СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА, СОДЕРЖАЩИХ ФТОРСИЛИКАТЫ Российский патент 2018 года по МПК C01B33/10 C01B33/142 C01B7/19 C01B9/08 C01D3/02 C01D5/02 B09B3/00 

Изобретение относится к области химической технологии и предназначено для утилизации отходов производства, содержащих силикаты: тетрафторид кремния, кремнефтористую кислоту, гексафторсиликат натрия или их различные смеси. Указанные отходы накапливаются в больших количествах при производстве фосфорных удобрений и переработке алюминиевых руд, их утилизация является сложным и дорогостоящим процессом.

Изобретение относится также к получению из этих отходов фторида водорода и диоксида кремния SiO₂ («белой сажи»), а также сульфата натрия Na₂SO₄ и фторида натрия – продуктов, которые востребованы на рынке химических товаров.

Фторид водорода – основной исходный реагент для получения фторорганических соединений: хладонов, элементного фтора, фторидов металлов, аммония и аминов. Фторид натрия используется для получения криолита, в качестве антисептика и антипирена, а также для замещения хлора на фтор в органическом синтезе. Сульфат натрия используется в стекольной и текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Диоксид кремния – так называемая «белая сажа» используется в строительстве в качестве наполнителя полимерных композиционных материалов.

В промышленности фторид водорода получают из фторида кальция (флюорита) и 100% серной кислоты. Полученный фторид водорода – сырец подвергается очистке и ректификации и имеет состав, представленный в таблице№1.

В связи с сокращением мировых запасов флюорита и увеличением его стоимости в последние десятилетия разрабатываются процессы получения фторида водорода НF из тетрафторида кремния SiF₄ – отхода производства фосфорных удобрений.

Изобретением [Пат. США 3218124, оп. 18.11.1965, НКИ США 23-153] предложен способ получения фторида водорода из фторкремниевой кислоты, которая образуется в качестве побочного продукта при производстве суперфосфата. Низкосортный плавиковый шпат (флюорит) кальцинируют (нагревают без доступа воздуха) с концентрированной серной кислотой, а газ абсорбируют водой. Выделяющиеся газообразные фторид водорода и тетрафторид кремния разделяют, отделяя практически сухой фторид водорода, а газообразный тетрафторид кремния растворяют в воде, получая фторкремневую кислоту и диоксид кремния, которые легко разделяются. Диоксид кремния отделяют, высвобождая гексафторкремниевую кислоту.

Известен способ [пат. США 4529576, заявл. 27.12.82; № 453457, оп. 16.07.85, кл. C01B 33/02] получения кремния с использованием в качестве исходного соединения отходов производства фосфатных удобрений, содержащих гексафторкремниевую кислоту (H₂SiF₆). Раствор гексафторкремниевой кислоты обрабатывают фторидом щелочного металла, например фторидом натрия, осаждают кремнефторид натрия (Na₂SiF₆) по реакции

H₂SiF₆+2NaF → Na₂SiF₆+2HF (1).

Известен способ получения диоксида кремния и фторида водорода [пат. РФ 2078034, МПК⁶ C01B 33/023, C01B 33/03, оп. 27.04.1997], по которому очищенный тетрафторид кремния контактируют с предварительно очищенным от примесей паром с образованием диоксида кремния по реакции:

SiF₄+2H₂O → SiO₂+4HF (2)

Известен способ получения фторида водорода из гексафторсиликата натрия, заключающийся во взаимодействии гексафторсиликата натрия Na₂SiF₆ и карбоната натрия Na₂CO₃ с получением смеси твердых SiO₂ и NaF. После отделения SiO₂, NaF сушится и обрабатывается серной кислотой с выделением HF:

Na₂SiF₆ + 2Na₂CO₃ → 6NaF + SiO₂↓ +2CO₂↑ (3)

2NaF + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2HF↑ (4)

Недостатком этого способа являются трудности разделения твердых фторида натрия NaF и диоксида кремния SiO₂ и загрязнение полученного фторида водорода тетрафторидом кремния.

Задачей, стоящей перед авторами изобретения, является разработка способа утилизации отходов производства, содержащих фторсиликаты, и получение из них чистых продуктов – фторида натрия, фторида водорода (или плавиковой кислоты), сульфата натрия и диоксида кремния.

Сущность изобретения состоит в том, что разработан способ утилизации отходов производства, содержащих фторсиликаты, отличающийся тем, что фторсиликаты обрабатывают гидроксидом натрия или карбонатом натрия при температуре 95-98°С, полученные фторид натрия и раствор силиката натрия разделяются фильтрацией, после чего фторид натрия либо выделяют, либо обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре 130-150°С и выделяют фторид водорода, который, возможно, поглощают водой с получением фтороводородной кислоты, а полученный после выделения фторида водорода остаток обрабатывают гидроксидом или карбонатом натрия с получением сульфата натрия. Из раствора силиката натрия, полученного после фильтрации, получают диоксид кремния, для чего его силикат натрия подвергают обработке углекислотой.

Таким образом, способ включает следующие стадии:

1. а) щелочную обработку.

При этом тетрафторид кремния превращается

SiF₄ + 4NaOH → 4NaF + SiO₂↓ + 2H₂O; (5)

SiF₄ + 2Na₂CO₃ → 4NaF↓ + SiO₂↓ +2CO₂↑ (6)

б) Гексафторкремниевая кислота

H₂SiF₆ + 6NaOH → 6NaF↓ + SiO₂↓ + 4H₂O (7)

H₂SiF₆ + 3Na₂CO₃ → 6NaF↓ + SiO₂↓ + 3 CO₂↑ + H₂O (8)

в) Гексафторсиликат натрия

Na₂SiF₆ + 4NaOH → 6NaF↓ + SiO₂↓ + 2H₂O (9)

Либо: Na₂SiF₆ + 2Na₂CO₃ → 6NaF↓ + SiO₂↓ + 2CO₂↑ (10),

2. Обработка смеси нерастворимых фторида натрия и диоксида кремния щелочным раствором гидроксида или карбоната натрия, в результате чего диоксид кремния переходит в растворимый силикат натрия, фторид натрия остается в виде твердого осадка.

3. Осадок фторида натрия отделяют фильтрацией, сушат и получают товарный продукт или высушенный фторид натрия подвергают взаимодействию с концентрированной серной кислотой, в результате чего выделяют фторид водорода:

NaF + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HF↑ (12)

4. Полученный фторид водорода выделяют либо в виде газа, либо поглощают водой с получением фтороводородной кислоты.

Получают фторид водорода высокой чистоты, его собирают в охлаждаемом приемнике или поглощают дистиллированной водой и получают фтороводородную кислоту также высокой чистоты.

Остающийся раствор силиката натрия, содержащий 1,5-2% фторида натрия («жидкое стекло»), используют, например, в строительстве или, после обработки углекислым газом, превращают в диоксид кремния («белую сажу») и карбонат натрия, который возвращают на первую стадию.

5. Остаток после разложения фторида натрия серной кислотой, представляющий собой кислый сульфат натрия и серную кислоту, возможно, нейтрализуют карбонатом натрия, в результате чего получают еще один полезный продукт - сульфат натрия:

NaHSO₄ + Na₂CO₃ → Na₂SO₄ + 1/2 CO₂ + 1/2 H₂O

Пример 1

а) В колбу из стекла «пирекс» емкостью 1 л, снабженную барботером из фторопласта 4, обратным холодильником, мешалкой и термометром, загружают 245 г NaOH, 0,5 л воды, нагревают до 80-85°С и при интенсивном перемешивании по барботеру из фторопласта4 подают SiF₄ со скоростью, не допускающей «проскока» SiF₄ и разогрева реакционной массы выше 100°С. После подачи 104 г SiF₄ смесь перемешивают при температуре 85-95°С в течение 2 часов, после чего охлаждают до 20°С, фильтруют, отделяя NaF. После сушки при 120°С до постоянной массы получено 163 г (выход 97%) фторида натрия, а также 670 г раствора Na₂SiO₃ (18,2%).

Полученный фторид натрия имеет состав, представленный в таблице 2.

б) В реактор, изготовленный из фторопласта 4, емкостью 0,2 л, снабженный якорной мешалкой, капельной воронкой из фторопласта 4, колонкой – каплеотбойником и прямым холодильником, загружают 42 г полученного фторида натрия и к нему при перемешивании дозируют 100% серную кислоту 100 г (55 мл) марки «ХЧ». После завершения дозировки реактор нагревают до 130°С, при этом начинает выделяться фторид водорода, который поглощают дистиллированной водой (30 мл), охлаждаемой до +10°С. Температуру в реакторе поднимают до 150°С и выдерживают при этой температуре и перемешивании 2,5 часа до завершения процесса. После завершения процесса получено 49 г плавиковой кислоты (48,5 мас.%).

Выход - 95%.

Полученная фтороводородная (плавиковая) кислота имеет состав, представленный в таблице 3.

в) Оставшуюся после отгонки фторида водорода массу, представляющую собой смесь кислого сульфата натрия и серной кислоты, нейтрализуют гидроксидом натрия или углекислым натрием (содой) с получением сульфата натрия.

Пример 2

Из реактора 1, охлажденного до 70-80°С, выгружается остаток после отгонки фторида водорода в реактор 2, изготовленный их фторопласта 4, объемом 500 мл, снабженный якорной мешалкой из фторопласта 4 и дозатором для щелочного раствора. При работающей мешалке в реактор дозируют 207 г 20% раствора едкого натра NaOH квалификации «ХЧ», не допуская разогрева реакционной массы выше 90°С до достижения рН 7-7,5. После подачи раствора щелочи смесь перемешивают в течение 2 часов и упаривают, отгоняя 102 мл воды. После охлаждения до 20°С смесь фильтруют. Полученные кристаллы сушат при 130°С. Получают 72 г Na₂SO₄, соответствующего квалификации «ХЧ». Маточник используют для последующих стадий нейтрализации.

Пример 3

В условиях примера 2 остаток после отгонки фторида водорода нейтрализуют 20% раствором углекислого натрия квалификации «ХЧ». После подачи 265 г раствора углекислого натрия смесь имеет рН 7,5, смесь охлаждают до +5°С. Выпавшие кристаллы сушат при 130°С. Получают 60 г Na₂SO₄, соответствующего норме.

Состав полученного сульфата натрия приведен в таблице 4. Маточник используют для последующих стадий нейтрализации.

Пример 4

В условиях опыта 1 в колбу загружают 215 г углекислого натрия Na₂CO₃ и 0,5 л воды, нагревают до 85°С и при перемешивании дозируют по сифону 104 г SiF₄ при 85-95°C. После завершения подачи SiF₄ к смеси при перемешивании добавляют раствор технического NaOH (85 г в 200 мл воды). Смесь выдерживают при температуре 85-90°С в течение 2 часов, затем охлаждают до 20°С, фильтруют.

Фторид натрия сушат при 120°С до постоянной массы. Получено 163,0 г фторида натрия (выход 97%).

Фторид натрия перерабатывают во фторид водорода, как описано в примере 1, часть (б), используя техническую серную кислоту концентрацией 95% 105 г. Получают 49 г фтороводородной (плавиковой) кислоты марки «ХЧ» концентрации 48,5 мас.%, выход - 95%.

Пример 5

Опыт проводят так, как описано в примере 2, однако выделяющийся на стадии (б) фторид водорода принимают в ловушку, изготовленную из фторопласта 4. Получено 19,3 г HF (выход 95%).

Пример 6

В реактор объемом 1,2 л, изготовленный из полипропилена, снабженный пропеллерной мешалкой из фторопласта 4 и обратным холодильником из фторопласта 4, загружают 480 г 30% водного раствора H₂SiF₆. Раствор нагревают до 80°С и к нему дозируют раствор технического NaOH (325 г в 400 мл воды), не допуская разогрева реакционной массы выше 95°С. После окончания дозировки раствора NaOH смесь перемешивают в течение 2,5 часов при температуре 80-90°С, затем охлаждают до 20°С и фильтруют. После сушки получено 242 г фторида натрия (выход 96%).

Фторид натрия перерабатывают во фторид водорода, как описано в примерах 1-3. Состав полученного фторида водорода показан в таблице 5.

Пример 7

В колбу из стекла «пирекс» объемом 1,2 л, снабженную мешалкой и капельной воронкой из фторопласта 4 и обратным холодильником, загружают 325 г NaOH, 400 мл воды, нагревают до 85-90°С и дозируют 480 г 30% раствора H₂SiF₆, не допуская разогрева выше 98°С. Смесь перемешивают при 85-90°С в течение 2 часов, после чего охлаждают до 20°С и фильтруют. Высушенный фторид натрия (242 г, выход - 96%) перерабатывают во фторид водорода, как описано в примерах 1-3.

Пример 8

В условиях опыта 5 загружают 320 г технического Na₂CO₃ и 300 мл воды и нагревают при перемешивании до 85°С, затем из капельной воронки, изготовленной из полипропилена, дозируют 480 г 30% раствора H₂SiF₆, не допуская разогрева реакционной массы выше 98°С. Смесь перемешивают 1 час и затем к ней дозируют раствор NaOH (85 г в 150 мл воды), перемешивают 2 часа, охлаждают до 20°С и отфильтровывают фторид натрия, его сушат, получают 242 г (выход 96%) и перерабатывают во фторид водорода, как описано в опытах 1-3.

Пример 9

В условиях опыта 5 в колбу загружают 188 г Na₂SiF₆, 215 г Na₂CO₃, 600 мл воды, смесь перемешивают, нагревают до 75°С и затем в течение 2 часов доводят температуру до 95°С. При этой температуре смесь перемешивают еще 2 часа и добавляют к ней по капельной воронке раствор NaOH (85 г в 150 мл воды), перемешивают 2 часа, после чего охлаждают до 20°С, отфильтровывают фторид натрия, сушат, получают 242 г и перерабатывают фторид натрия во фторид водорода, как описано в опытах 1-3. Раствор Na₂SiO₃, образующийся при щелочном гидролизе фторсиликатов, обрабатывают углекислым газом. При этом в осадок выпадает SiO₂, который отфильтровывают, сушат и получают дополнительный продукт – диоксид кремния «белую сажу». Образовавшийся раствор Na₂CO₃ используют в гидролизе фторсиликатов:

Na₂SiO₃ + CO₂ → Na₂CO₃ + SiO₂↓

Пример 10

Фильтрат, представляющий собой раствор Na₂SiO₃, полученный в примере 4 после фильтрации NaF, переносят в вертикальный реактор емкостью 0,8 л, изготовленный из стекла «пирекс», снабженный мешалкой и барботером и охлаждаемый до 0°С. В реактор при интенсивном перемешивании барботируют СО₂ со скоростью, не допускающей заметного «проскока» СО₂. После подачи 51 г газа (15,9% избыток) смеси дают отстояться, затем фильтруют. Осадок высушивают и получают 57г SiO₂ («белой сажи»). Выход 95%. Фильтрат, представляющий собой раствор соды, используют для последующего гидролиза SiF₄.

Состав полученного диоксида кремния («белой сажи») приведен в таблице 6.

Таким образом, разработанный способ позволяет утилизировать отходы производства, содержащие фторсиликаты, и получать из них чистые продукты – фторид натрия, фторид водорода (или фтороводородную кислоту), сульфат натрия и диоксид кремния. Получаемые продукты характеризуются высокой чистотой.

Таблица 1
Состав очищенного фторид водорода в промышленности Наименование
показателя Марка А Марка Б Результаты
испытаний 1. Массовая доля фторида водорода, %, не менее 99,95 99,90 99,98 2. Массовая доля воды, %, не более 0,03 0,06 0,01 3. Массовая доля восстановителей в пересчете на сернистый газ, %, не более 0,007 0,015 0,001 4. Массовая доля серной кислоты, %, не более 0,005 0,020 0,002 5. Массовая доля кремнефтористоводородной кислоты, %, не более 0,010 0,020 0,003

Таблица 2
Состав фторида натрия Наименование показателя Чистый Результаты
испытания 1. Массовая доля фторида натрия, %, не менее 98 99,1 2. Массовая доля не растворимых в воде веществ, %, не более 0,05 0,05 3. Массовая доля кислоты (в пересчете на HF), %, не более 0,20 0,20 4.Массовая доля щелочи (в пересчете на Na₂CO₃),%, не более 0,20 0,20 5. Массовая доля сульфатов, % не более 0,20 0,01 6. Массовая доля хлоридов, %, не более 0.003 0,002 7. Массовая доля железа, % не более 0,004 0,0025 8. Массовая доля кремния, % не более 0,01 0,02 9. Массовая доля суммы свинца, меди, марганца, %, не более 0,002 0,0005

Таблица 3
Состав фтороводородной (плавиковой) кислоты Наименование показателя Химически
чистый Результаты
испытаний 1. Массовая доля кислоты, %, не менее 45 45 2. Массовая доля остатка после прокаливания в виде сульфатов, %, не более 0,0005 0,0005 3. Массовая доля сульфитов, %, не более 0,0003 0,0003 4. Массовая доля сульфатов, %, не более 0,0002 0,0002 5. Массовая доля фосфатов, %, не более 0,0001 0,0001 6. Массовая доля хлоридов, %, не более 0,0001 0,0001 7. Массовая доля железа, %, не более 0,00005 0,00005 8. Массовая доля кремния, %, не более 0,002 0,002 8. Массовая доля тяжелых металлов, %, не более 0,00005 0,00003 9. Массовая доля веществ, восстанавливающих KMnO₄, %, не более 0,0004 0,0004

Таблица 4
Состав полученного сульфата натрия Наименование показателя Норма Результаты испытаний 1. Внешний вид Сыпучий порошок белого цвета Сыпучий порошок белого цвета 2. Массовая доля сульфата натрия, %, не менее 98,8 98,9 3. Массовая доля не растворимых частиц, %, не более 0,2 0,2 4. Массовая доля хлоридов, % ,
не более 0,2 0,15 5. Содержание железа, %, не более 2⋅10^-3 1⋅10^-3 6. Массовая доля воды, %, не более 0,1 0,1 7. Показатели активности водородов ионов водного 1%-ного раствора сульфата натрия, %, в пределах 6,5÷9,0 6,5÷9,0 8. Белизна (по Хантеру), не менее 90 95

Таблица 5
Состав полученного фторида водорода Наименование показателя Требования по ГОСТ Результаты
испытаний Массовая доля фторида водорода, %, не менее 99,90 99,98 Массовая доля сернистого газа, %, не более 0,004 0,001 Массовая доля серной кислоты, %, не более 0,005 0,002 Массовая доля кремнефтористоводородной кислоты, %, не более 0,005 0,003 Массовая доля остатка после прокаливания в виде сульфатов, %, не более
0,007
0,0027 Массовая доля вещества, восстанавливающих, %, не более 0,005 0,0015 Массовая доля хлоридов, %, не более 0,001 0,0007 Массовая доля фосфатов, %, не более 0,001 0,001

Таблица 6
Состав полученного диоксида кремния Внешний вид Порошок и непрочные комочки белого цвета БС-50 БС-100 Результаты испытаний Массовая доля двуокиси кремния, %, не менее 76 86 91 Массовая доля влаги, %, не более 6 6,5 4,3 Потеря в массе при прокаливании, %, 7,0÷10,0 5,0÷7,0 4,0÷5,0 Массовая доля железа в пересчете на окись железа, % не более 0,03 0,15 0,01 Массовая доля алюминия, в пересчете на окись алюминия, %, не более 0,1 0,15 0,05 Массовая доля хлоридов, %, не более 0,6 1,0 0,05 Массовая доля кальция и магния в пересчете на окись кальция, %, не более 7,0 0,8 0,03

Изобретение относится к области химической технологии и предназначено для утилизации отходов производства, содержащих фторсиликаты: тетрафторид кремния, кремнефтористую кислоту, гексафторсиликат натрия. Фторсиликаты обрабатывают гидроксидом натрия и/или карбонатом натрия при температуре 80-100°С. Полученные фторид натрия и раствор силиката натрия разделяют фильтрацией. Фторид натрия либо выделяют, либо обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре 130-150°С и выделяют фторид водорода, который поглощают водой с образованием фтороводородной кислоты. Полученный после выделения фторида водорода остаток обрабатывают гидроксидом и/или карбонатом натрия с образованием сульфата натрия. Раствор силиката натрия подвергают обработке углекислым газом и выделяют диоксид кремния. Обеспечивается утилизация отходов производства, образующихся при производстве фосфорных удобрений и переработке алюминиевых руд, с получением из них чистых продуктов. 6 табл., 10 пр.

Способ утилизации отходов производства, содержащих фторсиликаты, отличающийся тем, что фторсиликаты обрабатывают гидроксидом натрия и/или карбонатом натрия при температуре 80-100°С, полученные фторид натрия и раствор силиката натрия разделяют фильтрацией, после чего фторид натрия либо выделяют, либо обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре 130-150°С и выделяют фторид водорода, который поглощают водой с получением фтороводородной кислоты, а полученный после выделения фторида водорода остаток обрабатывают гидроксидом и/или карбонатом натрия, раствор силиката натрия, полученный после фильтрации, подвергают обработке углекислым газом и выделяют диоксид кремния.