ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ СУЛЬФАТИЗИРОВАННОГО СПЕКА

СПЕКАНИЕ С СОЛЯМИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Спекание и сплавление с сульфатами щелочных и щелочно­земельных металлов используют для вскрытия силикатных ли­тиевых минералов. Широкое применение получило спекание кон­центратов литиевых руд с сульфатом калия. Этот метод оди­наково хорошо применим к вскрытию как силикатных, так и фосфатных минералов. Для сподумена реакцию сульфатизации лития можно выразить уравнением

Li₂O ^. Al₂O₃ ^. 4SiO₂ + К₂SO₄ = Li₂SO₄ + К₂O ^. Al₂O₃ ^. 4SiO₂

Замещение лития с ионным радиусом 0,78Å калием с ион­ным радиусом 1,33 Å возможно только при соответствующем разрыхлении кристаллической решетки сподумена, которое про­исходит при высокой температуре. Реакция проходит через ста­дию образования b-сподумена. Следует отметить, что реакция разложения сподумена сернокислым калием обратима, и для ее практического осуществления необходим большой избыток сульфата калия. Сульфат калия частично можно заменить более дешевым сульфатом натрия.

Спекание осуществляется во вращающихся трубчатых пе­чах с внутренним нагревом за счет сжигания жидкого топлива или газа. Концентрат предварительно измельчают до 0,83 мм и смешивают с сульфатом калия. Температура процесса в за­висимости от состава концентрата меняется от 920 до 1150° С. Время пребывания материала в печи от 0,5 до 2 ч.

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ СУЛЬФАТИЗИРОВАННОГО СПЕКА

Выщелачиванием называется перевод в раствор (обычно водный) одного или нескольких компонентов твердого вещества с помощью растворителя. Образующиеся в процессе вскрытия сульфаты редких металлов выщелачиваются, как правило, во­дой. Избыток непрореагировавшей серной кислоты предотвра­щает гидролиз растворенных сульфатов. Из-за наличия избыт­ка серной кислоты в спеке аппаратура должна быть футерова­на кислотоупорными материалами.

Процесс растворения состоит в отрыве молекул от поверх­ности кристалла и переводе их в жидкую фазу в результате гидратирующего действия воды. С термодинамической точки зрения при этом происходит изменение энтальпии из-за разни­цы в значениях энергии кристаллической решетки и образую­щихся гидратов. Одновременно увеличивается энтропия вслед­ствие перехода упорядоченной структуры кристалла в беспоря­дочную структуру раствора. Вместе с тем следует отметить, что энтропия воды несколько уменьшается в результате упорядоче­ния, связанного с образованием гидратных оболочек.

Во всех случаях растворения жидкая фаза находится в дви­жении относительно твердой. Даже при отсутствии перемеши­вания, вызванного внешними причинами, происходит естествен­ная конвекция жидкости из-за разности в плотности раствора, непосредственно примыкающего к поверхности растворяемого вещества, и раствора, находящегося в глубине жидкой фазы.

Независимо от характера движения жидкости у границы раздела фаз имеется слой жидкости, создающий сопротивле­ние диффузии частиц растворяемого вещества в массу раство­ра. Поэтому скорость растворения определяется главным обра­зом диффузией:

dL/dt = ks(x_o - x), (25)

где L - количество растворяющегося вещества; t - время; k - коэффициент скорости растворения, учитывающий коэффи­циент диффузии и толщину диффузионного слоя жидкости; s - поверхность кристаллов; x_o - концентрация насыщенного веще­ства при данной температуре; х - фактическая концентрация растворяемого вещества в жидкой фазе.

Интенсивность процесса растворения зависит от поверхно­сти контакта фаз, т.е. от размера кристаллов растворяющего­ся вещества. В принципе мелкие кристаллы должны раство­ряться быстрее и потому, что в них относительно большая часть молекул или ионов, находясь на поверхности, обладает иными энергетическими параметрами.

В то же время диффузия в значительной степени опреде­ляется вязкостью, которая зависит от размеров частиц, диспер­гированных в жидкой фазе. Выщелачивание иловых пульп, на­пример, протекает медленнее, чем кристаллических.

Эффективным средством интенсификации растворения в большинстве случаев является повышение температуры. Так как растворение в основном определяется диффузией, то при повышении температуры на 10° С скорость растворения увеличива­ется в 1,5-2 раза. Повышение температуры уменьшает вяз­кость раствора и, следовательно, увеличивает промешиваемый объем жидкости. В результате толщина диффузионного слоя уменьшается. Для большинства веществ с повышением темпе­ратуры возрастает предельная растворимость, т. е. увеличива­ется движущая сила растворения x_o - x. В некоторых случаях для веществ, растворимость которых с температурой падает, на­грев может привести к замедлению процесса.

Процессы выщелачивания организуют обычно противоточным методом, при котором уходящий из аппарата нерастворен­ный остаток (шлам) встречается со свежим растворителем.

Ускорению процессов выщелачивания способствует увеличе­ние относительной, скорости движения твердой и жидкой фаз. Перемешивание выравнивает концентрацию вещества в массе раствора, уменьшает диффузионные сопротивления. Следует помнить, что при растворении вещества в аппарате с мешалкой увеличение числа ее оборотов ускоряет процесс только до опре­деленного предела.

Выщелачивание продуктов сульфатизации проводят в аппа­ратах с мешалкой, пачуках, барабанных выщелачивателях с ша­рами и т. п.