Техногенные ванадийсодержащие отходы и возможность их утилизации

В лабораторных условиях проведено исследование возможности извлечения ванадия гидрометаллургическим способом по содовой технологии из шлака процесса ITmk3 с низким содержанием ванадия, полученного на Магнитогорском металлургическом комбинате (ОАО «ММК»), и шлака Нижнетагильского металлургического комбината (ОАО «НТМК») с более высоким содержанием ванадия. Выявлено, что с уменьшением содержания соды в шихте степень извлечения ванадия снижается. Наибольшая степень извлечения ванадия (65 % из шлака ОАО «НТМК» и 31 % из шлака процесса ITmk3) получена в результате обработки шихты с массовым соотношением шлака и соды 1: 1. Кроме того, степень извлечения ванадия из шлака процесса ITmk3 в 2–4 раза ниже, чем из шлака ОАО «НТМК», что связано с высоким содержанием SiO₂ в шлаке процесса ITmk3.

Ключевые слова: ванадийсодержащий шлак, гидрометаллургическое извлечение ванадия, степень извлечения ванадия, щелочные добавки, обжиг, выщелачивание

Проблема накопления значительных объемов техногенных отходов в промышленных регионах обостряется с каждым годом, так как это приводит к ухудшению экологической обстановки. Среди отходов металлургического производства существенна доля ванадийсодержащих отходов, которые являются токсичными и поступают в окружающую среду при переработке ванадийсодержащей руды для выплавки чугуна, а также в составе ванадийсодержащего шлака [1, 2]. Токсическое действие ванадия на живые организмы характеризуется функциональными, биохимическими и морфологическими нарушениями, его соединения тормозят синтез жирных кислот, ингибируют некоторые ферментные системы [3]. Вместе с тем, эти промышленные отходы содержат в своем составе значительное количество технически ценного элемента — ванадия, который редко встречается в виде крупных собственно ванадиевых месторождений и присутствует в рудах только в виде примеси (0,1–4,9 % V₂О₅) в магнетите и его разновидностях, ильмените и рутиле. Поэтому переработка техногенных ванадийсодержащих ресурсов имеет ряд преимуществ: расширение сырьевой базы ванадия, экономия минеральных ресурсов, улучшение экологической обстановки благодаря очищению воздушного и водного бассейнов промышленных зон, сокращению площадей под шламоотвалами с токсичными отходами [4–6].

В связи с этим, актуальным является комплексный подход к решению проблемы техногенных отходов с их максимальным вовлечением в промышленное производство и, как следствие, снижение их негативного воздействия на человека и окружающую среду. Переработка техногенных ванадийсодержащих отходов требует наличия соответствующих технологических решений. В Магнитогорском государственном техническом университете им. Г. И. Носова (ФГБОУ ВО «МГТУ им.Г. И. Носова») проведено исследование возможности утилизации отдельных видов ванадийсодержащих металлургических шлаков с разработкой единых технологических режимов их переработки.

Основной целью работы являлось извлечение ванадия из шлаков металлургического производства в виде растворимых ванадатов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– извлечение ванадия из шлаков разного химического состава с применением содовой технологии;

– изучение общих закономерностей обжига ванадийсодержащих шлаков с переводом ванадия в растворимые ванадаты;

– определение влияния различных факторов (состава шлака, состава шихты) на степень извлечения ванадия;

– сравнительный анализ степени извлечения ванадия из металлургических шлаков разного химического состава.

В исследованиях использовали образцы с шихтой, содержащей по 5 г шлака и разное количество щелочной добавки (соды Na₂CO₃): 50 %, 33 % и 20 % от общей массы шихты. Все образцы подвергали окислительному обжигу в течение 1,5 часа при разных температурах от 800 °С до 1100 °С [12–14]. Выщелачивание этой шихты проводили при температуре 65–70 °С с использованием воды в течение 2 часов. Содержание ванадия в растворе определяли методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии (РФС) на энергодисперсионном спектрометре с помощью градуировочного графика, а также титриметрическим методом с применением соли Мора [15, 16].

Проведенные эксперименты, результаты которых представлены в таблице, позволили сравнить возможность извлечения ванадия из шлаков с разным химическим составом, полученных в разных металлургических процессах [17]. При этом выявлено, что с уменьшением содержания соды в шихте степень извлечения ванадия снижается. Наибольшая степень извлечения ванадия (65 % из шлака ОАО «НТМК» и 31 % из шлаков процесса ITmk3) получена в результате обработки шихты, в которой массовое соотношение шлака и соды составляло 1: 1. Кроме того, степень извлечения ванадия из шлака процесса ITmk3 в 2–4 раза ниже, чем из шлака ОАО «НТМК».

Таблица 1

Степень извлечения ванадия из металлургических шлаков

( ̽ шл. — шлак; ̽ ̽ щ.д. — щелочная добавка — Na₂CO₃).

Полученное различие в степени извлечения ванадия из шлаков разных металлургических процессов, связано с особенностями химического состава этих шлаков. Известно, что увеличение содержания SiO₂ в шлаке приводит к значительному ухудшению результатов и уже при содержании SiO₂ 16 % степень извлечения ванадия не превышает 35 % [18]. Шлак процесса ITmk3 содержит до 26,3 % оксида кремния, поэтому можно предположить, что ванадий связан химически в стекловидной фазе, т. е. находится в нерастворимой форме, а значит, достигнутая в экспериментах с данным шлаком степень извлечения 31 % приближалась к максимально возможной.

Таким образом, проведенное исследование показало существенное влияние на вскрываемость и извлечение ванадия состава ванадийсодержащих шлаков. Низкое содержание ванадия в шлаке процесса ITmk3 при наличии значительного количества SiO₂ привело к уменьшению степени извлечения в 2–4 раза по сравнению со шлаком ОАО «НТМК». Сокращение расхода соды Na₂CO₃ в шихте также негативно отразилось на степени извлечения ванадия. Наибольшие значения ее (65 % из шлака ОАО «НТМК» и 31 % из шлаков процесса ITmk3) получены в результате обработки шихты, в которой массовое соотношение шлака и соды составляло 1: 1. Однако увеличение содержания соды Na₂CO₃ в шихте является экономически нецелесообразным, поскольку может вызвать чрезмерное загрязнение водного бассейна соединениями натрия.

Литература:

1. Никифоров Б. А., Тахаутдинов Р. С., Бигеев В. А., Бигеев А. М. Перспективы вовлечения в переработку новых видов железосодержащего сырья // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2004. № 1. С.9–11.
2. Mahdavian, A. Recovery of vanadium from Esfahan Steel Company steel slag; optimizing of roasting and leaching parameters / A. Mahdavian, A. Shafyei, E. Keshavarz Alamdari, D. F. Haghshenas // International Journal of ISSI. 2006. Vol. 3. № 2. — pp. 17–21.
3. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Утилизация техногенных отходов путем гидрометаллургической переработки // Молодой ученый. 2016. № 27 (131). С. 180–183.
4. Рабинович Е., Гринберг Е. Области применения ванадия // Национальная металлургия. 2002. № 2. С. 33–36.
5. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Шлаки процесса прямого восстановления железа как источник получения ванадия и титана // Теория и технология металлургического производства, 2015. № 2 (17). С 60–65.
6. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Извлечение ценных компонентов из шлака процесса ITmk3 // Металлургия: технологии, инновации, качество / под ред. Е. В. Протопопова. Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. Ч.1. С. 340–344.
7. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Исследование возможности извлечения ванадия из шлаков переработки титаномагнетитов // Теория и технология металлургического производства, 2013. № 1 (13). С 75–77.
8. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Сравнительный анализ возможности извлечения ценных компонентов из шлаков металлургического производства // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 74-й международной научно-технической конференции / под ред. В. М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2016. Т.1. С. 265–268.
9. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Анализ возможности извлечения титана из шлака процесса ITmk3 // Наука и образование в современном обществе: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. Смоленск: НОВАЛЕНСО, 2015. Ч.1. С. 64–65.
10. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Извлечение титана из шлака прямого восстановления титаномагнетитов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 73-й международной научно-технической конференции / под ред. В. М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2015. Т. 1. № 1. С. 255–258.
11. Чурилов А. Е., Мукаев Е. Г., Гобунова А. В., Сучкова А. Я. Способы извлечения ванадия из ванадийсодержащего сырья. // Успехи современной науки и образования. 2016. Т. 5. № 12. С. 162–164.
12. Zhang, G. Extraction of vanadium from vanadium slag by high pressure oxidative acid leaching / G. Zhang, T. Zhang, G. Lu, Y. Zhang, Y. Liu, Z. Liu // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2015. Vol. 22. № 1. — pp. 21–23.
13. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Исследование режимов обработки шлака процесса ITmk3 для извлечения ванадия // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 72-й международной научно-технической конференции / под ред. В. М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2014. Т.1. С. 279–282.
14. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Гидрометаллургический способ извлечения ванадия из шлака // Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды: сборник материалов III Всероссийской конференции с международным участием / отв. ред. К. В. Липин. Чебоксары: Изд-во «Новое время», 2013. С. 151–152.
15. Махоткина Е. С., Шубина М. В., Крылова С. А. Растворы электролитов и неэлектролитов: Учеб. пособие. М. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова,, 2012. 91 с.
16. Махоткина Е. С., Шубина М. В. Растворы: Учеб. пособие. М. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2006. 67 с.
17. Шубина М. В., Махоткина Е. С. Переработка ванадийсодержащих шлаков по содовой технологии // Молодой ученый. 2016. № 14 (118). С. 201–204.
18. Ватолин Н. А., Молева Н. Г., Волкова П. И., Сапожникова Т. В. Окисление ванадиевых шлаков. М.: «Наука», 1978. 153 с.