WEB-ресурс научно-практических конференций

Д.т.н. Жантасов К.Т., к.т.н. Ананьев Н.И., Ниязбекова Р.К., Жантасова Д.М., Рахманбердиева Ж.Н., д.т.н. Дуйсебаев М.К., Амиралиев Б.Б., Толеген М.Е.

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, г. Шымкент, Республика Казахстан

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКИ ЦЕЛЕСООБРАЗНАЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ФОСФИДА ЦИНКА

Благополучие народа, заселяющего любое государство, зависит от научно-технического прогресса, основанного на индустриально-инновационной и экономически целесообразной технологии рационального комплексного использования сырья и техногенных отходов.

Ежегодно в мировом пространстве, в том числе в Республике Казахстан, выбрасываются миллиарды тонн отходов различных производств, которые играют значительную роль как в экономике предприятий, так и в нанесении невосполнимого экологического ущерба фауне и флоре промышленных регионов.

В Республике Казахстан накоплены миллионы тонн твердых техногенных отходов, имеющих экономическую значимость. Так например, предприятиями цветной металургии выведено более 100 миллионов тонн отходов занимающих более 500 га земельных угодий, в том числе шлаков свинцово-цинкового производства [1]. В условиях развития экономики, утилизация техногенных отходов вызывает определенные трудности, связанные со строительством производственных мощностей на предприятиях находящихся в частной собственности. Однако, эти вопросы, по нашему мнению, могут быть решены исходя из позиции реализации в жизнь программы индустриально-инновационной политики.

К одним из таких отходов относятся цинксодержащий шлак свинцово-цинкового производства цветной металлургии и феррофосфор, образующийся при получении желтого фосфора в фосфорной под отрасли. Из этих отходов и вторичного продукта фосфорного производства возможно получение фосфида цинка, приблизительный состав которого 80% цинка и 20% фосфора, применяемого в сельскохозяйственном и бытовом секторах экономики. Общеизвестно, что фосфид цинка является высокоэффективным ядом и используется для уничтожения грызунов. Организация экологически безопасной и экономически выгодной технологии по выпуску фосфида цинка, кроме этого, позволяет расширить ряд социальных проблем и отнести к числу наиболее актуальных проблем современности.

Чистый фосфид цинка получают традиционно в промышленных условиях из дорогостояших желтого фосфора и металлического цинка.

Для этой цели в запаянной толстостенной кварцевой ампуле медленно нагревают в течение 9-10 ч смесь эквивалентных количеств цинка и фосфора, повышая температуру до 400 ?С , затем в течение 12 ч – до 650?С, после чего охлаждают [2].

По второму способу фосфид цинка можно получить путем восстановления безводного фосфорнокислого цинка водородом или другим восстановителем [3] по ниже приведенной реакции:

Zn ₃ (PO ₄ ) ₂ + 8Н ₂ = Zn ₃ P ₂ +8Н ₂ O?

Полученную кристаллическую соль Zn ₃ (PO ₄ ) ₂ · 4Н ₂ O при 250 ?С подвергают дегидратации до постоянной массы. Образовавшийся безводный Zn ₃ (PO ₄ ) ₂ помещают в кварцевую трубку и вытеснив воздух водородом, нагревают до 1030-1050?С. Препарат частично возгоняется и оседает на стенках трубки в виде серебристо-серых кристаллов по сведениям авторов [3].

Водород можно заменить древесным углем. Для этой цели смешивают эквивалентные количества безводного Zn ₃ (PO ₄ ) ₂ и угля в виде порошка и смесь нагревают до 1000-1050 ⁰ С в токе чистого азота и фосфид цинка частично возгоняется по ниже представленной реакции:

Zn ₃ (PO ₄ ) ₂ + 8C= Zn ₃ P ₂ +8CO

Состав полученного продукта близок к теоретическому .

Одним из методов получения фосфида цинка в промышленных условиях является пироспособ [4], в соответствии с которым т ехнологический процесс основан на способности расплавленного цинка давать с элементарным фосфором соединение Zn ₃ P ₂ .

Реакция протекает с образованием некоторого количества тепла по уравнению:

6Zn + P ₄ = 2Zn ₃ P ₂ + Q

Теплота образования фосфида цинка из указанных химических элементов составляет 55 ккал/моль.

В качестве основного агрегата, для проведения указанной реакции, используется реактор – аппарат типа мельницы.

Корпус реактора изготовлен из углеродистой стали с толщиной обечайки 20мм. Одна из цапф реактора – служит для подачи фосфора при проведении реакции и ввода термопары для контроля температуры в реакторе. Через полую цапфу загружаются стержни (штанги) диаметром 56 мм и длиной 1150 мм в количестве 950кг, которые служат для перемешивания реагентов при проведении реакции и размола полученного продукта.

В обечайке реактора имеется люк, предназначенный для загрузки цинка, графита или нефтекокса и перерабатываемых отходов, а также для выгрузки готового продукта.

Жидкий фосфор через полую цапфу с помощью специальной трубки подается в реактор, предварительно загруженный цинком и нагретый в электромуфеле до температуры, при которой цинк полностью расплавляется. Подача фосфора производится постепенно, с учетом скорости образования Zn ₃ P ₂ .

Вращение реактора и стержневая (штанговая) загрузка способствуют тщательному перемешиванию реагирующих компонентов и ускорению хода протекания реакции.

Как указано выше, реакция образования фосфида цинка является экзотермической, поэтому разогрев реактора необходим только для начала процесса. По этому, одновременно с началом дозировки компонентов продукционной смеси нагрев электромуфеля отключается.

Процесс образования фосфида цинка протекает при температуре 450-500 ⁰ С, и в следствии этого перегрев реактора свыше 550-600 ⁰ С недопустим из за того, что при этих температурах резко ускоряется процесс износа обечайки реактора. При температуре больше 700 ⁰ С начинается обратный процесс – разложение фосфида цинка с выделением элементарного фосфора, приводящего к образованию пентаоксида фосфора, удушающего газообразного соединения, по реакции Р ₄ +SO ₂ =2P ₂ O ₅ и ухудшению экологической обстановки.

Регулирование температуры технологического процесса производится с помощью включения электромуфеля, охлаждающего вентилятора, снятием крышки муфеля и путем изменения скорости подачи фосфора в реактор.

Пары фосфора и некоторое количество пыли фосфида цинка выходят через полую цапфу реактора и поступают на очистку в систему турбулентного промывателя .Р еакция образования фосфида цинка заканчивается с прекращением подачи фосфора в реактор.

По окончании реакции реактор с фосфидом цинка в течение 10 минут прокручивается для уменьшения содержания свободного фосфора и устанавливается на специальную станину для охлаждения и разлома. С целью улучшения размалываемости продукта в реактор перед каждой операцией, вместе с цинком необходимо вводить 0,4 ? 0,5%, от веса продукта, нефтяной кокс или молотый графит.

Основными недостатками указанного способа являются:

– применение элементного фосфора, работа с которым требует особой осторожности из-за его физико-химических свойств и приводимых к не заживаемым ожогам; – появление при проливе фосфора, удушающего газа за счет его окисления кислородом воздуха до пентаоксида фосфора; – значительная длительность процесса получения фосфида цинка.

На основании проведенного анализа литературной и патентной информации нами предлагается более дешевый и высокоэффективный электротермический способ получения фосфида цинка из отходов производств.

По предлагаемой технологии, из цинк содержащего шлака свинцового завода кроме фосфида цинка и феррофосфора, можно получать также силикокальций и ферросилиций, используемые в различных отраслях экономики Республики Казахстан.

Электротермический способ получения фосфида цинка осуществляется в нагретом реакторе-аппарате, электропечи, в которую загружают предварительно смешанную шихтовую смесь, состоящую из шлака свинцово-цинкового производства, феррофосфора и металлургического кокса или угля, из расчета получения трех товарных продуктов – фосфида цинка Zn ₃ P ₂ , ферросилиция FeSi и силикокальция CaSi ₂ .

Предполагаемые нами основные химические реакции, протекающие в процессе получения фосфида цинка, приведены ниже и на их основании произведен расчет термодинамических характеристик возможности получения фосфида цинка по суммарным реакциям:

1)

2)

Слагающими суммарных реакций являются:

3)

4)

5)

6)

7)

8)

С целью снижения топливных затрат в виде металлургического кокса, в процессе исследований применялись и внутренние вскрышные породы угледобывающей промышленности.

Необходимость применения внутренних вскрышных пород связана с содержанием в них алюмосиликатов, оксидов железа и натрия, позволяющих снизить температуру плавления шихтовой смеси на 70-120 ?С , а также до 50% свободного углерода.

Зависимости выхода фосфида цинка от количества восстановителя, температуры и времени приведены на рисунках 1-3, соответственно

Рис. 1. Зависимость выхода фосфида цинка от количества восстановителя

Рис. 2. Зависимость выхода фосфида цинка от времени плавки шлака

Рис. 3. Зависимость выхода фосфида цинка от температуры

По нашему мнению, применение предлагаемой технологии позволит значительно улучшить экологическую обстановку и безопасность жизнедеятельности в промышленных регионах с получением экономически целесообразных продуктов в виде фосфида цинка, ферросилиция и силикокальция.

Так же нами предлагается введение части материала непосредственно в реакционную зону реактора – аппарата. Это позволит интенсифицировать процесс получения фосфида цинка, улучшить промышленную безопасность производственного цикла.

Кроме того, исследование механизмов образования продуктов реакции и апробация новых продуктов в промышленном масштабе, позволят решить поставленную задачу комплексного использования техногенных отходов и вторичных материалов, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат, на технологический процесс и фосфида цинка, и его себестоимости в сравнении с существующей технологией с одновременным решением экологических проблем.

Список использованных источников:

1. Развитие нормативно-правовой базы в области обращения с отходами в Республике Казахстан// Юрист. - 2005.- №12(54).

2. Угай Я.А. Введение в химию полупроводников. - М.: Высш. школа, 1965. - С.265.

3. Амирова С.А. Печковский В.В., Тюленева Г.Е. //Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 1967. - т.10, №1. - С.3.

4. Технологический регламент по производству фосфида цинка на опытно-промышленной установке ОАО РИЦ Технопарк - Юг. Региональный инновационный Центр. - 34 c.