Күл және шлак қалдықтарынан метал оксидін бөлу

1.

Қазақстан Республикасы Ғылым және жоғары білім министрлігі
«Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті» КеАҚ
Жаратылыстану ғылымдар факультеті
Химия кафедрасы
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
тақырыбы: «Күл және шлак қалдықтарынан метал оксидін бөлу
әдісін әзірлеу»
Орындаған: Турарбекова А.С.
Ғылыми жетекші х.ғ.д.,ҚазЖҒА академигі: Ермагамбет Б.Т.

2.

• Өзектілігі: Соңғы онжылдықтарда отын-энергетикалық кешеннің дамуы
көмірді пайдаланумен байланысты экологиялық проблемалардың
шиеленісуіне әкелді, өйткені оны жағудан қалған қалдықтар - күл мен қож іс
жүзінде жойылмайды және күл үйінділерінде жиналады. Жалпы, жыл сайын
45-50 млн. тонна деңгейінде ұлғаюмен 1,2 млрд. тоннаға дейін күл-қож
қалдықтары жинақталған, ал күлді кәдеге жарату дәрежесі 8% - дан аспайды.
• Күл үйінділерінің жиналуы жақын жердегі және бүкіл аймақтағы
экологиялық жағдайдың нашарлауына әкеледі. Шаңдану нәтижесінде күл
бөлшектері ауаны ластайды, ал компоненттердің миграциясы топырақ пен
судың ауыр (мыс, қорғасын, кобальт, никель, мыс, марганец және т.б.) және
улы (мышьяк, сурьма, стронций, барий және т. б.) элементтердің
иондарымен ластануына әкеледі.
• Күл үйінділерін кәдеге жаратудың төмен дәрежесі олардың күрделі
морфологиялық, минералды және элементтік құрамына байланысты күл-қож
қалдықтарының аз зерттелуімен түсіндіріледі. Қазіргі уақытта күлді-көмірді,
сондай-ақ оның макро - және микрокомпоненттерінің сыртқы ортаның
әртүрлі факторларына байланысты реактивтілігін зерттеуге бағытталған
физика-химиялық зерттеулер жеткіліксіз.

3.

• Мақсаты: «Богатырь», «Майкөбен», «Қаражыра» бассейндерінің көмірінің
күл және шлак қалдықтарынан метал оксидін бөліп алу әдісін әзірлеу.
• Жұмыстың міндеттері:
- объектінің физика-химиялық сипаттамаларын зерттеу:
- күлдің морфологиялық, фазалық және элементтік құрамы- «Богатырь»,
«Майкөбен», «Қаражыра» бассейнінің көмір тасымалдануы;
-күлдің макро және микрокомпоненттерін шаймалаудың электрохимиялық
активтенуінің негізгі заңдылықтарын зерттеу және осы процестің оңтайлы
жағдайларын анықтау;
-көмір күлі үлгілерінің физика-химиялық қасиеттерін зерттеу.
• Ғылыми жаңалығы: Термодинамикалық есептеулердің көмегімен
«Богатырь», «Майкөбен», «Қаражыра көмірін 600-1700 °С температурада
жағу процесінде сирек кездесетін, сирек кездесетін және радиоактивті
металдардың мінез-құлқы зерттелді.

4.

Көмірдің бейорганикалық компоненттерінің және оларды жағу кезінде пайда
болатын күл қалдықтарының элементтік және фазалық құрамы
Оксид
С класы (мас.% / ст.)
F класы (мас.% / ст.)
SiO2
17.6 ± 2.7
52.5 ± 9.6
Al2O3
6.2 ± 1.1
22.8 ± 5.4
Fe2O3
25.2 ± 2.8
7.5 ± 4.3
CaO
"/>10
<10
MgO
1.7 ± 1.2
1.3 ± 0.7
Na2O
0.6 ± 0.6
1.0 ± 1.0
K2 O
2.9 ± 1.8
1.3 ± 0.8
SO3
2.9 ± 1.8
0.6 ± 0.5
LOI
0.06 ± 0.06
0.11 ± 0.14
Ылғалдылық
0.33 ± 0.35
2.6 ± 2.4
С класындағы күл: С класындағы күл
суббитуминозды көмірді немесе шикі қоңыр
көмірді жағу арқылы түзіледі. Оның поззолан
қасиеттері және өзін-өзі цементтейтін қасиеттері
бар. С класындағы ұшпа күл уақыт өте келе
қатаяды және судың қатысуымен беріктікке ие
болады. Сілтілер мен сульфаттардың (SO4)
мөлшері С класындағы ұшпа күлде жоғары болады.
Оның құрамында әк мөлшері (CaO) (>10%) F
класындағы күлге (<10%) қарағанда жоғары.
F класындағы күл: F класындағы күл негізінен
антрацит пен көмірден түзіледі. Оның поззолан
қасиеттері бар және құрамында 10% - дан аз әк бар.
F класындағы күл тұтқыр материалдарды алу үшін
сөндірілген әк немесе су қосылған сөндірілмеген әк
сияқты тұтқыр затты қажет етеді.

5.

Сурет – 2. Электроразрядты
қондырғыға дайындаған
үлгі.
Сурет – 3. Импульсті
электроразрядты әдіс
арқылы алынған үлгі.
Көмір күлінен кремний оксиді және
құрамында металл бар өнім алынды. Бұл
жұмыстың мақсаты электрофизикалық
әсерді қолдана отырып, көмір күлінен
кремний диоксиді мен құрамында металы
бар өнімді өндіруге технологиялық
параметрлер мен химиялық реагенттердің
әсерін зерттеу болып табылады. Бұл
зерттеу объектілері «Богатырь» разрезінің
көмір күлі, «Шоптыкөл» кен орны,
«Майкөбен» кен орны көмір күлдері
алынды.
Элементтердің құрамы энергетикалық
дисперсиялық әдіс арқылы зерттелді.
Энергия дисперсиялық талдауға (EDAX)
арналған қосымшасы бар СЭМ арқылы
(Quanta
3D
200i)
рентгендік
спектроскопиясы
қолданылды.
«Богатырь», «Майкөбен», «Қаражыра»
көмір бассейндерінің күл шлактарының
құрамына элемементтік талдау нәтижелері
2 кестеде келтірілген.

6.

«Богатырь, «Майкөбен», «Қаражыра» көмір бассейндерінің күл
шлактарының элементтік құрамы
Көрсеткіштер
Мөлшері, %
Богатырь
Майкөбен
Қаражыра
SiO2
60,34
50,17
54,26
Al2O3
24,58
25,63
21,56
Fe2O3
5,68
8,26
4,36
CaO
2,69
5,68
3,49
MgO
1,06
2,49
1,35
TiO2
1,15
1,08
1,65
SO3
0,78
0,98
1,58
P2O5
1,65
0,48
0,78
K2 O
0,84
1,14
2,78
Күл бөлшектерінің көпшілігінің пішіні дұрыс
емес (жалпақ, сүйір бұрышты) және беті
балқыған, тегіс, жылтыр сыртқы түрі бар және
ауысумен жоғары температурада жану
нәтижесінде пайда болған сфералық
бөлшектер (ценосфералар) бар.
Бөлшектердің беткі рельефі кедір - бұдырдың
жоғары дәрежесіне және өлшемі шамамен 500
нм - ге дейінгі әртүрлі геометриялық пішіндегі
кеуектерге ие (50 мың есе ұлғайған шкаламен
4 суреті), бұл өлшемдері > бар
макрокеуектерге сәйкес келеді.

7.

Микроскопиялық талдау нәтижелері
Сурет – 4. Микроскопиялық талдау нәтижелері: 1) х2000
жақындатылған кеуекті көміртекті материал (сол жақ); 2)
х5000 жақындатылған кеуекті көміртекті материал (он жақ)
Сурет – 5. Микроскопиялық талдау нәтижелері 3) х10000
жақындатылған кеуекті материал (сол жақ); 4) х50000
жақындатылған кеуекті материал
(оң жақ);

8.

Рентгенофазалық зерттеу әдісінің нәтижелері
Күлді құрайтын кристалдық фазаларды анықтау үшін рентгендік дифракция
қолданылды. Рентгендік фазалық талдау Rigaku MiniFlex 600 дифрактометрінде
жүргізілді. Рентгендік фазалық талдау нәтижелері 6 - суретте берілген.
1 - бастыпқы көмір күлі (сол
жақ);
2 - ЭМ өңдеуден кейінгі көмір күлі
(оң жақ)

9.

3
Сурет – 8. 3-ЭР өңдеуден кейінгі көмір күлі;
Рентгендік фазалық талдаудан алынған мәліметтер
барлық зерттелетін күл үлгілеріне тән негізгі күл түзуші
элементтердің екі кристалдық фазасының болуын
көрсетеді: α кварц және муллит (3Al2O3∙2SiO2). Бұл
басқа кен орындарының көмір күлінің фазалық құрамын
зерттеу нәтижесінде алынған әдебиет деректерімен
сәйкес келеді, мұнда негізгі кристалдық фазалар да кварц
және муллит. Зерттелетін көмір күлінің үлгілерін ЭМ
өңдеу құрамында темір оксидтері (гематит, магнетит) бар
минералды фазалардың жойылуына әкелетіні
анықталды.
Зерттелетін көмір күлінің үлгілерін ЭМ өңдеу құрамында
темір оксидтері (гематит, магнетит) бар минералды
фазалардың жойылуына әкелетіні, ал «Майкөбен»
күлінде темір және титан оксидтері (Fe9TiO15)
қоспасының қатысуымен фаза пайда болатыны
анықталды. Күлді ЭР өңдеу нәтижесінде құрамында
сирек (жеңіл және микро) металдар (Ga, Ge, Li, Ba, Cd,
Cs) бар минералды фазалар қосымша түзіледі. Сонымен,
«Богатырь», «Майкөбен» және «Қаражыра» күл
үлгілерінде сәйкесінше CuGaF5∙7H20, Al2GeO4(OH)2
және Li8(GaSiO_4)6Br2, BaCdGaF7 фазалары бар.

10.

Көмір күлінің физика-химиялық қасиеттерін зерттеу
Талдау «Көмір химиясы және технология институты»
ЖШС-ында жүргізілді. Талдау нәтижелері 3 кестеде
көрсетілген.
Көрсеткіштер
Бастапқы көмір ЭМ
өңдеуден ЭР
өңдеуден
күлі
кейінгі
көмір кейінгі
көмір
күлі
күлі
Көрсеткіштер
Бастапқы көмір ЭМ
өңдеуден ЭР
өңдеуден
күлі
кейінгі
көмір кейінгі
көмір
күлі
күлі
«Майкөбен» көмірі
«Богатырь» көмірі
Көлемдік
тығыздық, г/см3
рН мәні
0,286
0,458
0,420
11,12
12,10
7,45
Метилоранж
бойынша
адсорбциялық
белсенділік, мг/г
72,56
79,25
Метиленді
көк
бойынша
адсорбциялық
беленділік, мг/г
68,25
Йод
бойынша
адсорбциялық
белсенділік, мг/г
36,25
Көлемдік
тығыздық, г/см3
рН мәні
0,378
0,389
0,350
10,12
9,56
6,26
78,14
Метилоранж
бойынша
адсорбциялық
белсенділік, мг/г
78,36
79,26
72,15
68,98
70,12
Метиленді
көк
бойынша
адсорбциялық
беленділік, мг/г
65,25
63,25
68,45
37,25
40,12
Йод
бойынша
адсорбциялық
белсенділік, мг/г
40,15
40,56
41,78

11.

Көрсеткіштер
Бастапқы көмір ЭМ
өңдеуден ЭР
өңдеуден
күлі
кейінгі
көмір кейінгі
көмір
күлі
күлі
«Қаражыра» көмірі
Көлемдік
тығыздық, г/см3
рН мәні
0,369
0,587
0,552
11,45
10,25
6,78
Метилоранж
бойынша
адсорбциялық
белсенділік, мг/г
68,25
70,13
70,58
Метиленді
көк
бойынша
адсорбциялық
беленділік, мг/г
40,12
50,14
50,29
Йод
бойынша
адсорбциялық
белсенділік, мг/г
40,15
41,26
43,78
9 - суретте «Қаражыра» көмір күлінің бастапқы, ЭМ
өңдеуден кейінгі және ЭР өңдеуден кейінгі үлгілерінің
физика-химиялық қасиеттерінің салыстырмалы графигі
келтірілген.
Сурет 9 - «Қаражыра» көмір күлінің физика-химиялық
қасиеттерінің салыстырмалы графигі.

12.

10 - суретте «Богатырь» көмір күлінің
бастапқы, ЭМ өңдеуден кейінгі және ЭР
өңдеуден кейінгі үлгілерінің физика-химиялық
қасиеттерінің салыстырмалы графигі
келтірілген.
11 - суретте «Майкөбен» көмір күлінің бастапқы, ЭМ
өңдеуден кейінгі және ЭР өңдеуден кейінгі үлгілерінің
физика-химиялық қасиеттерінің салыстырмалы графигі
келтірілген.
Сурет – 10. «Богатырь» көмір күлінің физика-химиялық
қасиеттерінің салыстырмалы графигі
Сурет – 11. «Майкөбен» көмір күлінің физика-химиялық
қасиеттерінің салыстырмалы графигі

13.

Көмір күлі үлгілерінің адсорбциялық қасиеттері
Көрсеткіштер
Меншікті беткі аудан, Меншікті кеуек көлемі,
м2/г
см3/г
«Богатырь» көмірі
Бастапқы көмір күлі
35,415
0,059
ЭМ өңдеуден кейінгі
58,762
0,135
көмір күлі
ЭР өңдеуден кейінгі
52,965
0,125
көмір күлі
«Майкөбен» көмірі
Бастапқы көмір күлі
34,256
0,074
ЭМ өңдеуден кейінгі
57,356
0,124
көмір күлі
ЭР өңдеуден кейінгі
50,126
0,115
көмір күлі
12 суретте «Қаражыра» көмір күлі үлгісінің бастапқы, ЭМ
өңдеуден кейінгі және ЭР өңдеуден кейінгі адсорбциялық
қасиеттерінің салыстырмалы графигі келтірілген.
«Қаражыра» көмірі
Бастапқы көмір күлі
ЭМ өңдеуден кейінгі
көмір күлі
ЭР өңдеуден кейінгі
көмір күлі
36,125
54,126
0,067
0,128
52,126
0,125
Сурет 12 - «Қаражыра» көмір күлі үлгісінің адсорбциялық
графигі.

14.

13 - суретте «Богатырь» көмір күлі үлгісінің
бастапқы, ЭМ өңдеуден кейінгі және ЭР өңдеуден
кейінгі адсорбциялық қасиеттерінің салыстырмалы
графигі келтірілген.
14 - суретте «Майкөбен» көмір күлі үлгісінің бастапқы, ЭМ
өңдеуден кейінгі және ЭР өңдеуден кейінгі адсорбциялық
қасиеттерінің салыстырмалы графигі келтірілген.
Сурет – 13. «Богатырь» көмір күлі үлгісінің адсорбциялық Сурет – 14. «Майкөбен» көмір күлі үлгісінің адсорбциялық
графигі
графигі

15.

ҚОРЫТЫНДЫ
Дипломдық жұмыстың нәтижелері бойынша келесі тұжырымдар ұсынылады:
1. Көмір күлінен кремний оксиді және құрамында металл бар өнім алынды. Бұл жұмыстың мақсаты электрофизикалық
әсерді қолдана отырып, көмір күлінен кремний диоксиді мен құрамында металы бар өнімді өндіруге технологиялық
параметрлер мен химиялық реагенттердің әсерін зерттеу болып табылады. Бұл зерттеу объектілері «Богатырь»
разрезінің көмір күлі, «Майкөбен» кен орны көмір күлдері алынды.
2. Рентгендік фазалық талдаудан алынған мәліметтер барлық зерттелетін күл үлгілеріне тән негізгі күл түзуші
элементтердің екі кристалдық фазасының болуын көрсетеді: α кварц және муллит (3Al2O3∙2SiO2). Бұл басқа кен
орындарының көмір күлінің фазалық құрамын зерттеу нәтижесінде алынған әдебиет деректерімен сәйкес келеді, мұнда
негізгі кристалдық фазалар да кварц және муллит. Зерттелетін көмір күлінің үлгілерін ЭМ өңдеу құрамында темір
оксидтері (гематит, магнетит) бар минералды фазалардың жойылуына әкелетіні, ал «Майкөбен» күлінде темір және
титан оксидтері (Fe9TiO15) қоспасының қатысуымен фаза пайда болатыны анықталды. Күлді ЭР өңдеу нәтижесінде
құрамында сирек (жеңіл және микро) металдар (Ga, Ge, Li, Ba, Cd, Cs) бар минералды фазалар қосымша түзіледі.
Сонымен, «Богатырь», «Майкөбен» күл үлгілерінде сәйкесінше CuGaF5∙7H20, Al2GeO4(OH)2 және Li8(GaSiO4)6Br2,
BaCdGaF7 фазалары бар.
3. Бастапқы және электромагнитті және электроразрядты өңдеуден кейінгі «Богатырь», «Майкөбен»,көмір
бассейндерінің көмір күлінің құрамына физика-химиялық талдау жүргізілді. Электромагниттік өңдеуден кейін көмір
күлінің көлемдік тығыздығы мен метилоранж бойынша адсорбциялық белсенділігінің жоғары мәндері үлгілердің
микроскопиялық талдауынан алынған деректерді растайды. Алынған мәліметтер көмір күлінің кеуекті материал екенін
көрсетеді. «Богатырь» көмірінің күлін ЭМ өңдеу бетінің меншікті ауданы (1,66 есе) және меншікті кеуек көлемінің
(2,29 есе) айтарлықтай ұлғаюына ықпал етеді. «Майкөбен» көмірінің күлін ЭМ өңдеу бетінің меншікті ауданы (1,67
есе) және меншікті кеуек көлемінің (1,68 есе) айтарлықтай ұлғаюына ықпал етеді.