раствор фенолфталеина.
11. Бюретка, колбы, мерные цилиндры, фильтры.
Проведение работы
2 г стали помещают в коническую колбу на 250 мл и приливают
к ней 45 мл азотной кислоты, разбавленной 1 : 2 (тяга!). Кислоту
приливают сначала набольшими порциями, так как реакция протекает
бурно. Затем раствор нагревают до полного растворения стали.
К горячему раствору прибавляют раствор перманганата калия
до появления устойчивого малинового окрашивания, на что требуется
около 5 мл раствора. Раствор кипятят 5 мин, и к горячему раствору
для растворения выпадающей окиси марганца прибавляют по каплям
раствор сульфата двухвалентного железа. После этого раствор
еще кипятят 1–2 мин, охлаждают до 60–70 С, нейтрализуют раствором аммиака до образования небольшого осадка гидроокиси железа.
Осадок растворяют в концентрированной азотной кислоте, которую
прибавляют в раствор по каплям. Затем прибавляют еще 5 мл азотной
кислоты. К прозрачному раствору приливают 30 мл раствора молибдата аммония, смесь взбалтывают в течение 1–3 мин до появления
18
желтого осадка и оставляют стоять в течение 0,5–1,0 ч для более пол-
m
ного осаждения фосфорномолибденовокислого аммония.
Желтый осадок отфильтровывают через двойной фильтр с синей
лентой, промывают колбу и осадок на фильтре 5%-м раствором нитрата
аммония или нитрата калия до нейтральной реакции. Промытый осадок
вместе с фильтром переносят в колбу, в которой проводилось осаждение, приливают 20 мл титрованного раствора щелочи и взбалтывают
до тех пор, пока фильтр не распадется на волокна и желтый осадок полностью не растворится. Щелочь должна быть в некотором избытке,
на что указывает окраска фенолфталеина. При отсутствии окраски
в раствор прибавляют еще 10–15 мл титрованного раствора щелочи. Затем в колбу добавляют 20 мл свежепрокипяченой воды (не содержащей
двуокиси углерода) и, обмыв стенки колбы водой, раствор титруют раствором азотной кислоты до исчезновения малиновой окраски.
Содержание фосфора в стали рассчитывают по формуле:
CVVT
P
P
%
,
100)(
1
где ТР – титр раствора щелочи по фосфору;
V – количество миллилитров раствора щелочи, взятой для раство-
рения осадка;
V1 – количество миллилитров азотной кислоты, пошедшей на тит-
рование избытка щелочи;
С – соотношение между концентрациями щелочи и азотной
кислоты.
Рекомендуется, чтобы значение С было равно или приближалось
к единице.
Указанная формула для вычисления количества фосфора выводится на основании следующих рассуждений: по уравнению реакции
разложения фосфорномолибденовокислого аммония 1 г атом фосфора, т.е. 30,98 г фосфора, открываются 23 моль щелочи (т.е. 1290,3 г
едкого кали или 1610 г едкого натра). Допустим, что титр применяемого раствора едкого кали равен 0,008. Следовательно, титр едкого
кали по фосфору равен:
1290,3 г--------30,98 г
0,008 г---------х г
98,30008,0
х
3,1290
19
.0001921,0
Таким образом, если титр едкого кали равен Т
m
кали по фосфору равен:
, то титр едкого
КОН
Т
КОН
Т .
Р
98,30
3,1290
Допустим, на титрование осадка фосфорномолибденовокислого
аммония пошло 10 мл едкого кали. Тогда
Т
Р
Р
,
10010%
где m – масса навески стали.
В действительности к осадку приливают не 10 мл щелочи, некоторый ее избыток, например 25 мл. Для определения истинного количества щелочи, пошедшей на взаимодействие с осадком, из 25 мл щелочи нужно вычесть количество миллилитров щелочи, не пошедшей
на реакцию. Для этого вычитают количество миллилитров кислоты,
пошедшей на титрование избытка щелочи, умноженное на соотношение между концентрациями кислоты и щелочи.
Оформление результатов работы
Записать методику работы. Полученные цифровые данные занести в таблицу:
Навеска стали,
г
Количество
щелочи, мл
Количество
кислоты, мл
Титр щелочи
Содержание
фосфора, %
Вопросы и задачи
1. В виде каких соединений находится фосфор в стали? Почему
навеску стали растворяют именно в азотной кислоте? Записать уравнения возможных реакций.
2. Как повлияет на результат анализа непроведение операций
добавления к раствору перманганата калия? Привести уравнения реакций.
3. Каков химический состав осадка, образующегося в результате
кипячения раствора после добавления KMnO4? В чем мешающее влияние осадка? Почему его растворяют именно в соли двухвалентного
железа? Как повлияет на результат анализа непроведение этой операции? Привести уравнения реакций.
4. В виде какого соединения проводится осаждение фосфора из по-
лученного раствора? В какой среде? Привести уравнения реакции осаждения и реакций, характеризующих свойства осадка.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]