Сырье для промышленности неорганического синтеза
Промышленность неорганического синтеза использует, в основном, минеральные виды сырья рудного и нерудного типа. Переработка такого вида сырья начинается с обогащения. Обогащение – это совокупность физических и физико-химических методов повышения содержания основного компонента. При этом нужный минерал получают в виде концентрата, а примеси и пустую породу - в виде отхода («хвостов»). В тех случаях, когда в сырье содержится несколько полезных составляющих, его делят на отдельные части (фракции), обогащенные тем или иным компонентом.
Методы обогащения сырья зависят от его фазового состояния. Для твердого сырья используют следующие методы:
- гравитационное обогащение, основанное на различие скорости осаждения частиц в жидкости или газе в зависимости от плотности или размера этих частиц. Осаждение в жидкости (чаще всего в воде) называют мокрым обогащением, в газе (чаще всего в воздухе) – сухим гравитационным обогащением. Мокрое обогащение осуществляют в классификаторах, сухое – в воздушных сепараторах различного устройства.
- рассеивание (грохочение), основанное на различной прочности отдельных компонентов сырья, вследствие чего при дроблении они дают частицы разного размера. Измельченное сырье просеивают через сита с отверстиями разного размера.
- флотация, основанная на различной смачиваемости частиц отдельных минералов водой. Несмачиваемые частицы остаются на поверхности, смачиваемые – опускаются на дно аппарата. Для усиления разницы в смачиваемости применяют флотореагенты – вещества, уменьшающие (олеиновая кислота, нафтеновые кислоты и др,) или увеличивающие (щелочи, соли щелочных металлов и др.) смачиваемость.
- магнитная сепарация – отделение магнитовосприимчивых материалов от немагнитных.
- электростатическое обогащение (сухое и мокрое), основанное на разнице электропроводности различных компонентов сырья.
- термическое обогащение, основанное на разности температур плавления или возгонки.
- химическое обогащение, основанное на разном отношении к химическим реагентам.
Жидкое сырье концентрируют
- упариванием растворителя;
- вымораживанием;
- выделением примесей в осадок;
- выделением примесей в газовую фазу.
Газовые смеси разделяют на компоненты
- последовательной конденсацией, то есть, переводя их в жидкое состояние при постепенном понижении температуры и сжатии;
- последовательным испарением, когда газовую смесь сначала полностью конденсируют, а затем, постепенно повышая температуру, переводят отдельные компоненты смеси в газовое состояние;
- поглощением отдельных компонентов смеси жидкостью (абсорбцией) или твердыми веществами (адсорбцией) с последующим выделением их из сорбентов в концентрированном виде.
Воздух
Воздух в химической технологии используется в качестве:
- сырья в процессах окисления, при получении кислорода, азота, благородных газов;
- окислителя при получении тепловой энергии (сжигании топлива);
- теплоносителя и хладоагента;
- для перемешивания и распыления жидкостей.
Степень и способ очистки воздуха зависит от характера его применения. Обычно его очищают от пыли и влаги, а при использовании воздуха в качестве сырья – от контактных ядов.
Вода
Современная химическая промышленность является крупнейшим потребителем воды. По объему водопотребления химический завод средней мощности может быть приравнен к городу с 800 тысячным населением, т.е. 10-20 млн. м3 в год.
Вода используется как:
- реагент (в процессах гидратации, гидролиза, в производстве Н2 и др.);
- промывной агент;
- растворитель;
- разбавитель (в процессах пиролиза, крекинга, дегидрирования и др.);
- теплоноситель (перегретая вода, водяной пар, хладоагент).
Вода является самым распространенным на Земле соединением. Но запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 0,3% объема гидросферы. Все природные воды обычно подразделяют на атмосферные, поверхностные и подземные.
Атмосферные воды выпадают на землю в виде дождя и снега. Они содержат наименьшее количество примесей. В основном, это растворенные газы (кислород, углекислый газ, азот и др.), соли, бактерии. Атмосферные воды используются как источник водоснабжения только в безводных и засушливых районах.
Поверхностные воды – это воды открытых водоемов : рек, озер, морей. В состав этих вод входят разнообразные минеральные и органические вещества.
Подземные воды – воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров. Они характеризуются значительным содержанием минеральных солей.
В зависимости от солесодержания природные воды подразделяют на:
- пресные (до 1 г/кг солей),
- солоноватые (1-10 г/кг),
- соленые (более 10 г/кг).
Природные воды представляют собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в истинно растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии.
В истинно растворенном состоянии находятся, в основном, минеральные соли, содержащие катионы Са2+, Мg2+, Na+ , К+ и анионы SO42-, CO32-, HCO3-, Cl-. В виде недиссоциированных молекул могут находиться некоторые органические соединения, а также растворенные газы (О2, СО2, Н2S и др.).
В коллоидном состоянии в воде находятся недиссоциированные и малодиссоциированные соединения алюмо- и железосиликатов, гидроксид железа, кремниевая кислота и др., различные органические соединения. Органические коллоиды состоят, в основном, из гуминовых кислот, фульвокислот, лигнина, протеина, клетчатки, различных смол и других сложных соединений.
Во взвешенном состоянии природные воды содержат глинистые, песчаные, известковые и гипсовые частицы. Они могут также содержать живые организмы в виде различных бактерий, грибков, водорослей и т.п.
В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питьевую; содержание примесей в них регламентируется соответствующими стандартами.
Пресная природная вода используется без предварительной очистки в процессах первичной обработки сырья, для охлаждения продуктов и аппаратов и для различных вспомогательных операций. Во всех остальных случаях она подвергается очистке различными методами в зависимости от характера примесей и предъявляемых требований.
Можно выделить следующие группы методов очистки воды:
- механические методы:
1) отстаивание – осаждение песка и тяжелых минеральных примесей под действием силы тяжести;
2) фильтрация (через кварцевый песок, коксовую мелочь, мраморную крошку, неактивный уголь и др.) – выделение тонкодисперсных соединений;
Особым видом фильтрации являются ультрафильтрация и обратный осмос (мембранные методы). Это наиболее современные способы очистки воды. Мембраны задерживают частицы размером 0,05-0,1 мкм, что позволяет отделить мелкодисперсные или даже растворенные частицы. Ультрафильтрация очень часто используется для разрушения эмульсий.
Мембраны могут быть уплотняющие (полимерные), жесткие (металлические, керамические, стеклянные) и динамические (получаемые путем нанесения разделяющего слоя на пористую подложку до или в процессе фильтрации). Наиболее распространены полимерные мембраны.
Ультрафильтрация и обратный осмос проводятся под давлением и отличаются друг от друга его величиной. Поскольку при обратном осмосе используются мембраны, обладающие меньшей проницаемостью для молекул растворителя, этот метод требует более высоких давлений.
- механо-химические методы:
1) коагуляция – адсорбция мелкодисперсных примесей на хлопьях коагулянта и их совместное осаждение. Для ускорения процесса к воде добавляют флокулянты (например, полиакриламид), которые способствуют слипанию и укрупнению хлопьев коагулянта. Наиболее распространенными коагулянтами являются сульфаты алюминия и железа в присутствии едкого натра или извести.
2) флотация – выделение гидрофобных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха и удаление их с поверхности воды.
- термические методы:
1) кипячение;
2) дистилляция – последовательное испарение воды с конденсацией пара;
- физические методы:
1) радиационный метод, основанный на разрушении примесей излучениями высоких энергий;
2) магнитная обработка, используемая для предотвращения образования накипи;
3) вымораживание;
4) ультрафиолетовое облучение;
5) ультразвуковая обработка.
- физико-химические методы:
1) метод ионного обмена, основанный на способности некоторых материалов, обмениваться ионами с водой. Такими материалы называют катионитами или анионитами. Катиониты отдают воде катион натрия (Na-катиониты) или катион водорода (Н-катиониты); аниониты - ОН- группу. Обмен ионов кальция и магния на Na+ или Н+ называется умягчением воды, процесс полного освобождения воды от ионов – обессоливанием.
- химические методы:
1) хлорирование;
2) озонирование;
3) насыщение ионами серебра;
4) известково-содовый метод умягчения жесткой воды;
5) фосфатный метод умягчения жесткой воды;
6) каталитическое сжигание.
Первые три метода обычно используются для обеззараживания питьевой воды; последний - для обезвреживания очень загрязненных стоков.
- биохимические методы:
1) аэробный (в присутствии кислорода)
2) анаэробный (без кислорода).
Эти методы используются для очистки стоков и основаны на способности микроорганизмов использовать в качестве источников питания неорганические и органические соединения, содержащиеся в воде.
- биогидроботанический метод
- доочистка воды в биологических прудах перед сбросом в водоемы.