Химические науки/физическая химия

К.т.н. Маматов Э.Д., к.т.н. Ашуров Н.А., проф. Мирсаидов У.М.

Институт химии им.В.И.Никитина Академии наук РТ

Изучения физико-химических свойств борсодержащих руд Таджикистана

К настоящему времени выявлено достаточно много эндогенных месторождений бора различных минеральных типов, в том числе и месторождений промышленного значения. На территории Таджикистана имеются огромные запасы борсодержащих руд - данбуритов, которые отличаются от других борсодержащих руд - датолита, коллеманита, ашарита, иньоита и др. химическим, минералогическим составом и кристаллической структурой.

Ранее в работах [1, 2] нами изучено взаимодействие боратных руд данбуритов с серной и соляной кислотами, найдены оптимальные условия извлечения полезных компонентов и работе [3, 4] изучены получения борной кислоты и его соединения из боратных руд.

Химический и минералогический состав данбуритовых пород был определен объемным, весовым, пламенно-фотометрическим [5, 6] и РФА методами анализов.

В работе использовали следующие методы химического анализа: перманганатометрию, комплексонометрию, пламенную фотометрию.

Содержание оксидов В, Al, Fe, Са, Мg и Si в исходном сырье определяли как весовым, так и комплексонометрическим методами. Содержание щелочных металлов Na и K определяли методом пламенной фотометрии.

Методом РФА установлено, что главными рудообразующими минералами исходного данбурита являются: данбурит, датолит, гидроборацит, гранат, пироксены (или геденбергит), гидрослюда, монтмориллонит, кальцит, кварц и др. Результаты РФА исходного данбурита приведены на рис.1, а РФА прокаленного данбурита при температуре 950-980°С - на рис.2.

Очевидно, что при прокаливании происходит термодеструкция этих минералов и перестройка кристаллической структуры α-модификаций в β- или γ-формы, которые отличаются хорошей растворимостью.

В процессе термической обработки до 900°С железосодержащие минералы пироксен (или геденбергит) и гранат не претерпевают никаких изменений, с увеличением температуры выше 950°С постепенно превращаются в легковскрываемую форму.

Превращение пироксена, граната, гидрослюды, монтмориллонита и частично кварца в легковскрываемую форму наблюдается с увеличением времени термообработки. Основное содержание оксида железа находится в составе пироксена и граната, а алюминия - в составе гидрослюды и монтмориллонита, которые являются сопутствующими минералами в данбуритовой руде. Как видно из рентгенограмм исходного (рис.1), и термически обработанного данбурита (рис.2), пики, относящиеся к железо-, алюминий- и борсодержащим минералам идентичны.

Рис.1. Рентгенограмма исходного данбурита месторождения Ак-Архар: кв – кварц, к – кальцит, г – гранат, д – данбурит, дат - датолит, п – пироксены, гидрос – гидрослюда, гид – гидроборацит, монт - монтмориллонит.

Согласно данным рентгенофазового анализа исходного данбурита и данбуритового концентрата выявлено, что минералогический и химический составы исходного данбурита и данбуритового концентрата не изменяются, а при предварительном обжиге происходит ряд изменений. При сопоставлении рентгенограмм исходного и обожженного данбуритового концентрата (рис.3 и рис.4) видно, что руда не теряет кристаллическую структуру, а также при обезвоживании данбурита образуется соединение, обладающее большей реакционной способностью. Минерал кварц при высоких температурах превращается в более активную α- и β– аморфную формы, которая начинает частично взаимодействовать с оксидом кальция.

Рис.2. Рентгенограмма данбурита месторождения Ак-Архар после предварительного обжига: кв – кварц, к – кальцит, г – гранат, д – данбурит, дат - датолит, п – пироксены, гидрос – гидрослюда, гид – гидроборацит, монт - монтмориллонит.

Рис.3. Рентгенограмма исходного концентрата данбурита: кв – кварц, к – кальцит, г – гранат, д – данбурит, дат - датолит, п – пироксены, гидрос – гидрослюда, гид – гидроборацит, монт - монтмориллонит.

Рис.4. Рентгенограмма концентрата данбурита после предварительного обжига: кв – кварц, к – кальцит, г – гранат, д – данбурит, дат - датолит, п – пироксены, гидрос – гидрослюда, гид – гидроборацит, монт - монтмориллонит.

Из термограмм исходного данбурита (рис.5) и данбуритового концентрата (рис.6) видно, что в интервале температур 960-1050ºС наблюдается эндотермический эффект с разложением данбурита.

Рис.5. Термограмма исходного данбурита.

Одновременно с разложением данбурита образуется жидкая фаза, а при 1040-1050°С материал полностью расплавляется. Результаты опытов показали, что наиболее рациональными условиями термической обработки без расплавления являются: температура - 950-980ºС, продолжительность прокаливания – 60 мин.

При этих условиях степень последующего кислотного разложения данбурита составляет не менее 90%.

Рис.6. Термограмма исходного данбуритового концентрата.

Согласно данным термограмм и рентгенофазового анализа, при температуре до 700°С исходный данбурит (рис.5) не претерпевает никаких изменений. Выше этой температуры (первый эндотермический эффект) происходят изменения, связанные с удалением воды, которые полностью заканчиваются при 800°С. При этом данбурит не теряет кристаллической структуры. Вероятно, при обезвоживании образуются соединения, обладающие большей реакционной способностью, чем не прокаленный материал.

При температуре 950-980°С (второй эндотермический эффект) данбурит разлагается с образованием дибората кальция CaO·В₂O₃, силиката кальция CaO·SiO₂, кварца α-SiO₂.

При термической обработке данбуритового концентрата минералы, входящие в его состав, претерпевают ряд изменений (рис.6). На основании проведенных опытов и согласно результатам анализов можно сделать вывод, что при температурах до 700°С данбуритовый концентрат не претерпевает почти никаких изменений. Изменения, связанные с удалением летучих компонентов, наблюдаются при температурах 735-750°С (первый эндотермический эффект). Изменения, наблюдаемые при температурах 860 и 930°С, приводят к изменению бурого цвета данбуритового концентрата на серый, и превращению алюминийсодержащих минералов в муллит (второй и третий эндотермические эффекты). Изменения в составе данбуритового концентрата при 950°С и выше (четвертый и пятый эндотермические эффекты) связаны с образованием некоторых компонентов, таких как бората и силиката кальция.

Литература

1. Маматов Э.Д., Ашуров Н.А., Курбонов А.С., Ятимов П., Мирсаидов У.М. - Докл. АН РТ, 2008, т.51, №4, с.271-273.

2. Ашуров Н.А., Маматов Э.Д., Курбонов А.С., Ятимов П., Мирсаидов У.М. - Докл. АН РТ, 2008, т.51, №6, с.432-435.

3. Берлин Л.Е. Производство борной кислоты, буры и борных удобрений. – М.-Л.: Госхимиздат, 1950, 111 с.

4. О механизме разложения боратов в растворах карбонатов натрия / Караханов А.А., Марданенко В.К., Калачева В.Г, Гусева Г.П. – Рук.деп. в ВИНИТИ 14 окт.1973, № 6110 – 73.

5. Алимарин М.П., Ромм М.И. Методика определения бора в силикатных минералах и борных породах. – М.-Л.: Гостехиздат, 1932.

6. Химический анализ силикатных материалов. – Под ред. д.х.н. А.К.Баева. – Минск: Полыма, 1983. – 35 с.