Разработка способа получения высокочистого оксида железа из отработанных растворов
Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 33 страниц
В избранное:
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. АЛЬ-ФАРАБИ
ОБЩЕУНИВЕРСИТЕТСКАЯ МАГИСТРАТУРА
по специальности «Экология»
Курсовая работа
«Разработка способа получения высокочистого оксида железа
из отработанных растворов»
Исполнитель:
магистрант 1 курса Якупова Д. Б.
Научный руководитель:
д. т. н., профессор Баешова А. К.
Допущена к защите:
руководитель общеуниверситетской
магистратуры
по специальности «Экология»
д. х. н., профессор Сармурзина А. Г.
Алматы - 2007 г.
Реферат
Курсовая работа состоит из 34 страниц, 10 таблиц, 2 рисунков, 4 штрихрентгенограмм, 1 карты, 27 литературных источников.
Объект исследования: растворы выщелачивания бурожелезняковой железоглиноземистой руды Лисаковского месторождения
Актуальность работы: В настоящее время происходит повышение концентрации углекислого газа в атмосфере вследствие использования ископаемого топлива. Немаловажную роль в увеличении концентрации углекислого газа играет процесс получения технического железа. Процесс получения различных сортов технического железа включает восстановление железной руды до металла (чугуна), осуществляющееся в доменных печах с участием кокса.
При горении кокса образуется оксид углерода (II), который в дальнейшем восстанавливает железо из оксидов, а сам окисляется до оксида углерода (IV), т. е. углекислого газа. Следовательно, пирометаллургические способы получения железа, применяющиеся в настоящее время, наносят огромный вред окружающей среде, внося определенный вклад в процесс глобального потепления климата. В этой связи наиболее перспективными представляются гидрометаллургические процессы, т. е. выщелачивание в водных растворах, в результате осуществления которых будут образовываться растворы, содержащие в своем составе значительное количество ионов железа. Из этих растворов можно извлекать железо различными способами. В данном случае возникает проблема утилизации отработанных растворов, т. е. необходимо разрабатывать способы извлечения железа из них. К тому же известно, что не только железо, но и его соединения находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, поэтому разработка новых методов получения соединений железа из растворов представляется актуальной.
Цель работы: установить оптимальные условия получения высокочистого оксида железа из растворов выщелачивания железных руд.
Задачи:
- изучить, систематизировать теоретические основы переработки железорудного сырья;
- собрать данные о влиянии объектов черной металлургии на окружающую среду;
- проанализировать физико-химические основы выщелачивания железорудного сырья;
- освоить методики анализа ионов железа в растворах;
- разработать способ получения высокочистого оксида железа;
-идентифицировать полученное соединение методами химического и рентгенофазового анализа.
Научная новизна: Впервые установлено, что при выщелачивании бурожелезняковой железоглиноземистой руды Лисаковского месторождения в солянокислых растворах значительное количество железа переходит в раствор. Показано, что при осаждении водным раствором аммиака из растворов выщелачивания можно получить оксид железа с выходом 100%.
Практическая значимость: Разработан экологически чистый способ получения чистого оксида железа, находящего широкое применение в различных отраслях техники, в частности: электронной технике, телекоммуникационной промышленности, а также при производстве постоянных магнитов и сердечников различных индукционных катушек, применяемых в и радиотехнической отраслях промышленности. Способ позволяет получить чистый оксид железа практически непосредственно из руды, сокращается количество стадий, процесс может явиться основой для создания малоотходной технологии переработки железных руд с последующим получением ценных соединений железа.
Введение
В настоящее время происходит повышение концентрации углекислого газа в атмосфере вследствие использования ископаемого топлива. Немаловажную роль в увеличении концентрации углекислого газа играет процесс получения технического железа. Процесс получения различных сортов технического железа включает восстановление железной руды до металла (чугуна), осуществляющееся в доменных печах с участием кокса.
При горении кокса образуется оксид углерода (II), который в дальнейшем восстанавливает железо из оксидов, а сам окисляется до оксида углерода (IV), т. е. углекислого газа. Следовательно, пирометаллургические способы получения железа, применяющиеся в настоящее время, наносят огромный вред окружающей среде, внося определенный вклад в процесс глобального потепления климата. В этой связи наиболее перспективными представляются гидрометаллургические процессы, т. е. выщелачивание в водных растворах, в результате осуществления которых будут образовываться растворы, содержащие в своем составе значительное количество ионов железа. Из этих растворов можно извлекать железо различными способами. В данном случае возникает проблема утилизации отработанных растворов, т. е. необходимо разрабатывать способы извлечения железа из них. К тому же известно, что не только железо, но и его соединения находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, поэтому разработка новых методов получения соединений железа из растворов представляется актуальной.
Целью данной работы является установление оптимальных условий получения высокочистого оксида железа из растворов выщелачивания железных руд.
В связи с этим поставлены следующие задачи:
- изучение, систематизация теоретических основ переработки железорудного сырья;
- сбор данных о влиянии объектов черной металлургии на окружающую среду;
- анализ физико-химических основ выщелачивания железорудного сырья;
- освоение методики анализа ионов железа в растворах.
На основании полученных экспериментальных данных разработать способ получения высокочистого оксида железа.
Идентифицировать полученное соединение методами химического и рентгенофазового анализа.
Научной новизной данной работы является то, что впервые установлено, что при выщелачивании бурожелезняковой железоглиноземистой руды Лисаковского месторождения в солянокислых растворах значительное количество железа переходит в раствор. Показано, что при осаждении водным раствором аммиака из растворов выщелачивания можно получить оксид железа с выходом 100%.
Практическая значимость данной работы заключается в том, что разработан экологически чистый способ получения чистого оксида железа, находящего широкое применение в различных отраслях техники, в частности: электронной техники и телекоммуникационной индустрии, машиностроительной и аккумуляторной промышленности.
Содержание работы
Литературный обзор
1. Общая характеристика железорудного сырья и методы получения
оксида железа
1. 1. Общая характеристика железных руд . . . 7
1. 2. Физико-химические основы методов переработки железных руд ……… . . . 10
1. 3. Воздействие предприятий черной металлургии на окружающую среду …. …12
1. 4. Физико-химические основы выщелачивания железорудного сырья ……… . . . 14
1. 5. Методы получения и области применения оксида железа . 16
1. 6. Состояние и перспективы совершенствования технологии переработки железорудного сырья в Республике Казахстан . . . 19
1. 7. Постановка задачи исследования 24
2. Экспериментальная часть. 25 2. 1. Методика определения ионов железа . . …25
2. 1. 1. метод . …. 25
2. 1. 2. Гравиметрический метод . ……25
2. 1. 3. Фотоколориметрический метод . …. . 26
2. 2. Разработка способа получения высокочистого оксида железа из отработанных растворов . . 27
2. 2. 1. Выщелачивание железорудного сырья в солянокислой среде . 27
2. 2. 2. Осаждение гидроксида железа из отработанных растворов выщелачивания железорудного сырья . . 28
2. 2. 3. Получение оксида железа . . . 28
2. 2. 4. Идентификация оксида железа . 31
2. 2. 4. 1. Идентификация химическим методом . . 31
2. 2. 4. 2. Идентификация рентгенофазовым методом . . . 31
Выводы и рекомендации . . . 32
Список использованной литературы 33
Литературный обзор
1. Общая характеристика железорудного сырья
и методы получения оксида железа
- Общая характеристика железных руд
Железо - один из самых распространенных элементов в природе, его содержание в земной коре составляет 4, 65% по массе. Известно свыше 300 минералов, из которых слагаются месторождения железных руд. Промышленное значение имеют руды с содержанием Fe свыше 16%. Важнейшие рудные минералы железа: магнетит (магнитный железняк) Fe 3 O 4 (содержит 72, 4% Fe), гематит (железный блеск, красный железняк) Fe 2 O 3 (70% Fe), гётит Fe 2 O 3 . H 2 O, лепидокрокит FeO(OH) и гидрогётит (лимонит) Fe 2 O 3 . xH 2 O (ок. 62% Fe), сидерит FeCO 3 (48, 2% Fe), ильменит FeTiO 3 (36, 8% Fe) . Наряду с полезными примесями - марганец, хром, никель, титан, ванадий, кобальт - железные руды содержат и вредные примеси - сера, фосфор и др. Железо входит в состав природных силикатов, значительные скопления которых могут иметь промышленное значение для производства железа или его соединений. Различают следующие основные типы железных руд. Бурые железняки - руды гидроксидов Fe (III) (главный минерал - гётит) ; содержат до 66, 1% Fe (чаще 30-55%) ; имеют осадочное происхождение. Крупнейшие месторождения в СССР, во Франции, в Гвинее. Гематитовые руды, или красные железняки (главный минерал - гематит) ; содержат обычно 50-65% Fe. Для них характерно залегание богатых руд поверх мощных толщ бедных (30-40% Fe) магнетитовых кварцитов. Крупнейшие месторождения в СССР, США, Канаде, Бразилии, Венесуэле. Магнетитовые руды, или магнитные железняки (главный минерал - магнетит) ; содержат чаще всего до 45-60% Fe. Верхние горизонты магнетитовых рудных тел обычно частично окислены до гематита (полумартиты и мартиты) . Крупнейшие месторождения на территории бывшего СССР и Швеции. Силикатные руды (25-40% Fe) осадочного происхождения, используемые для выплавки чугуна в ГДР, Югославии, ЧССР и ряде др. стран Европы, относятся к группе зеленых слюд-хлоритов. Главные минералы - шамозит Fe 4 (Fe, Al) 2 [Al 2 Si 2 O 10 ] (OH) 8 и тюрингит (Mg, Fe) 3, 5 Al 1, 5 [Si 2, 5 Al 1, 5 O 10 ] (ОН) 6 . nН 2 О - содержат до 42% Fe. Важнейшие месторождения в ГДР, Австрии и др. Мировые разведанные запасы железных руд составляют 231, 9 млрд. т, или 93 млрд. т в пересчете на железо (1980) . По запасам железных руд (балансовым - свыше 100 млрд. т) СССР занимал первое место в мире. Наибольшие запасы железных руд (в млрд. т), сосредоточены в Бразилии (34), Канаде (26), Австрии (21), США (17), Индии (13), ЮАР (9), Швеции (4, 5) и во Франции (4) . Перспективно использование бедных железом горных пород и железомарганцевых конкреций. Мировые запасы последних оцениваются в 3000 млрд. т (1984) . В чрезвычайно редких случаях железо встречается в земной коре в составе минерала иоцита FeO (аналог которого в технике наз. вюститом), а также в виде самородного железа - метеорного и теллурического (земного происхождения) . /1/.
На практике приходится иметь дело с магнитной окисью железа Fe 3 O 4 (72, 4% Fe), безводной окисью железа Fe 2 O 3 (70 % Fe) и водной окисью железа Fe 2 O 3 ⋅mН 2 О, с различным количеством адсорбированной воды (52, 3-62, 9 %) . Соединения железа с двуокисью углерода - это карбонат железа FeСO 3 (48, 3 % Fe) .
Магнитная окись железа в рудах представлена минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком или магнетитовой рудой. Магнетит под действием влаги и кислорода атмосферы окисляется. Закись железа в молекуле FeО ⋅Fe 2 O 3 реагирует с кислородом воздуха по реакции 4 FeО+О 2 →2 Fe 2 O 3 , т. е. переходит в безводную окись железа.
Безводная окись железа представлена в рудах минералом гематитом. Руды, содержащие в основном гематит, относятся обычно к красным железнякам, или гематитовым рудам. Красный железняк - это продукт выветривания магнитных железняков, т. е. в значительной степени окисленный магнетит. Красный железняк, применяемый в металлургии, содержит 55-60 % железа.
Водная окись железа представлена в рудах главным образом минералами лимонита 2 Fe 2 O 3 ⋅3 Н 2 О и гетитом Fe 2 O 3 ⋅ Н 2 О. Руды, содержащие в основном эти минералы, называются бурыми железняками. В добываемых рудах содержится 37-55 %, чаще 37-40 % железа. Они характеризуются повышенным содержанием фосфора (0, 5-1, 5 %) .
Карбонат железа представлен в руде минералом сидеритом. Руды, содержащие в основном эти минералы, называются шпатовыми железняками. Они обычно встречаются в виде плотных и крепких горных пород или в виде глинистых железняков. В шпатовых железняках содержится 30-40 % железа. Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют различные примеси (тоже в виде соединений), которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.
К вредным примесям руд относятся сера, цинк и мышьяк. Сера вызывает красноломкость стали, а процесс ее удаления в доменном и сталеплавильном производствах связан с ухудшением технико-экономических показателей.
Цинк, хотя и не переходит в чугун, но возгоняется, и проникая в швы кладки, приводит к ее росту и разрыву металлического кожуха доменной печи.
Небольшое количество мышьяка можно удалить из руды при агломерации или при специальном обжиге, а при доменной и сталеплавильной плавках он переходит в металл. Мышьяк придает стали хладноломкость и ухудшает ее свариваемость.
Такие примеси, как фосфор, никель, хром и медь являются полезными лишь при выплавке некоторых марок стали, в остальных случаях же случаях они, особенно фосфор и медь, относятся к вредным примесям. Фосфор вызывает хладноломкость стали, его необходимо удалять при переработке чугуна в сталеплавильных печах.
Пустая порода руд в основном состоит из SiO 2 , AI 2 O 3 , CaO и MgO, которые обычно находятся в виде различных соединений. /2/.
Характеристика важнейших рудных минералов железа по данным Ю. С. Юсфина представлена в таблице 1. /3/.
Таблица 1.
Характеристика важнейших рудных минералов железа
Химическая
формула
Максимальное содержание железа
при отсутствии пустой породы, %
1. 2. Физико-химические основы методов переработки железных руд
Руда - это природное минеральное образование, содержащее металлы (железо, медь, цинк, вольфрам, молибден и др. ) в соединении с другими веществами. Однако, в отличие от сплавов, руда не имеет металлических свойств - она не проводит ни электрический ток, ни тепло.
Руды бывают мономинеральные, состоящие из одного рудного минерала, и полиминеральные, содержащие несколько ценных минералов.
Чтобы получить металл из руды, надо ее разделить - отнять от нее то вещество, с которым металл соединяется. Например, железная руда - это соединение железа с кислородом, иначе говоря - оксид железа. Чтобы получить железо, надо отнять от руды кислород, связав его с другим, химически активным веществом. /4/.
Переработка железных руд осуществляется в два этапа: первый состоит в восстановлении и до металла (чугуна), второй заключается в удалении из железа вредных примесей и добавления компонентов, изменяющих качество металла, для получения определенных технических сортов железа, например ковкого железа или стали. Первый из этих процессов - выплавку железа из руды - производят в доменных печах; второй процесс, «формирование» (т. е. переработку чугуна в ковкое железо, сталь и т. д. ) раньше осуществляли в кричном горне или путем пудлингования; в настоящее время для этого используют главным образом конвертирование и процесс Сименса-Мартена, а для специальных сталей, кроме того, тигельную плавку и плавку в электропечах /5/.
Формирование чугуна.
Металлическое железо - продукт восстановления руд - появляется в нижней части шахты печи и распаре. При большом избытке углерода в печи получение чистого железа даже в начальной момент его появления затруднительно. По мере опускания материалов в доменной печи и их дальнейшего нагрева железо растворяет в себе углерод. в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн.
Выделяют 4 стадии науглероживания железа в современной доменной печи.
Первая стадия - происходит выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа по реакциям (температура 400-1000 0 С) :
СО+Н 2 = С саж + Н 2 О; (1)
2СО= С саж + СО 2 (2)
Все факторы, способствующие протеканию этих реакций, вызывают увеличение содержания углерода в чугуне (рост давления в печи, высокая восстановимость шихт, рост основности, повышение содержания водорода в газовой фазе и др. )
Вторая стадия связана с первой и характеризуется диффузией С саж в массу металлического железа (950-1150 0 С)
2СО= С саж + СО (3)
3Fe+ С саж = Fe 3 С (4)
3Fe+2СО= Fe 3 С+ СО 2 (5)
Третья стадия - плавление металла с содержанием примерно 2 % углерода при температуре выше 1150 0 С и стекание капель по коксовой насадке с растворением углерода кокса в металле:
3Fe+С к = Fe 3 С (6)
Четвертая стадия - это процесс, протекающий горне. Здесь, с одной стороны, продолжается растворение углерода кокса жидком металле ( связано с температурой в горне, временем пребывания и состава чугуна в горне), а с другой - идет окисление углерода чугуна в фурменных очагах (связано с размером печи) . Содержание углерода в чугуне колеблется в интервале 4, 3-5, 3 %. /6-9/.
Выплавку чугуна обычно осуществляют в домнах, которые представляют собой шахтные печи высотой 20-25 м, сложенные из огнеупорного кирпича. Сверху в доменную печь загружают окисную железную руду, измельченную до некрупных кусков; при загрузке ее послойно перемешивают с коксом; снизу через фурмы под давлением поступает предварительно нагретый воздух, в котором сгорает кокс. Образующаяся при горении кокса окись углерода восстанавливает железо из окислов:
3СО+ Fe 2 O 3 =2Fe 3 + СО 2 + 5, 7 ккал (7)
Реакция ( ) обратима. В соответствии с принципом Ле-Шателье, равновесие ее смещается влево при повышении температуры. Поэтому реакция (7) осуществляется преимущественно в верхней, менее нагретой части домны; часть Fe 2 O 3 восстанавливается в этой зоне лишь до окиси железа (II) .
Fe 2 O 3 + СО = 2 Fe O + СО 2 (8)
В нижней части домны, нагретой до очень высокой температуры, восстановителем является непосредственно углерод:
Fe O + С + 34, 5 ккал = Fe + СО (9)
Температура в нижней части печи настолько высока, что железо плавится и стекает вниз. Пространство, освобождающееся в связи с этим, а также вследствие сгорания кокса, непрерывно заполняют сверху свежими загрузками.
... продолжениеВы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
