XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Получение извести из фосфогипса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тихонов И.А. 1

---

1МАОУ СОШ №25

Потапкина Г.Д. 1

---

1МАОУ СОШ №25

Работа в формате PDF

650.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Известковые вяжущие вещества широко использовали в древней Греции, греки применяли их для штукатурки и облицовки, а также как грунт под настенные фрески. Римляне, перенявшие культуру греческого народа, продолжили дальше совершенствовать строительное искусство и также активно применяли известковые вяжущие для кладочных растворов.

В древней Руси вяжущие начали применять приблизительно в X–XI веках, в строительстве городских стен, башен, храмовых комплексов и других сооружений. Производства вяжущих развивалось вместе с застройкой древних русских городов. [1]

В настоящее время химическая промышленность России включает в себя горно-химическую промышленность, производство основных химических веществ, удобрений и азотных соединений, пластмасс и синтетического каучка. Образование вторичных материальных ресурсов в химической промышленности России составляет около 78 млн т в год; при этом 79,5% приходится на горнохимическую промышленность, включающую в себя переработку апатитового концентрата. Поэтому я решил ограничиться рассмотрением лишь одного крупнотоннажного вторичного ресурса, а именно — фосфогипса, который образуется при производстве экстракционной фосфорной кислоты. [2]

Фосфогипс представляет собой химически осажденный гипс, образующийся при производстве ЭФК, вследствие чего содержит примеси в виде соединений фосфора. Поэтому вполне логично, что одним из наиболее проработанных направлений переработки фосфогипса является производство из него гипсовых вяжущих и изделий из них

Цель: сравнить и оценить известь, полученную из природного материала и известь, полученную из фосфогипса.

Задачи:

1. Изучить литературу по теме.

2. Провести эксперимент получения извести из фосфогипса, которая будет иметь высокие физико-химические показатели.

3. Экспериментальным путем доказать преимущество получения извести из фосфогипса.

Предмет исследования: известь

Гипотеза: из фосфогипса можно получить известь, которая будет иметь физико-химические показатели не уступающие природной.

Методы исследования: математические расчеты, эксперимент, сравнение, анализ.

Практическая значимость проекта:

Переработка фосфогипса позволяет:

• Получить продукты для сельского хозяйства, металлургии и стройиндустрии. Например, сульфат аммония (ценное минеральное удобрение) и карбонат кальция (фосфомел). 

• Извлечь редкоземельные элементы.  Их стоимость постепенно возрастает, а фосфогипс может быть источником этих ценных компонентов. 

• Получить гипсовые вяжущие.  Также фосфогипс используют в качестве добавки или основы в композиционных составах, например, в строительной и дорожно-строительной отраслях. 

• Снизить негативное воздействие на окружающую среду. Полезное использование фосфогипса позволяет не только освободить часть площадей объектов размещения, но и предотвратить загрязнение атмосферного воздуха, почв и водоносных горизонтов

2. Получение извести из фосфогипса

1. 1. Области применения извести

Наиболее крупными потребителями данной продукции являются черная металлургия, строительная индустрия, целлюлозно-бумажная промышленность, химическая промышленность, сахарная промышленность и сельское хозяйство. Также в значительных объемах известь используется для охраны окружающей среды (нейтрализация сточных вод и дымовых газов). [13]

Охрана окружающей среды: Известь используется при очистке дымовых газов от оксида серы. А также смягчает воду, осаждает органические вещества, находящиеся в воде, производит нейтрализацию кислых природных и отбросных сточных вод. [11]

Сельское хозяйство: При внесении извести в почву устраняется вредная для сельскохозяйственных растений кислотность. Почва обогащается кальцием, улучшается обрабатываемость земли, ускоряется гниение гумуса, при этом заметно снижается потребность во внесении больших доз азотных удобрений. В животноводстве и птицеводстве гидратная известь используется для подкормки с целью устранения дефицита кальция в рационе животных, а также для общего улучшения санитарных условий содержания скота. [10]

Металлургия: Неоценимо значение применения извести в горнодобывающей и перерабатывающей металлургической промышленности. Известь - необходимый компонент в технологическом процессе обогащения полиметаллических и железистых руд горно-обогатительных комбинатов. [9]

Химическая промышленность: Перспективно применение гидратной извести и известковых сорбентов для получения химически осажденного высокодисперсного карбоната кальция, используемого при изготовлении высших сортов мелованной бумаги и как наполнителя в электронной, электротехнической, кабельной, резинотехнической, лакокрасочной, парфюмерной и фармацевтической промышленности. [8]

Строительство: Известь - один из самых экологически чистых строительных материалов. Она применяется для приготовления строительных растворов, в производстве известково-пуццолановых вяжущих, в производстве термоизоляционных материалов,  для изготовления искусственных каменных материалов — силикатного кирпича, силикатных и пеносиликатных изделий, шлакобетонных блоков, газобетона (газосиликата), а также в качестве покрасочных составов, в производстве сухих строительных смесей: штукатурных, клеевых, композиций для заделки межплиточных швов, кладочных составов, шпатлевок. [11]

1. 2. Природное сырьё для получения извести

Сырьем для получения извести служат широко распространенные осадочные горные породы: известняки, мел, доломиты, состоящие преимущественно из карбоната кальция (СаСО₃) (Приложение. Рисунок №1).

Если куски таких пород прокалить на огне, то карбонат кальция перейдет в оксид кальция:

СаСО₃ = СаО + СО₂

После прокаливания куски, теряя с углекислым газом 44 % своей массы, становятся легкими и пористыми. При смачивании водой они бурно реагируют с ней, превращаясь в тонкий порошок, а при избытке воды в пластичное тесто. [2]

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Этот процесс, сопровождающийся сильным выделением теплоты и разогревом воды вплоть до кипения, называют гашением извести. Образующееся при избытке взятой воды пластичное тесто используют в качестве вяжущего. При испарении воды тесто загустевает и переходит в камневидное состояние. [3]

1. 3. Производство гипсовых вяжущих и изделий из них

Фосфогипс представляет собой химически осажденный гипс, образующийся при производстве ЭФК, вследствие чего содержит примеси в виде соединений фосфора. При получении фосфорной кислоты, фосфорных и комбинированных минеральных удобрений в Российской Федерации в качестве сырья преимущественно используют апатиты. Апатит – безводный фосфат кальция, количество этого минерала составляет порядка 95% от всех известных минералов фосфора. Господствующей разновидностью апатита в большинстве горных пород являются фтор-апатит – Ca₅F(PO₄)₃ (Приложение. Рисунок №2) [7]

В настоящее время, в России, в отвалах промышленных предприятий и химических заводов накопилось порядка 320 миллионов тонн фосфогипса. Можно выделить несколько способов его применения. [4]

Один из них - получение из фосфогипса технического мела. Это новый метод. Мел широко используется в промышленности: производство строительных материалов, в строительной индустрии для создания качественного цемента, извести, грунтовых покрытий, материалов для шпаклевки и даже стекла. Я хочу предложить другое использование этого продукта. Предлагаю направить технический мел на производство гипсовых вяжущих изделий. [7]

Для производства гипсовых вяжущих с хорошими характеристиками содержание технологических примесей в фосфогипсе должно быть минимальным, поэтому образующийся в одностадийных процессах получения ЭФК фосфогипс требует проведения дополнительной подготовки в виде промывки и (или) нейтрализации. [8]

Подготовка фосфогипса, как это уже указывалось выше, заключается в его промывке водой и (или) нейтрализации. Нейтрализацию обычно проводят известковым молоком. Узел подачи фосфогипса в сушилку должен учитывать его мелкодисперсную структуру и повышенную влажность, так как указанное приводит к налипанию материала к стенкам бункеров.

После сушки фосфогипс подают на обжиг в гипсоварочный котел или барабанную печь. Обжиг осуществляется при температуре 110–170°C по следующей реакции: CaSO₄ ·2H₂O = CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O (Приложение. Рисунок №3) [8]

2.4 Физико-химические свойства продуктов дегидратации гипса

Двуводный гипс (CaSО₄ • 2Н₂О) обладает способностью выделять при нагревании частично или полностью свою кристаллизационную (гидратную) воду. Дегидратация отмечается уже с 66–70 °С, но значительно ускоряется, при более высоких температурах (107–115 °С). Процесс дегидратации по осевым направлениям кристаллов CaSО₄ • 2Н₂О протекает неравномерно. Наибольшая скорость обезвоживания наблюдается в плоскости расположения слоев воды в решетке CaSО₄ • 2Н₂О и практически отсутствует в перпендикулярном к ней направлении [3].
Продуктами дегидратации гипса является полуводный гипс и ангидрит. Уравнение химической реакции получения полуводного гипса имеет следующий вид:

CaSО₄ • 2Н₂О = CaSО₄ • ½ H₂О + 1 ½ Н₂О

Образование ангидрида протекает в двух фазах, по уравнениям 1 и 2.

CaSО₄ • 2Н₂О = CaSО₄ • ½ H₂О + 1 ½ Н₂О (1)

CaSО₄ • ½ Н₂О = CaSО₄ + ½ Н₂О (2)

В зависимости от условий, в которых протекает реакция, продукты дегидратации гипса могут быть представлены различными модификациями, отличающимися друг от друга удельным весом, формой и размерами кристаллов, теплотой гидратации, теплоемкостью, оптическими свойствами и др. (Приложение. Таблица №1).
По данным П. П. Домового, Д. С. Белянкина и Л. Г. Берга и других в системе CaSО₄ — Н₂О возможно существование следующих модификаций водного и безводного сульфата кальция [2]:

• двугидрата сульфата кальция (двуводный гипс) CaSО₄ • 2H₂О;

• α–полугидрат сульфата кальция (α – полуводный гипс) α–CaSО₄ • ½ Н₂О;

• β–полугидрат сульфата кальция (β – полуводный гипс) β&–CaSО₄ • ½ Н₂О;

• α–обезвоженный полугидрат сульфата кальция α–CaSО₄;

• β–обезвоженный полугидрат сульфата кальция β–CaSО₄;

• α–растворимый ангидрит α–CaSО₄;

• β–растворимый ангидрит β–CaSО₄;

• нерастворимый ангидрит (Приложение. Рисунок №4)

2. 5 Методы химического анализа извести

Всякому конкретному сорту извести соответствует определенный процент активных окисей кальция и магния в соответствии с ГОСТ 9179-2018:

1 сорт – CaO + MgO не менее 90 %

2 сорт – CaO + MgO не менее 80 %

3 сорт – CaO + MgO не менее 70 %

Суммарное количество активных оксидов кальция и магния в извести высчитывают с помощью титрования водного известкового раствора хлороводородом в присутствии фенолфталеина. [9]

3. Экспериментальная часть

Практическая часть работы включает в себя следующие этапы:

1. Расчет необходимого количества технического мела.

2. Прокаливание навески технического мела в муфельной печи для удаления влаги и доведения до постоянной массы.

3. Титрование раствора технического мела соляной кислотой 1М

4. Анализ экспериментальных данных.

Экспериментальная часть исследования была проведена в Центральной аналитической лаборатории контроля и качества БФ АО «Апатит». Для проведения практической части было использовано следующее сырье (Приложение. Рисунок №5, №6):

Карбонат кальция консервированный.

Известняк молотый.

Мука известковая.

Мел технический.

Первый этап: рассчитали необходимое количество технического мела, для чего на технических весах нами был взвешен мел технический, получили следующие навески:

Второй этап: взвешенную навеску в течение часа прокалили в муфельной печи при t⁰= 975 С⁰ для удаления избыточной влаги (Приложение. Рисунок №6).

После прокаливания, на аналитических весах получили навески массой:

Для проведения анализа необходимо приготовить раствор. Для этого навеску поместили в коническую колбу и добавили 150 мл дистиллированной воды. Интенсивно перемешали для полного растворения (Приложение. Рисунок №9).

Для полного растворения раствор технического мела в течение 7 минут нагрели на инфракрасном нагревателе, интенсивно перемешивая, но не доводя до кипения (Приложение. Рисунок №10). Далее, смыли конденсат со стенок конической колбы и поставили охлаждаться до комнатной температуры (Приложение. Рисунок №11).

Третий этап: Титруем полученный раствор 1 М НCl с добавлением трех капель спиртового раствора фенолфталеина.

Титрование ведем с помощью магнитной мешалки до полного исчезновения розового цвета, чтобы он не возвращался в течение 7 минут (Приложение. Рисунок №12).

Четвертый этап: Расчет экспериментальных данных (Приложение. Рисунок №13) проводим по формуле:

А= VT*100/Q(100-w)

Т- титр указан на этикетке

V - объём соляной кислоты 1 М, пошедший на титр, мл

Q –масса извести

А- содержание активных окисей кальция, %

A= 8,9*0,028018100/1,0355 = 24,07 %

24,07 % окисей CaO в данном продукте.

4. Заключение

Из данных эксперимента можно сделать вывод, активный выход кальция больше в техническом меле, полученном из фосфогипса, чем в природных аналогах. В молотом известняке после 2 часов прокаливания содержание СаО составляет 95,9%, а в техническом меле на основе фосфогипса содержание СаО составляет 98,2%.

Полезное использование фосфогипса позволяет не только освободить часть площадей объектов размещения, но и предотвратить загрязнение атмосферного воздуха, почв и водоносных горизонтов.

V. Список используемой литературы:

1. Апатитовый и нефелиновый концентрат: минеральная база, перспективы [Электронный ресурс]. URL: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=2410. (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

2. Ахмедов, М. А. Фосфогипс. Исследование и применение  / М. А. Ахмедов, Т. А. Атакузиев.  — Ташкент : «Фан» УзССР, 1980. — 172 с.

3. Бутт, Ю.М. Химическая технология вяжущих материалов: учебник / Ю.М. Бутт, М.М. Сычев, В.В. Тимашев. – М.: Высшая Школа, 1980. – 472 с.

4. Дворкин Л.И., Шестаков В.Л., Ищук А.А. Комплексное использование фосфогипса в производстве цемента. [Электронный ресурс]. URL: http://www.pandia.ru/text/77/190/26841.php (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

5. Ивочкина М.А. Изучение техногенных отложений в отвалах фосфогипса при переработке исходного формирования свойств сырья различных месторождений / Инженерный вестник Дона [Электронный журнал] - 2013 г. №1. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1535 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

6. Кержнер А.М. Необходимость оптимизации нормативно-правовой базы при обращении с крупнотоннажными отходами предприятий, производящих фосфорсодержащие удобрения [Текст] / Аналитический вестник Совета Федерации ФС РФ №8 (353) 2008 г. – с. 54-63.

7. Мартынов, В.И. Минеральные вяжущие вещества: конспект лекций / В.И. Мартынов, Н.М. Долганин, Л.С. Цупикова. – 2-е изд. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2015. – 91 с.

8. Мельников Л.Ф. Органоминеральные удобрения на основе фосфогипса. [Электронный ресурс]. URL: http://ecoportal.su/view_public.php?id=2258 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

9. Мещеряков, Ю. Г. Промышленная переработка фосфогипса / Ю. Г. Мещеряков, С. В. Федоров. — СПб. : Изд-во «Стройиздат СПб», 2007. — 104 с.

10. Пьячев, В.А. Химический анализ вяжущих материалов: учебное пособие / А.М. Спиридонов. – Екатеринбург: Изд-во. ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ, 2005. – 24 с.

11. Семеняк, Г.С. Строительное материаловедение: учебное пособие для выполнения исследовательских лабораторных работ / В.В. Спасибожко, Б.Я. Трофимов, М.Д. Бутакова. – Челябинск: Изд-во. ЮУрГУ, 2007. − 248 с.

12. Справочник строителя [Электронный ресурс] // Министерство городского и сельского строительства Белорусской ССР. URL: www.bibliotekar.ru/spravochnick-104-stroymaterialy.html

13. Страхова Н.А., Лебединский П.А. Анализ энергетической эффективности экономики России / Инженерный вестник Дона [Электронный журнал] - 2012 г. №3. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/999. (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

V
I. Приложение

Рисунок №1-Известняк, мел, доломит

Рисунок № 2 – Схема образования фосфогипса при получении экстракционной фосфорной кислоты

Рисунок №3 - Схема получения из фосфогипса гипсовых вяжущих на основе β-полугидрата сульфата кальция с обжигом в барабанной печи

Рисунок №4 - Схема условий образования модификаций водного и безводного сульфата кальция

Рисунок № 5- Вещества для анализа

Таблица №1- Химический состав исследуемого сырья (ГОСТа№9179-2018)

Рисунок 6 – Взвешивание на технохимических весах технического мела

Рисунок 7 –Прокаливание технического Рисунок 8- Взвешивание на мела в муфельной печи аналитических весах навески

прокаленного технического мела

Таблица №2 -Характеристика исследуемых веществ после прокаливания

Диаграмма 1- Процентное содержание CaO при прокаливании в течение часа

Диаграмма 2- Процентное содержание СаО при прокаливании в течение 2 часов

Рисунок 9- Растворение навески в воде

Рисунок 10- Нагревание раствора технического мела

Рисунок 11- Охлаждение раствора 

Рисунок 12- Титрование раствора до комнатной температуры технического мела соляной кислотой

Рисунок 13- Математический расчет