ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКА ФОСФОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Переработка фосфоритового сырья на элементарный фосфор характеризуется значительным количеством побочных продуктов и отходов: фосфатного шлака, фосфорного шлама, котрельного молока и др. Это объясняется не только неоднородностью исходного сырья со сложным вещественным составом, но и отсутствием совершенных способов предварительной подготовки сырья для электротермической возгонки фосфора. Переработка фосфоритового сырья на желтый фосфор сопровождается образованием на 1 т фосфора 25–27 кг его соединений, 10–12 т шлака, до 170 кг фосфорного шлама и др. Работа предприятий фосфорной промышленности на неподготовленном сырье при малоэффективной работе электрофильтров приводит к высокому выходу шламов. Это обусловливает значительные потери, снижение коэффициента использования сырья. Кроме того, существующая технология электротермического производства фосфора применима к переработке только кусковых фосфоритов, при предварительной подготовке которых (дробление, измельчение, грохочение, транспортировка и др.) потери составляют более 40 %. Мелкие фракции накапливаются в отвалах. Выход этих фракций составляет 35–44 % от добытой руды, на отдельных участках 46–48 %.

Одной из главных причин образования вредных отходов является низкое качество исходного сырья – фосфоритов бассейна Каратау. Известно, что нестабильные по химическому и минералогическому составу, склонные к обеднению по фосфору, содержащие значительное количество балластных пород фосфориты относятся к труднообогатимому сырью. В настоящее время не имеется реализованных на производстве способов обогащения фосфоритов. Это обусловлено природой их генезиса: слоистое строение фосфоритоносных пачек многочисленных месторождений бассейна, тонкое перемежающееся залегание с чередованием обогащенного по фосфату слоя с пустой и цементирующей породой и кварцем, тесное прорастание минералов породы в фосфатном веществе.

Как видно, самым многотоннажным отходом является именно шлак, который скапливается в специально организованных шлакоотвалах. Ведущая роль в проблеме использования фосфорных шлаков принадлежит промышленности строительных материалов [1–5], потребляющей большое количество промышленных отходов минерального происхождения. Однако из-за низких цен на строительные материалы для предприятий более удобным является складирование отходов. В связи с этим не менее актуальным является расширение номенклатуры выпускаемой продукции из отходов производств, в составе которой должны присутствовать продукты с высокой добавленной стоимостью [6].

Одним из экономически целесообразных и перспективных направлений, в настоящее время, является переработка шлаков на минеральные наполнители, в частности на белую сажу. Потребность мировой промышленности в аморфном кремнеземе (SiO₂) составляет примерно 1 млн т в год и имеет тенденцию к значительному росту, так как аморфный кремнезем является многоцелевым материалом и применяется в различных отраслях промышленности, в том числе в области высоких технологий. [7]. Помимо традиционного использования диоксида кремния в качестве синтетических наполнителей значительно увеличивается потребление нанодисперсного химически чистого диоксида кремния при изготовлении световодов - оптических волокон. На основе оптического волокна выпускаются детали приборов для радиоэлектронной, приборостроительной и других отраслей промышленности. В процессе переработки фосфорных шлаков на осажденный диоксид кремния образуются два отхода технологии – карбонатно-силикатные кеки и промывные воды, содержащие полифосфаты натрия, которые могут быть использованы в технологическом процессе получения триполифосфата натрия. Основными операциями являются: вскрытие шлака раствором карбоната натрия; промывка карбонатно-силикатного кека; очистка содово-силикатного раствора от алюминия; осаждение диоксида кремния; промывка осажденного диоксида кремния [6].

Также фосфорные шлаки являются весьма перспективным сырьевым источником не только соединений кремния, но также и редкоземельных металлов, производство которых в настоящее время во всем мире является одним из актуальнейших. Растущая популярность гибридных и электрических автомобилей, ветровых турбин и компактные люминесцентные лампы вызывает увеличение спросa и цен на РЗM.

Из присутствующих в фосфорном шлаке редкоземельных элементов к группе легких лантаноидов относятся лантан, церий, празеодим, неодим, европий и гадолиний, к группе тяжелых — иттербий и лютеций. При этом в конечном продукте от скандия до лютеция и иттрия, т. е. от легких РЗМ к тяжелым, концентрирование возрастает, увеличиваясь в ~ 2 раза.

Это обстоятельство является важным, если учесть, что металлы группы тяжелых РЗМ присутствуют в природном сырье в значительно меньшем количестве и имеют большую ценность.

Список литературы:

1. Строительные материалы из шлаков фосфорного производства Казахстана / В. А. Сухов // Комплексное использование минерального сырья. – 1979. – №8. – С. 75–79.
2. Бетоны на фосфорношлаковых вяжущих, активизированных комплексными добавками / С. Т. Сулейменов и др. // Комплексное использование минерального сырья. – 1981. – № 3. – С. 76–78.
3. Крыжановская И. А. Применение электротермофосфорного шлака в производстве цемента. / И. А. Крыжановская. – М.: Стройиздат, 1978. – 53 с.
4. Ахметов Т. Г., Порфирьева Р. Т., Гайсин Л. Г. Химическая технология неорганических веществ: учеб. пособие: в 2 т./ Т. Г. Ахметов, Р. Т. Порфирьева, Л. Г. Гайсин. – М. : Высшая школа, 2002.
5. Jiang X. J., Yun Y., Hu Z. H. Development of non-autoclaved aerated concrete by alkali activated phosphorus slag // Advanced Materials Research, 2011. – Vol. 250–253. – P. 1147–1152.
6. Саргелова Э. А., Бочевская Е. Г., Абишева З. С., Загородняя А. Н., Каршигина З. Б., Шарипова А. С. Переработка шлака фосфорного производства с получением минеральных наполнителей и попутным извлечением ценных компонентов / Э. А. Саргелова, Е. Г. Бочевская, З. С. Абишева, А. Н. Загородняя, З. Б. Каршигина, А. С. Шарипова // Труды Кольского научного центра РАН,  2019 (1) –  С. 302–310.
7. Harris T. The outlook for HDS and EDS grades of precipitated silicas in the North American and West European tire markets presented at Functional Tire Fillers, 2001. – 224 p.