thu hồi đất hiếm từ bã thải quặng titan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC o0o Tiểu luận mơn học HĨA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẤT HIẾM Đề tài: “Thu hồi đất từ bã thải quặng titan” SVTH : Phan Thị Thu Uyên MSSSV : 20154309 Lớp : Kỹ thuật hóa học 02 GVHD : TS Bùi Thị Vân Anh Hà Nội - 2019 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm phân loại nguyên tố 1.1.1 Khái niệm nguyên tố 1.1.2 Sự phân loại nguyên tố 1.2.1 Nhóm kim loại nhẹ 1.1.2.2 Nhóm kim loại khó nóng chảy (các nguyên tố nặng) 1.1.2.3 Nhóm kim loại vi lượng (các nguyên tố phân tán) 1.1.2.4 Nhóm nguyên tố đất 1.1.2.5 Các nguyên tố phóng xạ 1.1.2.6 Nhóm kim khí trơ 1.1.3 Tính chất lý hóa học nguyên tố đất 1.1.4 1.2 Ứng dụng nguyên tố đất Ilmenite 10 CHƯƠNG QUY TRÌNH THU HỒI 12 2.1 Thu hồi đất từ bã thải quặng titaniferous alumin,KOH 12 2.1.1 Tách từ tính quặng ilmenit 12 2.1.2 Q trình nung oxy hóa alumin,KOH 13 2.1.3 Giai đoạn hòa tan thu hồi đất 14 2.2 Thu hồi đất từ bã thải quặng titaniferous alumin, so đa 17 KẾT LUẬN 20 MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ, nguyên tố đất (NTĐH) hợp chất chúng ngày khẳng định vị trí quan trọng lĩnh vực khoa học, đời sống ngành kinh tế quốc dân Nhờ tính chất đặc biệt, NTĐH ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: công nghiệp điện tử, chế tạo vật liệu mới, công nghệ thủy tinh, cơng nghệ hóa dầu, cơng nghệ luyện kim, tổng hợp hữu cơ, nông nghiệp, chăn nuôi, y học, bảo vệ mơi trường, v.v Các NTĐH ngồi góp phần làm đa dạng sản phẩm, có mặt chúng có tác dụng nâng cao chất lượng hiệu sử dụng Do đó, việc khai thác, chế biến, phân chia làm giàu NTĐH để ứng dụng thực tế nhu cầu thiếu Với việc ứng dụng NTĐH phổ biến ngành khoa học kỹ thuật, kinh tế quốc dân, nhu cầu NTĐH ngày tăng Trong NTĐH có tự nhiên phân tán Để đáp ứng nhu cầu NTĐH, việc nghiên cứu thu hồi NTĐH từ bã quặng titan vấn đề quan trọng nhà khoa học quan tâm SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm phân loại nguyên tố 1.1.1 Khái niệm nguyên tố Các nguyên tố nguyên tố có trữ lượng lòng đất nhỏ có trữ lượng lớn độ tập trung mỏ khai thác thấp thường bị lẫn tạp chất khó tách rời Các nguyên tố có tính chất hóa học, lý học đặc trưng thường làm cho việc chuyển từ quặng thành nguyên tố tinh khiết gặp nhiều khó khăn Chính mà khả sử dụng nguyên tố hạn chế Nguyên tố nguyên tố có số crark thấp Chỉ số crark khối lượng nguyên tố vỏ trái đất Các nguyên tố có giá trị crark nhỏ 0,01% Nhưng có nguyên tố có số crark nhỏ 0,01% lại không gọi nguyên tố Au, Ag Ngược lại có nguyên tố có số crark > 0,01% lại gọi nguyên tố vanadi Trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật ngày người ta dùng nhiều số nguyên tố chưa thông dụng gọi nguyên tố Việc sử dụng nguyên tố tạo bước tiến lớn lao nghiên cứu khoa học nhiều ngành kỹ thuật đại, tiến không ngừng phát triển với tốc độ ngày lớn Tuy nhiên chưa có tổng kết tồn cơng trình nghiên cứu phương pháp điều chế ứng dụng nguyên tố Quặng nguyên tố Việt Nam chưa thăm dò hết, việc sử dụng nguyên tố theo hướng đại chưa phát triển, công tác nghiên cứu để đưa vào ứng dụng bắt đầu Các phương pháp điều chế nguyên tố nói chung phức tạp nhiều khơng thể so sánh với phương pháp điều chế nguyên tố thơng dụng trước hết phải nắm phương pháp tách nguyên tố cần điều chế khỏi SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang ngun tố khác có tính chất hóa học tương tự có lẫn quặng Các phương pháp tách phải dựa theo kiến thức hóa học, vật lý số ngành khoa học ứng dụng khác Ngồi vấn đề ra, phương pháp tách khơng theo quy trình cho sẵn mà phải tự nghiên cứu để sáng tạo phương pháp, nhiều nước công nghiệp phát triển tập trung chuyên gia tiền để nghiên cứu phục vụ cho nhu cầu họ Các nguyên tố không thành lập thành nhóm riêng nguyên tố đất Đặt tên nguyên tố quy ước sở nguyên tố có tự nhiên việc khai thác ứng dụng kỹ thuật có vị trí đặc biệt mà ngun tố khó điều chế dạng tinh khiết, trước hết có lực đặc biệt với bầu khí thứ hai có lẫn nguyên tố hồn tồn khơng dùng khoa học kỹ thuật, ngày nhiều nguyên tố sử dụng phổ biến kỹ thuật Một loạt ngành khoa học, kỹ thuật đại hoạt động khơng có ngun tố Như vậy, từ gọi tùy theo thời điểm thay đổi Ví dụ nhơm trước điều chế đắt tiền lúc người ta chưa sản xuất lớn nguyên tố dạng tinh khiết, nguyên tố Ngày nhôm trở thành nguyên tố phổ biến Như hiểu khái niệm “hiếm” theo phát triển có tính chất lịch sử theo mức độ sử dụng nguyên tố giới Một ví dụ khác: khơng cho vàng nguyên tố prazeodim trữ lượng đất nhiều vàng gấp 1000 lần lại coi nguyên tố Tóm lại nguyên tố gọi gồm nguyên nhân sau: - Trữ lượng lòng trái đất ít, thường < 0,01% - Tổng trữ lượng có lòng trái đất độ tập trung mỏ khai thác thấp thường có lần nhiều tạp chất khơng có giá trị gì, có nghĩa khơng có mỏ có trữ lượng đủ để khai thác lớn SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang - Có tính chất hóa học vật lý làm cho việc chuyển từ quặng sang nguyên tố khó khan Khả sử dụng hạn chế có trữ lượng tương đối lớn có nguyên tố khác thay với giá trị tương tự khai thác thuận lợi nhiều 1.1.2 Sự phân loại nguyên tố Sự phân loại ngun tố dựa theo: - Tính chất hóa học - Cấu trúc electron - Sự phân loại theo nhóm HTTH Trong ba cách phân loại nguyên tố theo nhóm HTTH có ý nghĩa tính chất hóa học, lý học với tính chất làm tồn đặc điểm quan trọng quặng quy trình kỹ thuật điều chế nguyê tố có liên quan chặt chẽ với vị trí nguyên tố bảng HTTH Bảng 1: phân loại dựa theo tính chất với phân hiệu kỹ thuật 1.2.1 Nhóm kim loại nhẹ Gồm nhóm I II HTTH trừ Ra đồng vị phóng xạ, gồm Li, Rb, Cs Be Nhưng nguyên tố có tỷ khối nhỏ, có nhiệt đọ nóng chảy (t0nc) nhiệt độ sơi (t0s) thấp, phần lớn ngun tố nhẹ có hoạt tính hóa học cao, oxy hóa khử thấp Điều chế kim loại chủ yếu điện phân muối nóng chảy SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang 1.1.2.2 Nhóm kim loại khó nóng chảy (các nguyên tố nặng) Gồm nguyên tố chuyển tiếp nhóm IV, V, VI, VII:  Nhóm IV: 22Ti, 40Zr,  Nhóm V: 23V, 41Nb, 72Hf 73Ta  Nhóm VI: 75Re  Nhóm VII: 42Mo, 74W Các nguyên tố nặng có khối lượng phân tử lớn, nhiệt độ nóng chảy (t0nc) nhiệt đội sơi (t0s) cao , t0nc ~16600 ÷ 34000 Ngun tố nặng nguyên tố chuyển tiếp, kim loại hoạt động hóa học, có tính chịu nhiệt, tính chống rỉ cao, chúng dùng để chế tạo hợp kim, thép đặc biệt Các oxit nguyên tố nặng dạng cấu trúc bền, nên khó điều chế kim loại từ oxit Phương pháp điều chế là: dùng H khử oxit chúng nhiệt độ cao 1.1.2.3 Nhóm kim loại vi lượng (các nguyên tố phân tán) Gồm nguyên tố:  31Ga, 49In, 81Tl (nhóm IIIA)  32Ge (nhóm IVA)  34Se, 52Te (nhóm VIA) Các nguyên tố không tồn riêng, số crark thấp, nguyên tố phân bố tản mạn vỏ trái đất, phân tán lẫn quặng khác Điều chế điện phân muối nóng chảy Ví dụ: Ga có lần Boxit, quặng sắt hay với In, Ge Ga có lần than đá SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang 1.1.2.4 Nhóm nguyên tố đất Các nguyên tố đất gồm nguyên tố dãy Lantanit (58Ce – 4Lu) nguyên tố 21Sc, 39Y 58La 1.1.2.5 Các nguyên tố phóng xạ Gồm: Ac nhóm Actinit, Po, Ra… Các nguyên tố phóng xạ nguyên tố có chu kỳ bán hủy nhỏ, thành phần khống thay đổi tự nhiên Cụ thể nguyên tố gồm kim loại phóng xạ tự nhiên Uran, Thori, Radi, Polini loại phóng xạ nhân tạo Plutoni ngun tố siêu uran khác…Tính phóng xạ định phương pháp điều chế ứng dụng nguyên tố 1.1.2.6 Nhóm kim khí trơ Gồm nguyên tố : - Nhóm khí hiếm: Se, Te - Nhóm khí trơ hiếm: Kr, Xe, Rn Dựa vào cấu trúc lớp vỏ điện tử ta có nguyên tố từ đơn giản đến phức tạp là: - Các nguyên tố s (các nguyên tố nhẹ) - Các nguyên tố p ( nguyên tố phân tán) - Các nguyeenn tố d ( nguyên tố nặng – khó nóng chảy) - Các nguyên tố f : Là nguyên tố mà electron hóa trị điền vào phân lớp 4f 5f: - La (58Ce – 4Lu) - Ac (90Th – 103Lr) SVTH: Phan Thị Thu Un_20154309 Trang 1.1.3 Tính chất lý hóa học nguyên tố đất - Tính chất vật lý: Các nguyên tố đất dạng nguyên tố đơn chất kim loại màu trắng bạc (riêng Pr Nd màu vàng nhạt), tương đối mềm, độ cứng tăng theo số hiệu nguyên tử Ở dạng bột, chúng có màu từ xám đến đen Đa số kết tinh dạng tinh thể lập phương Tất kim loại khó nóng chảy sơi Bảng Một số tính chất vật lý nguyên tố đất Các lantanoit giòn, có độ dẫn điện cao (tương đương thủy ngân), tạo hợp kim với nhiều kim loại, thường dùng them vào số hợp kim Các nguyên tố đất có từ tính mạnh Samari kim loại có từ tính mạnh obitan 4f ngun tử có electron độc thân Nhiều hợp chất nguyên tố đất phát huỳnh quang tác dụng tia cực tím - Tính chất hóa học: Các nguyên tố đát kim loại hoạt động mạnh, kim loại kiềm, kiềm thổ Các nguyên tố nhóm Ceri hoạt động mạnh nguyên tố nhóm Ytri SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang Trong khơng khí ẩm, kim loại bị mờ đục nhanh chóng bị phủ màng cacbonat bazo tạo nên tác dụng với nước khí cacbonic Ở 200-4000C, lantanoit cháy khơng khí tạo thành oxit nitrua Ceri vào lantanoit khác có tính tự cháy Tác dụng với halogen nhiệt độ không cao, tác dụng với N2, S, C, Si, P H2 đun nóng Tác dụng chậm với nước nguội, nhanh với nước nóng giải phóng khí hidro, tan dễ dàng axit trừ HF, H3PO4 Không tan kiềm kể đun nóng Có tính khử mạnh, nhiệt độ cao khử oxit nhiều kim loại Sắt, Mangan… Kim loại Ceri nhiệt độ cao khử CO, CO2 C 1.1.4 Ứng dụng nguyên tố đất Các sản phẩm đất sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp, nông nghiệp, y học,… Những lĩnh vực sử dụng nguyên tố đất hỗn hợp chúng tóm tắt bảng Bảng Lĩnh vực sử dụng nguyên tố đất hỗn hợp TT Tên Ký hiệu Lĩnh vực sử dụng Chất xúc tác; gốm, sứ; kính; hợp kim kim loại đất sử dụng không cho đá đánh Ceri Ce lửa bật lửa mà sử dụng, có lẽ quan trọng hơn, thép lọc loại bỏ oxy sulfur; chất huỳnh quang bột đánh bóng Dysprosi Dy Erbi Er SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Gốm, sứ; chất huỳnh quang ứng dụng hạt nhân; nam chân vĩnh cửu Gốm, sứ; thuốc nhuộm kính; sợi quang học; ứng dụng hạt nhân laze Trang Europi Eu Gadolini Gd Holmi Ho Lantan La Luteti Lu Neodym Nd Chất huỳnh quang Gốm, sứ; kính; dò tìm trực quan hố ảnh y học quang học từ tính Gốm, sứ; ứng dụng hạt nhân laze Chất xúc tác tự động; gốm, sứ; kính; chất huỳnh quang chất nhuộm Tinh thể đơn chất phát sáng, chất xúc tác, sản xuất huỳnh quang tia X đặc biệt Chất xúc tác; máy lọc IR, laze; chất nhuộm nam châm vĩnh cửu Gốm, sứ; kính chất nhuộm; nam châm vĩnh cửu 10 Praseodym Pr 11 Promethi Pm 12 Samari Sm 13 Scandi Sc 14 Terbi Tb 15 Thuli Tm Trực quan hoá ảnh y học ống chùm điện tử 16 Ytterbi Yb Cơng nghiệp hố học nghề luyện kim 17 Yttri Y SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Chất huỳnh quang, pin hạt nhân dụng cụ đo lường thu nhỏ Bộ lọc vi ba; ứng dụng hạt nhân nam châm vĩnh cửu Không gian vũ trụ; gậy bóng chày; ứng dụng hạt nhân; chất bán dẫn chiếu sang Chất huỳnh quang; nam chân vĩnh cửu; pin nhiên liệu Tụ điện; chất huỳnh quang (ống dẫn tia catiot-CRT đèn), công nghệ rada chất siêu dẫn Trang Đất quan trọng sản xuất cơng nghệ cao ổ đĩa máy tính, điện thoại di động phụ tùng cho loại ôtô lai (hybrid), có mặt loại thiết bị quốc phòng đại hệ thống rada quân hay điều khiển tên lửa, xe tăng chiến đấu Các nhà phân tích nói khơng có kim loại này, nhiều kinh tế đại không vận hành Kim loại ĐH phần khơng thể thiếu cơng nghệ mà giới trị giới dựa vào nhằm tránh tác hại tồi tệ tình trạng Trái đất nóng lên Trên thực tế ĐH sử dụng nhiều vật dụng hàng ngày, chúng có mặt hầu khắp gia đình Cụ thể: Cerium chất mài mòn dùng để sản xuất tivi hình phẳng; Neodymium dùng sản xuất ổ cứng máy tính Nhiều nguyên tố khác tham gia vào thành phần thiết bị đại, tinh xảo ô tô, máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, điện thoại di động Bởi vậy, nguồn ĐH bị lũng đoạn, hãng sản xuất lớn giới vấp phải vấn đề nghiêm trọng khiến cho giá nhiều mặt hàng dân dụng tăng cao Có nhà khoa học cho rằng, khơng có ĐH, kinh tế đại ngừng hoạt động 1.2 Ilmenite Ilmenite khống vật titan-sắt ơxit có từ tính yếu, có màu xám thép hay đen sắt, có cơng thức hóa học FeTiO3 kết tinh theo hệ ba phương Ilmenit thường tìm thấy đá macma bị biến đổi, khống vật giả hình leucoxen Ilmenit chủ yếu dùng làm nguyên liệu thô cho sản phẩm tạo màu Titan dionit tách nghiền thành mịn chất độ trắng cao sử sụng sản phẩm sơn, giếu nhựa chất lượng cao Phần lớn titan dioxit dùng làm chất tạo màu chủ yếu tập trung Bắc Mỹ châu Âu, chiếm đến 50% nhu cầu giới Nhu cầu Indo-Chinese tăng nhanh chóng vượt qua lượng tiêu thụ phương Tây SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang 10 Tiêu thụ giới tăng khoảng 5% đến 8% năm, với tốc độ tăng trưởng mạnh mẽ tập trung vào kinh tế châu Á Nhu cầu giới năm 2004 335.000 TiO2, tương đương 2,4 triệu ilmenit Bảng 4: Thành phần quặng ilmenit: Ilmenit chuyển thành titan dioxit quy trình xử lý sulfat clorua Hai chất thải tạo chất thải độc hại dạng clorua sắt, sắt sunphat gangue đất Bã thải trình đem xử lý thu hồi đất có hỗn hợp Một số lới đất có bã thải quặng titan là: - Lanthanum - Xeri - Thorium - Praseođym - Và số loại đất khác SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang 11 CHƯƠNG QUY TRÌNH THU HỒI Thu hồi đất từ bã thải quặng titaniferous thực cách nung quặng với kiềm sau q trình lọc nước giúp giải phóng 80% oxit đất khỏi ma trận khoáng sản 2.1 Thu hồi đất từ bã thải quặng titaniferous alumin,KOH Bã quặng ilmenit Thiết bị tách từ tính Ilmenit từ tính Ilmenit khơng từ tính +alumin,KOH Nung 773°𝐶 Hồ tan Oxit đất Hình Quá trình nung bã quặng ilmenit với alumin,KOH 2.1.1 Tách từ tính quặng ilmenit Quá trình thực Bomar ilmenite Bomar ilmenit bị tách từ trường từ 5.000-10.000G dẫn đến hai phần: 53% quặng từ tính 33% khơng từ tính Có 14% vành đai từ tính Các phân tích hóa học SVTH: Phan Thị Thu Uyên_20154309 Trang 12 phần từ tính khơng từ tính trình bày bảng Đối với phân tích hóa học, quặng bị oxy hóa kali hydro sunfat hòa tan axit sunfuric 15% Từ ta xác định thành phần chất phần từ tính khơng từ tính Bảng 5:Thành phần hóa học phần từ tính khơng từ tính quặng ilmenit có trọng lượng phần trăm Thành phần hóa học Phần từ tính TiO2 FeO Fe2O3 Al2O3 MgO Mn3O4 CaO SiO2 P2O5 Cr2O3 CeO2 La2O3 LOI 1100oC 61 28.4 8.4 0.5 0.2 0.2 0.1 1.2 0.7 0.2 0.2 0.0 1.05 Phần khơng từ tính 75.6