Ученые Пермского Политеха выяснили, как ультразвук помогает очистить руду для удобрений

Сильвинитовая руда является важным сырьем для получения удобрений, которые повышают урожайность сельскохозяйственных культур. Помимо целевого компонента хлорида калия в руде содержатся примеси – глинистые шламы. Проблема в том, что их присутствие в руде снижает степень извлечения хлорида калия, поэтому руду необходимо очистить от шламов. Для этого применяют специальные реагенты – флокулянты, которые помогают отделять сильвинит от примесей. Ученые Пермского Политеха выяснили, что ультразвуковая обработка флокулянта повышает степень извлечения шламов до 63%.

Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология», №4, 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Россия – один из мировых лидеров по производству и экспорту калийных удобрений. Калий является одним из трех основных макроэлементов, необходимых для роста и развития растений (наряду с азотом и фосфором). Он играет ключевую роль в обмене веществ, повышает устойчивость растений к засухе, болезням и вредителям, а также улучшает качество урожая.

Хлорид калия получают из сильвинитовой руды, в состав которой также входят и другие вещества, например, глинисто-солевые шламы – мелкие кристаллические частицы горной породы и минералов, то есть побочные продукты. Как к любому удобрению, к хлористому калию предъявляются особые требования по соответствию качества готового продукта утвержденным стандартам, он не должен содержать никаких лишних примесей.

Процедуру очистки сильвинита от шламов проводят при помощи процесса флотации – метода, который основан на том, что одни минералы плохо смачиваются водой и прилипают к пузырькам воздуха, стремясь подняться на поверхность в виде пенки, а другие смачиваются хорошо и остаются в жидкости. В процессе флотации сильвинитовая руда измельчается и смешивается с водой, образуя суспензию. Затем в нее добавляют специальные химические реагенты – флокулянты. Они «захватывают» мелкие частицы шламов, «склеивают» с пузырьками воздуха и таким образом отделяют от руды. При этом для усиления действия флокулянтов эти вещества предварительно обрабатывают ультразвуком, то есть звуковыми волнами с частотой выше слышимого диапазона (обычно выше 20 кГц): благодаря этому улучшаются физико-химические свойства реагента и сокращается время, необходимое для очищения.

Ученые Пермского Политеха определили, как на свойства флокулянтов влияет низкочастотная ультразвуковая обработка (22 кГц).

Эксперименты по флотации шламов проводили с использованием лабораторной установки в течение 6 минут. Частота ультразвука устанавливалась на уровне 22 кГц, поскольку именно при таком показателе частицы в растворе начинают разрушаться на более мелкие, которые будут легче прилипать к пузырькам воздуха и подниматься на поверхность, образуя легко удаляемую пену из шламовых остатков.

– Мы наблюдали, что в результате ультразвукового воздействия уменьшалась и вязкость раствора. Чем выше мощность ультразвука, тем сильнее разрушаются структуры в растворе. Это важно потому, что вязкость суспензии не должна быть слишком высокой, чтобы не затруднять процесс перемешивания и флотации, – дополняет Алексей Чернышев, аспирант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ.

– Эксперимент показал, что повышение способностей флокулянта происходит одновременно с увеличением мощности ультразвуковой обработки, начиная с 0,68 Вт/см3. Низкие частоты приводят к тому, что частицы шлама будут связываться между собой. Максимальный прирост их извлечения из сильвинитовой руды по сравнению с контрольным экспериментом составил 3%. Шламы, которые находятся внутри хлорида калия, с трудом поддаются извлечению, поэтому в таком случае данный показатель сильно повышает эффективность флотации, – рассказывает Владимир Пойлов, профессор кафедры «Химические технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.

Таким образом сочетание ультразвуковой обработки с флотацией может повысить эффективность очищения сильвинита от шламов до 63%, в то время как обычно степень извлечения не превышает 60%.

Результаты исследования ученых Пермского Политеха имеет практическое значение для повышения эффективности очистки сильвинитовой руды и, как следствие, для увеличения качества и объемов производства калийных удобрений.