Научный задел. Данное исследование проводится в рамках утвержденного Научного направления «Переработка неорганических ресурсов» Научного центра «Проблем переработки минеральных и техногенных ресурсов» Санкт-Петербургского горного университета.

Текущее состояние проблемы. В России перерабатывается около 1% фосфогипса, а тенденция постоянного роста производственных мощностей ЭПА приводит к тому, что ежегодно фосфорсодержащие отходы образуются в количестве 140-200 млн. тонн. Таким образом, в России проблема утилизации фосфогипса не решена, несмотря на то, что он может быть использован в качестве вяжущего в дорожном строительстве. Данный вид утилизации нельзя считать масштабной переработкой этих отходов. Кроме того, транспортировка фосфогипса затруднена даже на средние расстояния из-за его высокой гигроскопичности и легкой подвижности.

Целью данного исследования является выявление кислотных примесей в отходах фосфогипса и их влияние на переработку фосфогипса. В данном исследовании также рассматривался вопрос повышения чистоты исходного фосфогипса, для повышения эффективности переработки на примере получения CaCO₃.

Решаемая проблема. Статья посвящена исследованию влияния остаточных серной и фосфорной кислот на процесс переработки крупнотоннажных отходов фосфогипса (ФГ) в карбонат кальция. Проблема использования фосфогипса в народнохозяйственных целях начала возникать еще до того, как исследователи уже находились на стадии разработки процессов получения ЭПА. Тем не менее, широкая распространенность и дешевизна гипса препятствовали внедрению развивающихся технологий переработки фосфогипса.

Методы исследования. В качестве объекта исследования был выбран отвальный фосфогипс с промышленной площадки ("Фосагро", г. Волхов). Был проведен термодинамический расчет предполагаемого взаимодействия фосфогипса с карбонатами показал, что характерная реакция является возможна. Процесс конверсии фосфогипса с получением соответствующего карбоната кальция был проводился при 70 ºС. Данные о химическом составе продуктов реакции, полученные с помощью рентгеновского флуоресцентного анализа на спектрометре Shimadzu EDX-7000, показали, что некоторые реакции протекают неполноценно и требуют подбора оптимальных условий. Потенциальная коммерческая выгода от переработки фосфогипса путем карбонизации были определены для таких продуктов, как карбонат кальция или его производных.

Результаты исследования. Результаты показали, что во время автоматической промывки фосфогипса потери составляют приблизительно 30-35 масс. %. Также было установлено, что фосфогипс на 22% состоит из примесей фосфорной и серной кислот. Эти кислоты являются характерными отходами производства экстракционной фосфорной кислоты (ФК). Согласно ASTM C471M-20ae1, содержание дегидрата сульфата кальция и гемигидрата до и после промывки. Путем разработки специальных режимов промывки исходного фосфогипса удалось повысить реакционную способность ПГ в 1,2 раза за счет удаления кислых примесей. Выход CaCO₃ был достигнут до 70,6% в реакции с карбонатом натрия и 65,0% с карбонатом калия.

Детали исследования. Фосфогипс представляет собой порошок серо-белого цвета, массовая доля основного вещества в пересчете на сульфат кальция-60%. Соли Na2CO3, K2CO3 и (NH4)2CO3 были использованы для проведения исследований влияния кислой среды фосфогипса. Исследования основывались на следующих реакциях (1)-(3):

Согласно полученным данным, следует, что выход карбоната кальция напрямую зависит от содержания остальных кислот в фосфогипсе. Для реакции с карбонатом натрия (реакция (1)), содержание карбоната кальция в промытом фосфогипсе в 1,15 раза выше, чем в кислотосодержащем фосфогипсе. Для реакции с карбонатом калия (реакция (2)), аналогичное значение составило 1,2 раза, соответственно.

Результат рентгенофлуоресцентного анализа полученного продукта представлен на рисунке 1.

Изучение осадка методом лазерной дифракции показало, что крупность CaCO₃ варьировалась от 0,2 до 5 нм для всех полученных образцов. Оценка размера пор в синтезированных частицах CaCO₃ была также проведена методом адсорбции и десорбции азота (метод Брунауэра-Эмметта-Теллера, БЭТ). Метод БЭТ показал, что площадь поверхности частиц, имеющих диаметр 500±90 нм, составляет 16,1 м²/г, а сами частицы являются мезопористыми.

Заключение. Основой исследования является выбор направления эффективной комплексной переработки сырья техногенного происхождения. Реализация таких решений способствует рациональному использованию минерально-сырьевой базы страны и повышает эффективность ее воспроизводства, а также снижает загрязнение окружающей среды.

Полученные результаты показывают, что полученный лабораторный образец карбоната кальция может быть использован в строительной промышленности и в бумажной промышленности в качестве отбеливающего агента. Дальнейшее изучение вопроса конверсии фосфогипса с получением кальция будет направлено на получение карбоната кальция более высокой чистоты.