ВОССТАНОВЛЕНИЕ КРАСНОГО ШЛАМА ДРЕВЕСНЫМ УГЛЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА

REDUCTION OF RED MUD WITH CHARCOAL WITH THE USE OF MICROWAVE HEATING

Ahmed Khalifa

graduate student, Saint Petersburg Mining University,

Russia, St. Petersburg University

Andrey Lebedev

Candidate of Technical Sciences, Head of the Laboratory of MineralProcessing, Saint Petersburg Mining University,

Russia, St. Petersburg University

АННОТАЦИЯ

Красный шлам можно использовать в строительных материалах, пигментах, катализаторах и абсорбентах. Более того, многочисленные исследования изучали использование красного шлама в качестве вторичного источника для извлечения железа, диоксида титана и глинозема. Наибольший интерес представляют процессы восстановительной плавки и восстановительного обжига красного шлама.

ABSTRACT

Red mud can be used in building materials, pigments, catalysts and absorbents. Moreover, numerous studies have examined the use of red mud as a secondary source for the recovery of iron, titanium dioxide and alumina. The processes of smelting reduction and reduction roasting of red mud are of the greatest interest.

Ключевые слова: красный шлам, карбонизация, микроволновая обработка, восстановительный обжиг, железо.

Keywords: red mud, carbonation, microwave treatment, reduction roasting, iron.

Красный шлам (КШ) является основным отходом алюминиевой промышленности; его получают в процессе извлечения глинозема из бокситов (процесс Байера) в виде суспензии с содержанием 15–30 мас. % твердых веществ. Он относительно токсичен не только из-за своей высокой щелочности (pH 10–12,5), но и из-за наличия множества тяжелых и радиоактивных металлов (V, Cr, Cd, Ni, Zn, Pb, Ba, Sr, Hf, Nd, U, Th) в малых количествах [1].

Удаление КШ - серьезная проблема для алюминиевой промышленности. Наиболее часто применяемые методы включают его сброс в море или в плотины и дамбы, где он может высохнуть естественным путем. Выброс красного ила в море оказывает значительное влияние на экосистему подводных лодок, как это было выявлено в ряде исследований. С другой стороны, применяемые методы безопасной утилизации, включающие обезвоживание и испарительную сушку в осушенных озерах, покрытых полимерной мембраной, обременяют алюминиевую промышленность дополнительными затратами до 2 мас. % от цены глинозема [2, 3].

В течение последних нескольких десятилетий были предприняты попытки использовать КШ в качестве сырья в широком диапазоне применений, устраняя проблемы утилизации.

В недавнем прошлом было предпринято несколько попыток широкомасштабного применения КШ и решения проблем его утилизации. В первую очередь исследователи предприняли попытку восстановить содержание железа из КШ с помощью спекания смеси КШ и лигнита в присутствии солей натрия при высокой температуре. Был получен обогащенный железом концентрат с содержанием Fe 90,3 мас. % И степенью металлизации 94,8 %, но значительное количество тепловой энергии и тяжелая дозировка флюса делают технологический подход экономически нецелесообразным [4, 5]. В другом подходе чугун производится в плазменном реакторе с протяженной дугой. Однако применение плазменной дуги в промышленных масштабах еще предстоит испытать. Восстановительный обжиг КШ с последующим процессом магнитной сепарации исследуется для получения обогащенного железом концентрата в качестве сырья для доменной печи. Помимо пирометаллургического способа, авторы также попытались использовать гидрометаллургический способ путем выщелачивания содержания железа в КШ с использованием щавелевой кислоты или путем ступенчатого растворения содержания алюминия и натрия с помощью гидрохимических процессов [6].

Микроволновая обработка хорошо известна благодаря множеству преимуществ по сравнению с традиционными методами, такими как значительное улучшение кинетики реакции и диффузии, относительно намного более короткое время цикла, более мелкие микроструктуры, продукты лучшего качества, экологичности и улучшении диффузии материалов и кинетики реакций с использованием микроволновой энергии [7]. До 2000 года микроволновая обработка материалов в основном ограничивалась керамикой, полуметаллами, неорганическими и полимерными материалами. Теперь было показано, что все металлические материалы в виде порошка действительно поглощают микроволны при комнатной температуре и могут быть очень эффективно и эффективно спечены, обеспечивая более высокое качество продукта.

За последние несколько лет во многих странах мира произошло много новых разработок в области микроволновой обработки материалов при высоких температурах. Эти разработки включают плавку металлов и литье, производство стали с использованием микроволновой технологии, прямое производство стали с использованием чистой микроволновой технологии, переработку отработанных шин, восстановление энергетических продуктов (нефти и дизельного топлива) из сланца / песка и других природных источников. В этой статье суммируются эти разработки и обсуждаются будущие перспективы применения микроволновой энергии для обеспечения более эффективных, быстрых, дешевых и экологически чистых технологий в различных областях.

Микроволновое излучение успешно используется в качестве источника тепла во многих пирометаллургических установках, где углерод используется в качестве восстановителя. Стоит упомянуть исследование Пиклеса, где изучали процесс восстановления / плавления никельсодержащей руды с помощью микроволнового излучения. Полученный сплав Fe-Ni измельчали до гранулометрии -200 меши подвергали процессу магнитной сепарации. Был собран обогащенный никелем (19 мас. %) концентрат. Такаяма и др. [18] исследовали микроволновую восстановительную плавку магнетитовой руды с использованием двух разных типов микроволновых источников; магнетрон на частоте 2,45 ГГц и гиротрон на частоте 30 ГГц. Получен чугун с содержанием углерода 2 мас. %. Чао и Ли [8] исследовали микроволновое восстановление прокатной окалины, образовавшейся в процессе горячей прокатки нержавеющих сталей, содержащих гематит, магнетит, хромит и NiO. Процесс восстановления продолжительностью 15 мин был достаточен для карботермического восстановления смеси и получения сплава Fe‑Ni‑Cr.

Восстановление начинается с восстановления гематита до магнетита, затем этот магнетит восстанавливается до вюстита и, наконец, до металлического железа проходя этапы восстановления:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂                                                                 (1)

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂                                                                   (2)

FeO + CO = Fe + CO₂                                                                      (3)

В предыдущих работах было обнаружено, что предварительная обработка карбонизацией помогает в восстановлении содержания натрия, нейтрализации, более быстром осаждении и достижении улучшенного извлечения железа из КШв обычной муфельной печи [6]. В настоящем исследовании образец КШ подвергается карбонизации с последующим микроволновым восстановлением с использованием древесного угля.

На рисунке 1 представлен график нагрева 30 граммов КШ, где микроволновая печь была установлена на 900 °C в течение 10 мин. Замечено, что температура очень быстро повышается с увеличением воздействия микроволн и достигает 1272,4 °C за 10 мин. При этом на скорость нагрева КШ влияет химический состав [9]. 

Рисунок 1. График микроволнового нагрева 30 г КШ

Обнаружено, что КШ чувствителен к микроволновому воздействию и значительно увеличивает его магнитные свойства. КШ обрабатывается микроволнами в диапазоне температур 800–1000 °C на 10 и дозировке восстановителя 12–25%. Богатый железом концентрат с 48,26 мас.% Fe₂O₃ и степенью извлечения железа 95% может быть получен при 1000 °C всего за 10 мин.

Список литературы:

1. Ribeiro D.V., Labrincha J.A., Morelli M.R. Potential use of natural red mud as pozzolan for Portland cement // Materials Research. 2011. Vol. 14, № 1. P. 60–66.
2. Reddy N.G., Hanumantha Rao B. Compaction and consolidation behaviour of untreated and treated waste of Indian red mud // Geotechnical Research. 2018. Vol. 5, № 2. P. 106–121.
3. Komnitsas K., Bartzas G., Paspaliaris I. Efficiency of limestone and red mud barriers: Laboratory column studies // Minerals Engineering. 2004. Vol. 17, № 2. P. 183–194.
4. Agrawal S., Rayapudi V., Dhawan N. Microwave Reduction of Red Mud for Recovery of Iron Values // Journal of Sustainable Metallurgy. Springer International Publishing, 2018. Vol. 3.
5. Ahmed H. New Trends in the Application of Carbon-Bearing Materials in Blast Furnace Iron-Making // minerals. 2018. Vol. 8. P. 1–20.
6. Zhong L., Zhang Y., Zhang Y. Extraction of alumina and sodium oxide from red mud by a mild hydro-chemical process // ournal of Hazardous Materials. 2009. Vol. 172. P. 1629–1634.
7. Agrawal D. Latest global developments in microwave materials processing // Materials Research Innovations. 2010. Vol. 14, № 1. P. 3–8.
8. Cho S., Lee J. Metal Recovery from Stainless Steel Mill Scale by Microwave Heating // Metals and Materials International. 2008. Vol. 14, № 2. P. 193–196.
9. Лебедев А.Б., Утков В.А., Бажин В.Ю. Применение красного шлама в качестве модификатора при грануляции металлургических шлаков // Вестник ИрГТУ, 2019, Т. 23, № 1, С. 158–168.