Изучение влияния сверхкритического диоксида углерода на процесс конверсии казахстанского фосфогипса

Проект Министерства образования и науки Республики Казахстан

ИРН: AP08957404

Актуальность проекта. Предлагаемый проект нацелен на разработку основ технологии конверсии казахстанского фосфогипса (ФГ), с целью дальнейшей его переработки на следующие ценные компоненты: редкоземельный концентрат, очищенный карбонат кальция и соли тяжелых металлов. Переработка ФГ является актуальной проблемой для всех стран-экспортеров минеральных фосфорных удобрений, так как ФГ является неизбежным побочным продуктом при их производстве. Казахстан является крупным поставщиком минеральных удобрений в Средней Азии. Разработка эффективной, безотходной технологии переработки местного ФГ решит сразу несколько проблем: утилизация крупнотоннажных фосфорных отходов, пагубно влияющих на экологию региона; получение карбоната кальция и редкоземельного концентрата из вторичного сырья.

Цель проекта. Разработка фундаментальных основ технологии конверсии казахстанского фосфогипса для получения чистого карбоната кальция и редкоземельного концентрата.

Задачи проекта.

1) изучение качественного и количественного составов казахстанского фосфогипса;

2) разработка методики отмывки фосфогипса от водорастворимых примесей;

3) разработка методики конверсии отмытого фосфогипса в среде сверхкритического диоксида углерода;

4) разработка методики получения гидрокарбоната кальция из карбоната кальция в сверхкритических условиях. 

Основные члены проекта

1. Руководитель проекта: Токпаев Рустам Ришатович, PhD, ведущий научный сотрудник.

Author ID в Scopus – https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56998810900

Researcher ID Web of Science: https://www.webofscience.com/wos/author/record/32583061

Researcher ID Publons https://publons.com/researcher/2424520/rustam-r-tokpayev/

ORCID https://orcid.org/0000-0002-0117-4454

Researcher Gate - https://www.researchgate.net/profile/Rustam-Tokpayev

Google Scholar - https://scholar.google.com/citations?user=bmnxQHEAAAAJ&hl=ru

Исполнители:

2. Хаваза Тамина Наримановна, ответственный исполнитель, научный сотрудник:

Author ID в Scopus – https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57345081100

Researcher ID Web of Science: https://www.webofscience.com/wos/author/record/30114620

ORCID — https://orcid.org/0000-0002-1614-3060

Researcher Gate — https://www.researchgate.net/profile/Tamina-Khavaza

3. Ибраимов Заир Таирович, докторант 2 курса, младший научный сотрудник:

Author ID в Scopus – https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57345388600

ResearcherID Web of Science: https://www.webofscience.com/wos/author/record/32540595

Researcher Gate — https://www.researchgate.net/profile/Zt-Ibraimov/research

Используемые методы:

1. ICP-MS

2. SEM

3. XRD

4. Атомно-абсорбционная спектроскопия

5. Рентгенофлуоресцентный анализ

6. Выщелачивание

7. Разложение с микроволновой подготовкой образцов

8. Гравиметрия

Ожидаемые результаты

Будут изучены физико-химические характеристики исходного сырья – фосфогипса методами рентгенофазового, рентгенофлуоресцентного анализов, методом сканирующей электронной микроскопии, а также элементным количественным химическим анализом;

Будет разработан лабораторный метод отмывки фосфогипса с максимальным удалением водорастворимых примесей;

Будет разработана методика конверсии отмытого фосфогипса в простых лабораторных условиях и в среде сверхкритического диоксида углерода;

Будет разработана методика получения гидрокарбоната кальция из карбоната кальция в сверхкритических условиях.

Публикации:

- 1 статья в издании, рекомендованном ККСОН МОН РК.

- 1 статья в рецензируемых зарубежных научных изданиях, которые входят в 1 (первый), 2 (второй) и/или в 3 (третий) квартили в базе данных Web of Science и/или имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти).

Достигнутые результаты.

Доставлена генеральная проба исходного сырья – казахстанского фосфогипса, а также проведена ее пробоподготовка. Определены качественный и количественный составы ФГ предприятия ТОО «КазФосфат». Основными фазами ФГ являются минерал бассанит CaSO₄×0,5H₂O, кварц SiO₂, малладрит Na₂SiF₆ и др. Содержание бассанита составляет 73,3% масс., суммарное содержание РЗМ составляет 0,02% масс.   Микроснимки СЭМ говорят об отсутствии игольчатых кристаллов гипса, бассанита, что свидетельствует о сложном морфологическом составе ФГ. Подобраны режимы промывки фосфогипса с целью удаления водорастворимых солей фосфатов и фторидов. Проведена конверсия отмытого ФГ в условиях сверхкритического CO₂, оптимизация процесса конверсии с целью максимального переведения сульфата кальция в карбонат кальция осуществлялась методом крутого восхождения. 

ПУБЛИКАЦИИ ПО ПРОЕКТУ:

Статьи в журналах Комитета по обеспечению качества в сфере образования и науки Министерства образования науки Республики Казахстан:

1.   Т.Н. Хаваза, Р.Р. Токпаев, З.Т. Ибраимов, А.А. Атчабарова, М.К. Наурызбаев. Изучение процессов выщелачивания иттрия и лантана из казахстанского фосфогипса // Вестник КазНИТУ. – 2019. – №6 (136). – С. 863-867.

Статьи в международных журналах:

1. R.R. Tokpayev, T.N. Khavaza, Z.T. Ibraimov, K.K. Kishibayev, A.A. Atchabarova, S.K. Abdimomyn, D.A. Abduakhytova, M.K. Nauryzbayev.  Phosphogypsum conversion under conditions of SC-CO₂.  Journal of CO₂ Utilization. (63), 2022.  DOI 10.1016/j.jcou.2022.102120. Q1, IF= 8.321, процентиль - 90%, CiteScore – 11,3; SJR - 1.392 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982022002396 )

Заметка по статье:

Опубликована статья Phosphogypsum conversion under conditions of SC-CO₂.  Journal of CO₂ Utilization в Journal of CO₂ Utilization (Q1, IF= 8.321, процентиль - 90%, CiteScore – 11,3; SJR - 1.392.):

В статье изучен процесс sc-CO₂ конверсии фосфогипса – отхода производства минеральных удобрений ТОО «Казфосфат». На сегодняшний день, на территории Казахстана накоплено свыше 30 млн. тонн фосфогипса, низкий радиационный фон которого позволяет его перерабатывать в такие ценные компоненты, как строительные материалы, соли РЗЭ, стронция. Для описания процесса конверсии применяли метод полного факторного эксперимента, оптимизацию процесса конверсии ФГ в карбонат кальция проводили с помощью симплекс метода. Результаты, полученные в ходе оптимизации процесса конверсии, свидетельствуют о возможности сокращения реагентов, а также времени процесса конверсии по сравнению с существующими технологиями. Степень конверсии составила 78% за 10 мин процесса, при температуре 35 °С. Конверсия проводилась на полупромышленном сверхкритическом оборудовании с максимальным потоком sc-CO₂ до 5000 г/мин и встроенной системой рециркуляции диоксида углерода. Характеристика исходных образцов ФГ, а также продуктов и полупродуктов конверсии проводилась методами РФА, СЭМ, атомно-абсорбционной спектроскопией, ICP-MS, гравиметрическими методами. Для получения более чистого карбоната кальция была проведена предварительная очистка ФГ от водорастворимых примесей. В результате процесса конверсии ФГ был получен мелкодисперсный карбонат и гидрокарбонат кальция, а также раствор сульфата натрия.

Благодарим ҚР Ғылым және жоғары білім министрлігі / Министерство науки и высшего образования РК и ҚР ҒЖБМ Ғылым комитеті/Комитет науки МНВО РК за поддержку данного исследования в рамках проекта (ИРН: AP08957404), 2020-2021 гг.

Тезисы материалы конференций (ФИО докладчика подчеркнуто):

1. R.R. Tokpayev, T.N. Khavaza, Yu. A. Shapovalov, М.K. Nauryzbayev, F.M. Gumerov, S.V. Mazanov, S.A. Soshin. Optimization of process parameters for the operation of a flow-through supercritical unit. IEECP’21, July 29-30, 2021, Silicon Valley, San Francisco, CA – USA, DOI: https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.14810268

2. Хаваза Т.Н., Ибраимов З.Т., Калина И.А., Токпаев Р.Р., Наурызбаев М.К. Сверхкритический диоксид углерода в процессах извлечения ценных компонентов из фосфогипса. XI Научно‐практическая конференция с международным участием «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» 21 – 25 июня 2021 г., г. Новосибирск. С. 434-435.

3. Ибраимов З.Т., Хаваза Т.Н., Əбдімомын С.Қ., Вороговская Е.Р., Токпаев Р.Р. Очистка фосфогипса от водорастворимых примесей в процессе его комплексной переработки // Материалы международной научной конференции студентов и молодых ученых «ФАРАБИ ƏЛЕМІ», Алматы, 6-8 апреля 2021 г. – С.110.

Потенциальным пользователям проекта: Если Вы заинтересованы в использовании разработанной технологии, обращайтесь к руководителю проекта Токпаеву Рустаму Ришатовичу по электронному адресу: rustamtokpaev@mail.ru. Мы непрерывно ищем сотрудничество в данной области исследования.