Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно
действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/
Поступила в редакцию 30 октября 2016 г. УДК 661.846.
Способ получения никелевого концентрата
из никелевой руды Серовского месторождения
© Молодых1+ Александр Станиславович, Вайтнер2 Виталий Владимирович,
Никоненко2 Евгения Алексеевна, Габдуллин2 Альфред Нафитович
и Катышев1* Сергей Филиппович
1 Кафедра технологии неорганических веществ. Химико-технологический институт. Уральский федеральный университет имени первого президента Ул. Мира, 27. г. Екатеринбург,
620002. Свердловская область. Россия. Тел.: (343) 375-95-73. E-mail: *****@***ru
2 Кафедра общей химии. Институт фундаментального образования. Уральский федеральный университет имени первого президента Ул. Мира, 27. г. Екатеринбург, 620002. Свердловская область. Россия. Тел.: (343) 375-45-68. *****@***ru
______________________________________________
*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку
Ключевые слова: никелевый концентрат, осаждение, лимонное число, осадитель.
Аннотация
В связи с увеличением спроса на никель возникает необходимость в разработке новых технологий извлечения никеля из бедных и труднообогатимых руд. Целью настоящей работы является получение из никелевой руды Серовского месторождения концентрата с высоким содержанием никеля. Согласно данным химического и рентгенофазового анализов руда является высококремнистым магнезиальным сырьем, в составе которого присутствуют минералы лизардит, нимит, тальк. При вскрытии руды азотной кислотой в раствор переходят ионы никеля (II), железа (III), алюминия и магния. Для раздельного осаждения из азотнокислых растворов ионов железа (III) и никеля (II) использован щелочной осадитель (суспензия оксида магния в водном растворе нитрата магния) не загрязняющий конечный раствор посторонними ионами. Активность осадителя приготовленного разными способами (добавление нитрата магния, ультразвуковое диспергирование) определяли по лимонному числу. Высокая активность осадителя достигается комбинацией 2 способах: добавлением в суспензию нитрата магния и обработкой в поле ультразвука. При диспергировании размер твердых частиц оксида магния уменьшается в результате увеличивается его растворимость и возрастает количество гидроксид ионов. В результате в качестве осадителя использовали суспензию оксида магния в нитратном растворе, обработанного в поле ультразвука. Осаждение никелевого концентра проводили в 2 стадии при рН 7-8. Для определения химического и фазового состава применяли следующие современные методы анализа: энергодисперсионный, рентгеннофлуоресцентный, спектральный, рентгенофазовый и электронной микроскопии. Содержание оксида никеля в концентрате составило 39%. Согласно рентгенофазового анализа в нем содержится оксид никеля (II), оксид алюминия и смесь оксидов никеля и марганца. Микрофотографии показали не однородность концентрата. На поверхности частиц присутствуют мелко кристаллические образования. Согласно составу полученный концентрат может быть использован в качестве добавки к сырью для получения никеля, для переработки электролизом раствора, сорбции или жидкостной экстракции.
Введение
В настоящие время в связи с истощением богатых месторождений более значимым является освоение бедных и труднообогатимых руд. Использование обедненных руд требует применения сложных технологий. С количественным ростом потребления полезных иско-паемых возникают качественно новые технологические проблемы: создание эффективных и высокопроизводительных процессов; освоение развитых схем переработки, обеспечивающих комплексное извлечение из руды всех ценных компонентов.
В связи с увеличением потребления никеля, возникает необходимость поиска новых месторождений сырья. Одним из них являются никелевые руды – руды вторичного проис-хождения, образованные в результате выветривания ультраосновных серпентинитовых пород. Из-за высокого содержания оксида магния никелевые руды Урала непригодны для метал-лургии никеля. В связи с этим необходимо было разработать другой способ извлечения никеля из руды.
Экспериментальная часть
В качестве сырья использовали руду Серовского месторождения. Химический анализ проводили с помощью рентгено-флуоресцентного спектрометра NITON XLt 800. Руда имеет следующий хими-ческий состав (% масс.): SiO2 42.7-43.89; МgО 13.73-34.1; FeО 14.8-31.32; Сг2О3 0.17-1.82; NiО 2.39-2.44; МnО 0.01-0.47; Аl2О3 4.10-4.91; СаО 0.22-0.34; п. п.п. 0.92-1.71.
Для определения минералогического состава применяли метод рентгенофазового анализа. Дифрактограмма была получена на приборе STADI-P (STOE, Germany) в CuКα-излучении и интервале углов 2и от 2° до 70° при шаге 0.03° при комнатной температуре. В качестве внешнего стандарта использовали поликристаллический кремний (а = 5.43075(5) Е). Фазовая чистота образца проверялась путем сравнения рентгенограммы с данными картотек порошкограмм PDF2 (Powderdiffractionfile, ICDD, США). Минералогический состав руды представлен в табл. 1. Основными минералами в руде являются лизардит, нимит, тальк.
При переработке никелевой руды Серовского месторождения азотнокислотным способом образуется нитратный раствор, содержащий ионы Ni2+, Fe3+, Al3+, Mg2+ и другие [1, 2]. Для получения никелевого концентрата необходимо было произвести дробное осаждение присутствующих в растворе указанных выше ионов металлов. В качестве осадителя использовали оксид магния [3]. Его суспензию готовили следующим образом: прокаленный при 600 °С оксид магния смешивали с водой в мольном соотношении 1:20 и подвергали ультразвуковому диспергированию в течении 7.5 минут. Затем в суспензию добавлялинитрат магния (MgO:Mg(NO3)2 = 1:1). Приготовленный таким образом осадитель использовался для дробного выделения ионов Ni2+, Fe3+.
Табл. 1. Минералогический состав никелевой руды Серовского
месторождения согласно результатам рентгенофазового анализа
Минерал | Формула | m, % масс. |
Нимит | (Ni, Mg, Al)6( Si, Al)4О10(OH)8 | 23 |
Антигорит | Mg3(Si2O5)(OH)4 | 8 |
Тальк | (Ni, Mg)3Si4O10(OH)2 | 15 |
б-кварц | SiO2 | 6 |
Лизардит-1Т | (Mg, Al)3[(Si, Fe)2О5](OH)4 | 48 |
Качество продуктов зависит от количества введенного осадителя в нитратный раствор. Избыток приводит к неполному растворению оксида магния и загрязнению им осадка Ni(OH)2, а недостаток – к не полному извлечению никеля в виде осадка и загрязнению его ионами раствора нитрата магния.
Исходя из значений произведений растворимости Mg(OH)2 и Ni(OH)2[4], можно полагать, что равновесие реакции (1) будет смещено вправо:
Ni2+ + Mg(OH)2 → Ni(OH)2↓ + Mg2+ (1)
, 
(2)
Поскольку все попытки осадить Ni(OH)2 приводили к загрязнению его оксидом магния, был использован двухстадийный метод осаждения [5]. Сначала вводили необходимое количество суспензии MgO. Процесс осаждения проводили при температуре кипения раствора (105-108 °С) с перемешива-нием в течение одного часа. Полученную смесь фильтровали. Осадок использовали для выделения гидроксида никеля(II) из новой порции раствора. Таким образом, избыток оксида магния снова участ-вовал в процессе осаждения, а частицы гидроксида никеля(II) выступали в роли центров кристалли-зации.
Результаты и их обсуждение
Активность осадителя, приготовленного разными способами, определяли по лимонному числу (табл. 2) [6].
Определение активности не прокалённого чистого оксида магния показало, что идет медленное взаимодействие с лимонной кислотой в течение 67 с. Прокалка образца в печи нагретой до 600 °С в течение одного часа позволила сократить время взаимодействия с лимонной кислотой на 9 с (табл. 1). Полученный результат можно объяснить тем, что при температуре 600 °С происходит термическое разложение карбоната магния, образующегося при хранении образца на воздухе:
MgCO3 →MgO + CO2 (3)
Растворимость оксида магния в 100 мл воды составляет 0.86 г, а карбоната магния 1.2·10-3 г, соответственно.
Табл. 2. Активности различных образцов оксида магния по лимонному числу
п/п | Осадитель | Время диспергирования ф, мин | Лимонное число время, с |
1 | MgO без прокалки | – | 67 |
2 | MgO прокаленный | – | 58 |
3 | MgO прокаленный и добавленный в раствор Mg(NO3)2 | – | 40 |
4 | MgO прокаленный | 1 | 51 |
2.5 | 28 | ||
5 | 16 | ||
7.5 | 12 | ||
10 | 12 | ||
5 | MgO прокаленный и добавленный в раствор Mg(NO3)2 | 7.5 | 11 |
При растворении оксида магния в растворе нитрата магния равновесие в системе
2MgO + Mg(NO3)2⋅6H2O + 2H2O ↔ 2Mg(OН)2⋅Mg(NO3)2⋅6H2O (4)
смещается в сторону увеличения количества гидроксид-ионов в растворе.
В результате использования осадителя MgO без диспергирования время реакции сни-зилось до 40 с.
Наилучший результат получен при диспергировании осадителя (прокаленный MgO добавлен в раствор Mg(NO3)2). В данном случае лимонное число уменьшилось до 12-11 с. По-видимому, при диспергировании размер твердых частиц оксида магния уменьшается, что приводит к увеличению растворимости MgO и возрастанию количество гидроксид-ионов.
С учетом полученных данных в качестве осадителя использовали суспензию оксида магния в растворе нитрата магния, обработанную ультразвуком (табл. 2, п.5).
Результаты химического анализа никелевого концентрата, полученного в результате осаждения, приведены в табл. 3.
Табл. 3. Химический состав никелевого концентрата
Определяемый оксид элемента | Содержание, % масс. | |
после первой стадии | после второй стадии | |
Al2O3 | 20.20 | 35.65 |
FeO | 0.05 | 0.08 |
MgO | 58.22 | 16.56 |
Cr2O3 | 0.40 | 1.51 |
NiO | 17.81 | 39.37 |
Прочие компоненты | 3.32 | 6.83 |
|
Рис. 1. Рентгенограмма и штрих рентгенограммы никелевого концентрата |
Согласно представленным данным содержание оксида никеля(II) в концентрате состав-ляет более 39%. Рентгенофазовый анализ (рис. 1) показал, что кроме NiO, в концентрате присутствуют Al2O3 и смешанный никель-марганцовый оксид.
Микрофотографии никелевого концентрата представлены на рис. 2. Концентрат состоит из агломератов с размером 142‑514 мкм (рис. 2а).
|
|
а) | б) |
| |
в) | |
Рис. 2. Микрофотографии никелевого концентрата при увеличении: а) в 100 раз; б) в 700 раз; в) 1500 раз |
На микрофотографии (рис. 2б) видно, что частицы неоднородны. Они состоят в основном из NiO (39%) и Al2O3 (35.65%). На их поверхности четко просматриваются мелкокристаллические образования.
Увеличение в 1500 раз (рис. 2в) дало возможность наблюдать структуру типа «жеоды», которая может образоваться за счет выделения газообразных паров воды при прокаливании образца смеси гидроксидов металлов Ni(II), Al, Mg. На поверхности жеоды присутствуют мелкокристаллические частицы размером 3-7 мкм.
Полученный материал, согласно составу, можно рекомендовать на предприятия цветной металлургии в качестве добавки к сырью для получения никеля. Данный концентрат может быть подвергнут переработке известными способами (электролиз, жидкостная экстракция и сорбция и другие).
Выводы
Проведенные исследования показали, что наиболее эффективным щелочным осадителем при комплексной переработки никелевой руды нитратным способом является суспензия оксида магния, обработанная ультразвуком, с добавлением в нее нитрата магния. Осаждение никелевого концентрата проводилось при рН 7-8. В результате получен нике-левый концентрат с содержанием оксида никеля 39.37% (по сравнению с 2.4% в никелевой руде).Литература
Пат. № 000 Способ переработки окисленных никелевых руд. , , заявка № 000 приор. изобр. 23.04.2013. опубл. 12.09.2014. , , Калиниченко азотнокислотная переработка окисленных никелевых руд и серпентинита – отхода производства асбеста сборник докладов международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии». Липецк: Издательский центр "Де-факто". 2010. Т.2. С.86-89. , , Ткачева активации щелочного осадителя – оксида магния. Вестник технологического университета. Казань. 2016. Т.19. №10. С.29-33. Справочник химика: в 5 т. Т3. редкол.: (гл. ред.) [и др.]. Л.: Химия. 1966. 1088с. , Бурмистров кинетических параметров процесса очистки раствора от примесей кобальта и никеля металлическим цинком. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.33. №2 С.55. ROI: jbc-01/13-33-2-55 Методика определения активности по лимонному числу. М.: Изд-во литературы по строительству. 1995. 12с.In the English version of this article, the Reference Object Identifier – ROI: jbc-02/16-47-8-
A method of producing nickel concentrate
from Serov’s nickel ore deposit
© Alexander S. Molodykh,1+ Vitaly V. Vaitner,2 Evgenia A. Nikonenko,2
Alfred N. Gabdullin,2 and Sergey F. Katyshev1*
1 Department of Technology of Inorganic Substances. Institute of Chemical Technology.
Ural Federal University Named After the First President of Russia Yeltsin B. N. Mira St., 27. Yekaterinburg, 620002. Sverdlovsk Region. Russia. Phone: +7 (343) 375-95-73. E-mail *****@***ru
2 Department of General Chemistry. Institute of Basic Education. Ural Federal University Named After the First President Yeltsin B. N. Mira St., 27. Yekaterinburg, 620002. Sverdlovsk Region. Russia.
Phone: +7 (343) 375-45-68. E-mail *****@***ru
___________________________________
*Supervising author; +Corresponding author
Keywords: nickel concentrate, precipitation, lemon number, precipitator.
Abstract
Due to the increasing demand for nickel is necessary to develop new technologies for extraction of nickel from poor and refractory ores. The purpose of this paper is to obtain a nickel ore deposits Serov concentrate with a high content of nickel. According to chemical and X-ray analysis it is a high-silicon ore magnesia raw material, which included present minerals lizardite, Nimit, talc. At autopsy nickel ore with nitric acid ions pass into the solution nickel (II), iron (III), aluminum and magnesium. For the separate deposition of nitric acid solutions of iron ion (III) and nickel (II) used in the alkaline precipitant (suspension of magnesium oxide in an aqueous magnesium nitrate solution) does not pollute the final solution by extraneous ions. Activity precipitant prepared by different methods (addition of magnesium nitrate, ultrasonic dispersion) was determined according to the number of lemon. High precipitant activity achieved a combination of two ways: by adding to a suspension of magnesium nitrate and treatment in the ultrasound field. When the size dispersion of solid particles of magnesium oxide is reduced thereby increasing its solubility and the amount of hydroxide ions is increased. The result was used as a precipitant in suspension magnesia nitrate solution, treated in an ultrasound field. Deposition of the nickel concentration was carried out in two stages at a pH of 7-8. To determine chemical and phase composition used the following modern methods of analysis: energy dispersive, X-ray fluorescent, spectral, powder x-ray diffraction and electron microscopy. Nickel oxide content in the concentrate was 39%. According to X-ray analysis it contained nickel oxide (II), oxide of alumina and mixture nickel oxide and manganese. The micrographs showed no uniformity concentrate. On the surface, the particles are present finely crystalline formations. According to the composition of the concentrate it may be used as an additive to raw materials for nickel, electrolytic processing solution, adsorption or liquid extraction.
