Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому.
Полнотекстовый поиск
Всего работ:
364150
Теги названий
Разделы
Авиация и космонавтика (304)
Административное право (123)
Арбитражный процесс (23)
Архитектура (113)
Астрология (4)
Астрономия (4814)
Банковское дело (5227)
Безопасность жизнедеятельности (2616)
Биографии (3423)
Биология (4214)
Биология и химия (1518)
Биржевое дело (68)
Ботаника и сельское хоз-во (2836)
Бухгалтерский учет и аудит (8269)
Валютные отношения (50)
Ветеринария (50)
Военная кафедра (762)
ГДЗ (2)
География (5275)
Геодезия (30)
Геология (1222)
Геополитика (43)
Государство и право (20403)
Гражданское право и процесс (465)
Делопроизводство (19)
Деньги и кредит (108)
ЕГЭ (173)
Естествознание (96)
Журналистика (899)
ЗНО (54)
Зоология (34)
Издательское дело и полиграфия (476)
Инвестиции (106)
Иностранный язык (62792)
Информатика (3562)
Информатика, программирование (6444)
Исторические личности (2165)
История (21320)
История техники (766)
Кибернетика (64)
Коммуникации и связь (3145)
Компьютерные науки (60)
Косметология (17)
Краеведение и этнография (588)
Краткое содержание произведений (1000)
Криминалистика (106)
Криминология (48)
Криптология (3)
Кулинария (1167)
Культура и искусство (8485)
Культурология (537)
Литература : зарубежная (2044)
Литература и русский язык (11657)
Логика (532)
Логистика (21)
Маркетинг (7985)
Математика (3721)
Медицина, здоровье (10549)
Медицинские науки (88)
Международное публичное право (58)
Международное частное право (36)
Международные отношения (2257)
Менеджмент (12491)
Металлургия (91)
Москвоведение (797)
Музыка (1338)
Муниципальное право (24)
Налоги, налогообложение (214)
Наука и техника (1141)
Начертательная геометрия (3)
Оккультизм и уфология (8)
Остальные рефераты (21697)
Педагогика (7850)
Политология (3801)
Право (682)
Право, юриспруденция (2881)
Предпринимательство (475)
Прикладные науки (1)
Промышленность, производство (7100)
Психология (8694)
психология, педагогика (4121)
Радиоэлектроника (443)
Реклама (952)
Религия и мифология (2967)
Риторика (23)
Сексология (748)
Социология (4876)
Статистика (95)
Страхование (107)
Строительные науки (7)
Строительство (2004)
Схемотехника (15)
Таможенная система (663)
Теория государства и права (240)
Теория организации (39)
Теплотехника (25)
Технология (624)
Товароведение (16)
Транспорт (2652)
Трудовое право (136)
Туризм (90)
Уголовное право и процесс (406)
Управление (95)
Управленческие науки (24)
Физика (3463)
Физкультура и спорт (4482)
Философия (7216)
Финансовые науки (4592)
Финансы (5386)
Фотография (3)
Химия (2244)
Хозяйственное право (23)
Цифровые устройства (29)
Экологическое право (35)
Экология (4517)
Экономика (20645)
Экономико-математическое моделирование (666)
Экономическая география (119)
Экономическая теория (2573)
Этика (889)
Юриспруденция (288)
Языковедение (148)
Языкознание, филология (1140)

Курсовая работа: Экологические аспекты преподавания темы "Ванадий и его применение" в школьном курсе химии

Название: Экологические аспекты преподавания темы "Ванадий и его применение" в школьном курсе химии
Раздел: Рефераты по педагогике
Тип: курсовая работа Добавлен 12:51:34 12 октября 2010 Похожие работы
Просмотров: 941 Комментариев: 2 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать

ВВЕДЕНИЕ

История ванадия началась в 1801 г. Его открыл мексиканский минералог А. М. дель Рио в свинцовой руде и назвал эритронием (от греч. "erythros" — красный) из-за цвета соли этого элемента. Однако четыре года спустя это открытие было опровергнуто ошибочным заключением о том, что новое вещество представляет собой содержащий примеси хромат свинца.

Повторно открыл элемент в 1830 г. шведский химик Н. Сефстрём, анализируя пробы железной руды. Сефстрём назвал новый элемент ванадием по имени легендарной древнескандинавской богини красоты Ванадис.


ГЛАВА 1. ВАНАДИЙ: ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ РЕСУРСЫ, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДСТВО И ПОТРЕБЛЕНИЕ

Немецкий химик Ф. Вёлер, изучая образцы мексиканской свинцовой руды, доказал, что эритроний и ванадий — один и тот же химический элемент. В итоге элемент сохранил название "ванадий", а его первооткрывателями считают двух ученых: А. М. дель Рио и Н. Сефстрёма.

Металлический порошок ванадия впервые получил в 1865 г. английский химик Г. Роско восстановлением хлорида ванадия(И) VC12 водородом. Пластичный, ковкий ванадий был получен лишь в 1927 г. Морденом и Ричем при восстановлении оксида ванадия(У) V2 05 кальцием.

ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ

Ванадий — весьма распространенный элемент: его содержание в земной коре составляет 1,9"2 % (здесь и далее используются проценты по массе), что больше содержания таких элементов, как Pb, Sn, Со, Ni, Zn, Сг и даже Си. В свободном виде в природе он не встречается. Минералы, богатые ванадием, встречаются редко. Это ванадинит (содержит 19 % V2 05 ), патронит (17-29 %), деклуазит (22 %), купродеклуазит (17-22 %), карнотит (20 %), роскоэлит (21-29 %).

Ванадий — типичный рассеянный элемент, и в литосфере большая его часть встречается в комплексных полиметаллических рудах: титаномагнетитовых, ильменит-магнетитовых, уран-ванадиевых, свинцово-цинковых, медных и др. В некоторых магнетитовых, титаномагнетитовых, осадочных железных рудах и ванадийсодержащих фосфоритах бывает до 2,5-3,0 % V2 05 . Основные запасы комплексных полиметаллических руд сосредоточены в ЮАР, Китае, России, США.

В России ванадий впервые был найден в Ферганской долине, позднее его обнаружили в керченских железных рудах, после чего было налажено производство отечественного феррованадия. Богатейшими источниками ванадия оказались уральские титаномагнетиты.

Прогнозируется, что в ближайшем будущем источниками извлечения ванадия могут быть оолитовые бурые железняки (железо-фосфористые руды), характеризующиеся низким содержанием V2 05 (0,07-0,2 %), но большими запасами; углисто-кремнистые сланцы (0,02-0,04 %); золы углей и горючих сланцев (0,2 %); железомарганцевые конкреции океанов (0,1 %).

Общие мировые промышленные запасы ванадия в рудах (в пересчете на V2 05 ) составляют около 28 млн. тонн, а прогнозные оцениваются в 100 млн. тонн, что при достигнутом уровне использования способно удовлетворять мировые потребности в течение 700 лет. Наибольшие запасы (около 65 %) сосредоточены в осадочных месторождениях — битуминозных сланцах, сырой нефти и нефтеносных песках, фосфатных породах. В настоящее время ванадий в основном извлекают из титаномагнетитовых, а также ильменит-магнетитовых руд, но и запасы титаномагнетитов могут обеспечить потребности промышленности в ванадии на сотни лет. Тем не менее роль техногенного сырья (продукты нефтепереработки, шлаки, золы) для его получения непрерывно возрастает.

Богатый источник металлов, в первую очередь ванадия и никеля, — нефть. Содержание ванадия в нефти колеблется в пределах 10"2 -10"5 %, а никеля — на порядок меньше. В 1 т нефти тяжелых сортов может содержаться до 300 г ванадия и около 40 г никеля. В битумах эти показатели в 7-10 раз больше. Преобладающая часть (иногда до 98 %) ванадия, присутствующего в сырой нефти, аккумулируется в получаемых после перегонки нефтяных остатках.

В процессе нефтепереработки ванадий и никель, как и другие тяжелые металлы, переходят в тяжелые высокотемпературные фракции, прежде всего в мазут, в котором их концентрация возрастает в десятки раз. Тяжелые фракции сжигают на ТЭС, при этом их органическая часть сгорает, а неорганическая оседает на поверхностях котлоагрегатов и газовых трактов. В результате содержание ванадия в золошлаковых отходах (ЗШО) ТЭС возрастает до 20-40 %, а никеля — до 5-12 %.

Таким образом, в нефти заключены значительные запасы ванадия, что позволит в ближайшем будущем расширить сырьевую базу его производства. По-видимому, наиболее заметную роль будет играть ванадийсодержащая нефть Венесуэлы, а также нефть некоторых месторождений Ирана, Кувейта и Саудовской Аравии, в 1 т которой содержится 20-180 г ванадия. По предварительным оценкам, разведанные в России запасы нефти содержат 7-10 млн. тонн ванадия.

По микроэлементному составу нефтей и их фракций накоплен обширный материал. Гораздо меньше сведений имеется о том, в каких формах эти элементы существуют в нефти и какова структура содержащих их соединений. До сих пор достоверно не выяснена точная химическая структура ни одного нефтяного вещества, содержащего микроэлемент, за исключением порфириновых комплексов ванадила (V02+ ) и никеля.

Порфирины представляют собой широко распространенные в живой природе пигменты, в основе молекул которых лежит порфинструктура из четырех колец пиррола (например, биологически важные комплексы порфирина с железом — гемоглобин, с магнием — хлорофилл). Порфирины обнаружены в нефти, битумах и ископаемых органических остатках.

При переработке битуминозных сланцев, нефтеносных песков, фосфатных пород металл накапливается в различных отходах: шлаках, шламах, золах, складируемых в огромных количествах в непосредственной близости от перерабатывающих предприятий. В последнее время накопители промышленных отходов некоторых металлургических предприятий с полным основанием могут рассматриваться в качестве техногенных месторождений, которые уже сегодня становятся важными источниками сырья, в частности ванадиевого.

Особо следует отметить, что растворимые и пылевые формы ванадия, содержащиеся в отходах и промежуточных продуктах ванадиевого и ряда других производств, представляют серьезную экологическую опасность. Соединения ванадия токсичны, они могут поражать органы дыхания, пищеварения, кровеносную и нервную системы, а также вызывать воспалительные и аллергические заболевания кожи.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

Ванадий — серебристо-серый твердый металл, плотность 6,11 г/см3 , температура плавления 1920 °С, температура кипения 3392 "С.

Чистый металл, не содержащий нитридов и карбидов, пластичен. Из пластичного ванадия в холодном состоянии без промежуточных отжигов можно изготовлять листы, прутки, тонкостенные трубы, проволоку, тонкую фольгу и т. п. Примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластические свойства ванадия и повышают его твердость и хрупкость.

При обычной температуре ванадий не подвержен действию воздуха, отличается высокой химической стойкостью в морской воде, водных растворах минеральных солей, довольно стоек к действию разбавленной соляной кислоты, не взаимодействует на холоду с разбавленными азотной и серной кислотами. По коррозионной стойкости в соляной и серной кислотах ванадий значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. Он реагирует с плавиковой кислотой, концентрированными азотной и серной кислотами, "царской водкой", не взаимодействует с растворами щелочей, но в расплавах щелочей в присутствии воздуха окисляется с образованием ванадатов.

При 600-700 °С ванадий интенсивно окисляется вплоть до высшего оксида — V2 05 . Выше 700 °С в токе азота он образует нитрид VN (желтые кристаллы, 1Ш = 2360 °С), отличающийся высокой химической стойкостью; с углеродом и углеродсодержащими газами выше 800 "С — карбид VC (черные кристаллы, tm = 2830 °С), обладающий высокой твердостью; с галогенами — галогениды и оксогалогениды, из которых практический интерес представляют VF5 , VF3 , VC14 , VC13 , VC12 , VOCl3 . В атмосфере с избытком хлора ванадий сгорает, образуя VC14 . С серой он образует сульфиды: V2 S2 , V2 S3 и V2 S5 — вещества темно-коричневого или черного цвета, которые на воздухе окисляются с образованием V2 05 и S02 .

С металлами ванадий дает сплавы и интерметаллические соединения. Он — перспективный металл для создания сплавов, работающих при более высоких температурах, чем никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы. Наиболее распространенные легирующие добавки ванадиевых сплавов - Ti, Nb, W, Zr.

В качестве необходимого микроэлемента ванадий входит в состав микроорганизмов, растений и животных. Его доля в организме взрослого человека должна составлять 10~5 %. Некоторые организмы, например асцидии, лишайники, мухоморы, избирательно концентрируют ванадий.

ГЛАВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ВАНАДИЯ

Ванадий образует соединения, проявляя степени окисления от +2 до +5, при этом наиболее стойки и типичны соединения, в которых он проявляет высшую степень окисления. С увеличением степени окисления ванадия усиливаются кислотные свойства его оксидов, а также их химическая стойкость.

Монооксид ванадия VO и сесквиоксид ванадия V2 03 не растворяются в воде, имеют основный характер и являются сильными восстановителями. Оксид V2 03 применяется при получении ванадиевых бронз, как материал для термисторов.

Диоксид ванадия V02 не растворяется в воде, гигроскопичен, амфотерен: в кислой среде образуется катион ванадия V02+ (раствор приобретает светло-синюю окраску), в щелочной — растворы ванадатов(ГУ), восстановитель. Он применяется в производстве ванадиевых бронз, как полупроводниковый материал для термисторов, переключателей элементов памяти, дисплеев и др.

Пентаоксид диванадия V2 05 (красные или желто-красные кристаллы) в водных растворах дает кислую реакцию (растворимость в воде 0,35 г/л), реагируя со щелочами, образует соли — ванадаты(У). В кислых растворах вероятные формы существования ванадия(У) — ионы V02 и VO3 *. При нагревании таких растворов (1 рН 2) выделяются гидраты переменного состава V2 05 • хН2 0. Чистый V2 05 получают разложением NH4 V03 при 400-500 °С с последующей выдержкой в струе кислорода, гидролизом VOCl3 .

Пентаоксид диванадия промежуточный продукт в производстве ванадия, феррованадия, ванадатов и других соединений ванадия, катализатор в производстве серной и органических кислот, электролит в топливных батареях, компонент специальных стекол, глазурей и люминофоров красного свечения.

Ванадаты металлов — это соли ванадиевых кислот. Различают ванадаты(У) — соли не существующих в свободном состоянии или малоустойчивых кислот (ортованадиевой H3 V04 , пированадиевой H4 V2 07 , метаванадиевой HV03 и поливанадиевых кислот) и ванадаты(ГУ) — соли не существующих в свободном состоянии кислот (H2 V4 09 , Н4 У2 0б и др.).

Ванадаты применяют для получения V2 05 и других соединений ванадия, для выплавки феррованадия и других сплавов. Ванадаты используют также как протраву при крашении тканей, для фиксации анилина на шелке, как компоненты стекол и глазурей, как катализаторы.


ГЛАВА 2. ПРОИЗВОДСТВО И ПОТРЕБЛЕНИЕ ВАНАДИЯ

Применение ванадия началось в производстве цветного стекла, красок и керамики.

Изделия из фарфора и продукцию гончарных мастеров с помощью соединений ванадия покрывали золотистой глазурью, а стекло окрашивали солями ванадия в голубой или зеленый цвет. Реакция Зинина (1842) открыла новые возможности для развития производства синтетических красителей, и соединения ванадия нашли применение в этой отрасли химии, принеся ей значительную пользу. Ведь достаточно всего одной массовой части V2 05 , чтобы перевести 200 тыс. массовых частей бесцветной соли анилина в красящее вещество — черный анилин. Столь же эффективным оказалось применение соединений ванадия в индиговом крашении, ситцепечатании, в производстве цветных хлопчатобумажных и шелковых тканей.

В 1896-1906 гг. были проведены первые специальные исследования по оценке возможности использования ванадия в металлургии. Результаты показали, что его применение способствует повышению качества целого ряда сталей. Поэтому уже в первые десятилетия XX в. в Англии, Германии, Франции и США вместо солей ванадия началось производство главным образом феррованадия, который широко применяется как легирующий элемент в сталеплавильном производстве.

К началу Первой мировой войны общий объем производства ванадия в мире превысил 1000 т в год В прошедшем столетии потребление ванадия многократно возросло, а сфера его использования существенно расширилась. Катализаторы на основе ванадия позволили заменить в сернокислотном производстве дорогостоящую платину. Впервые они были внедрены в производство в США в 1926 г.

Структура потребления ванадия в последние пятьдесят лет менялась незначительно. Основное направление его применения — производство стали, в котором используется более 85 % всего производимого ванадия. Вторым по объему использования стало получение легированных титановых сплавов (8-10 %). Около 5 % ванадия в составе различных соединений используется в химической промышленности.

В настоящее время значение ванадия в народном хозяйстве в целом и в черной металлургии в частности трудно переоценить. Он — один из важнейших легирующих элементов в производстве более чем 250 марок сталей и чугунов, незаменим при производстве таких видов стали, как быстрорежущие, жаропрочные, теплостойкие, штамповые с повышенной вязкостью и горячего деформирования, с особыми свойствами для агрессивных сред и суровых климатических условий Крайнего Севера.

Содержание ванадия в сталях и чугунах составляет от 0,04 до 6 %. Реагируя с углеродом и азотом, он образует твердые тугоплавкие карбиды, нитриды и карбонитриды, вследствие чего сталь приобретает мелкозернистую структуру. Это способствует повышению прочности, упругости и износостойкости при одновременном сохранении пластичности металла и его способности свариваться. Кроме того, ванадий повышает ударную вязкость металла при пониженных температурах, снижает его склонность к старению и чувствительность к перегреву. Поэтому его применяют для легирования сталей, часто в комбинации с Сг, N1, Mo, W.

Основная доля ванадия потребляется в производстве конструкционных низколегированных сталей, используемых при изготовлении труб большого диаметра для магистральных газо- и нефтепроводов, протяженных мостов, резервуаров большой емкости, в транспортном машиностроении и автомобилестроении.

Ванадийсодержащие стали используют в производстве листового и рельсового проката, сортовой стали для высотных строений. Добавка ванадия к рельсовым сталям увеличивает прочность на растяжение, тем самым повышает износостойкость рельсов. Полностью или поверхностно закаленные рельсы из ванадиевой стали используют там, где существуют особо тяжелые условия эксплуатации. В России, где тонны железной руды перевозят на дальние расстояния, рельсы делают из специальных ванадиевых сталей для продления срока их эксплуатации.

Ванадиевую сталь используют для обшивки корпусов судов. Возрастающая конкуренция в судостроении интенсифицирует внедрение сталей, позволяющих осуществлять скоростную сварку во влажной среде. Расширяется использование ванадия в производстве сплавов на основе титана и других тугоплавких металлов, предназначенных для новой техники (авиационной, ракетной, ядерной энергетики). Содержание ванадия в этих сплавах составляет 0,8-6,0 %. Ванадий в сочетании с алюминием используют с целью придания требуемой прочности в сплавах титана, идущего на создание специальных батисфер для исследования океана на глубине 10 000 м. Добавление ванадия в алюминиевые сплавы улучшает их жаропрочность и свариваемость.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в агрессивных химических средах ванадий — перспективный материал для химического машиностроения. Он служит основой сплавов со специальными свойствами, в том числе и сверхпроводящих. В последние годы перспективным стало применение ванадия в производстве аккумуляторных батарей. По оценкам ряда экспертов, использование его в окислительно-восстановительных батареях имеет много преимуществ для хранения энергии. Чистый металл используют в производстве электронных приборов, отдельных деталей рентгеновской аппаратуры и т. д.

Соединения ванадия находят широкое применение во многих областях промышленности, в частности в химической, как катализаторы, в органическом синтезе, при производстве полимерных материалов, в стекольной, керамической, текстильной, лакокрасочной, резиновой отраслях, в фотографии и кинематографии, медицине, сельском хозяйстве и т. д.

Мировые производственные мощности по выпуску"'оксида V2 05 на начало 2005 г. оценивались в 115 тыс. тонн в год. При этом его фактическое производство составило в период с 2000 по 2003 г. около 82 тыс. тонн в год (45-46 тыс. тонн ванадия). Соответствующие мощности по выплавке феррованадия достигают 80,5 тыс. тонн в год при фактическом объеме производства в 2000-2003 гг. около 56 тыс. тонн в год. Таким образом, загруженность мощностей в обоих случаях составляет около 70 %.

Мировой объем потребления ванадия в виде феррованадия в 2002-2003 гг. стабилизировался на уровне 35-37 тыс. тонн. Еще примерно 5-7 тыс. тонн ванадия в год потребляется на рынках ванадий-алюминиевых лигатур и химически чистого V2 05 .

Подъему ванадиевой отрасли в 2004 г. способствовал рост производства и потребления стали в Китае. С учетом прогнозируемого увеличения производства стали до 1200 млн. тонн к 2010 г. можно предположить, что потребление феррованадия будет постепенно расти и достигнет уровня 43-47 тыс. тонн по ванадию.

В настоящее время главные производители ванадия — ЮАР, Китай, США и Россия (свыше 90 % выпуска). Получают ванадий и в Австралии, Новой Зеландии, Японии и Великобритании. Основными экспортерами ванадийсодержащих материалов (ванадиевый шлак, V2 05 и феррованадий) выступают ЮАР, Китай и Россия.

Российская ванадиевая отрасль представлена четырьмя основными предприятиями:

• Качканарский горно-обогатительный комбинат "Ванадий" добывает ванадийсодержащую титаномагнетитовую руду, производит концентрат, агломерат и окатыши;

• Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК), используя поставляемое ему сырье, производит ванадиевый чугун и ванадийсодержащий шлак;

• Чусовской металлургический завод на основе того же сырья производит ванадиевый чугун, ванадийсодержащий шлак, V2 05 , феррованадий;

• ОАО "Ванадий-Тула", перерабатывая ванадийсодержащие шлаки НТМК, производит V2 05 и феррованадий.

Основные потребители ванадия — страны Западной Европы, США и Япония, которые выступают в роли нетто-импортеров.

Структура внутреннего потребления феррованадия в российской экономике принципиально не отличается от мировой. Предполагается, что в 2005 г. оно несколько вырастет и достигнет 2-2,2 тыс. тонн в год.

Существуют три основных способа извлечения ванадия: пирометаллургический, гидрометаллургический и гидрохимический.

При пирометаллургическом способе ванадий извлекают из ванадийсодержащего сталеплавильного (конвертерного) шлака. На долю пирометаллургии приходится около 70 % всего производимого ванадия, ее используют большинство производителей ванадия, в том числе китайские и российские предприятия, а также некоторые производители в ЮАР и США.

Технологическая схема переработки конвертерных ванадиевых шлаков (16-18 % V2 05 ) состоит из следующих этапов:

• подготовки шлака к обжигу (дробление, размол, очистка от металловключений, смешение с реакционной добавкой);

• окислительного обжига шихты в присутствии реакционно-способной добавки (Na2 C03 или СаС03 );

• выщелачивания обожженной шихты водой и раствором серной кислоты;

• осаждения ванадия из растворов в виде химического концентрата V2 05 или NH4 V03 ;

• сушки, плавки и грануляции химического концентрата V2 05 .

Ванадиевые шлаки поступают на производство в кусках и измельчаются до тонкого порошка с размером частиц менее 0,1 мм. Наличие металлической фазы в шлаках требует их многократной обработки на магнитных сепараторах. Металлоотсев возвращают в начало металлургического процесса или используют для прямого легирования сталей и чугунов.

Одна из важнейших задач обжига ванадиевых шлаков — окисление низших оксидов железа, ванадия и марганца в высшие и образование растворимых соединений ванадия. При обжиге шлаков оксид V2 О3 переходит в легкорастворимые соединения ванадия(У), окисляются дисперсное железо, монооксид железа и низшие оксиды марганца, перекристаллизовываются силикаты.

Процесс окисления шлаков может быть представлен следующими основными реакциями:

Оптимальный температурный интервал реакций — от 700 до 900 °С.

Окислительный обжиг шлаков ведут в трубчатых вращающихся печах. Обычно шлаки обжигают в присутствии солей натрия, что позволяет получать ванадаты, хорошо растворяющиеся в воде и разбавленных растворах кислот и карбонатов. Обжиг шлаков совместно с содой позволяет осуществлять процесс при более низких температурах, чем при добавлении других солей натрия.

Шихта из обжиговой печи с температурой от 550 до 620 °С поступает в барабанный холодильник, где орошается водой или оборотным раствором. Одновременно с охлаждением в барабане происходит измельчение спека до 0,15 мм помещенными в барабан металлическими катками.

Выщелачивание шихты начинается в барабанном холодильнике. Пульпа, проходя ряд насосов и реакторов с мешалками, выщелачивается и поступает на вакуум-фильтр. После фильтра раствор направляют на осаждение концентрата V2 05 , а твердый остаток влажностью до 20 % — на сернокислотное выщелачивание. Применение серной кислоты как выщелачивающего реагента связано с тем, что разбавленные растворы этой кислоты в меньшей степени, чем другие минеральные кислоты, растворяют сопутствующие ванадию компоненты шлака.

Трехстадийное выщелачивание позволяет перевести в растворы 97,5-99,0 % V2 05 , в том числе около 65 % на стадии водного выщелачивания.

Существующие способы выделения ванадия из растворов позволяют осадить его в виде химического концентрата, в состав которого входит один или несколько металлов или аммонийная группа NH. При осаждении V2 05 происходит нейтрализация щелочных растворов минеральными кислотами, а кислых — содой до рН 1,5-2,0. Затем раствор нагревают до 85-95 °С и выдерживают. При этом из него выпадает красно-коричневый осадок. Процесс осаждения пятивалентного ванадия можно представить в общем виде следующими реакциями:

Фильтрацию гидратной пульпы проводят на барабанных вакуум-фильтрах. Сырой остаток, содержащий около 60 % влаги, загружают в плавильную печь. Плавление осадка происходит при температурах 950-1100 °С. Расплавленный продукт вытекает через отверстие на боковой стенке плавильной печи по железному желобу на охлаждаемую водой вращающуюся поверхность стола, на котором застывает тонким слоем. С помощью съемного ножа слой разделяют на небольшие пластинки и направляют их в контейнеры.

Химический концентрат, содержащий после сушки до 92 % V2 05 , используют для выплавки феррованадия и других сплавов. Феррованадий (35-80 % V) получают восстановлением ферросилицием или алюминием.

Гидрометаллургический способ предусматривает извлечение ванадия химическим выщелачиванием из обожженных титано-магнетитовых и ильменит-магнетитовых концентратов. Этот метод предъявляет жесткие требования к качеству перерабатываемых руд: высокое содержание ванадия в исходной руде и низкое — примесей.

Гидрохимический способ — это переработка вторичных материалов техногенного происхождения, таких, как отработанные ванадийсодержащие катализаторы, нефтяные остатки, нефтяной кокс, асфальтиты, зола от сжигания мазута, шлаки феррофосфорного производства, отходы переработки уран-ванадиевых руд и др.

Извлечение ванадия при этом осуществляется по различным гидрохимическим технологиям. Этот способ используют главным образом американские производители, а также в Великобритании и Японии. На его долю приходится около 10 % производимого ванадия. В настоящее время он является наиболее дорогостоящим.

Развитие технологий извлечения ванадия из вторичных материалов в США и Великобритании обусловлено в основном отсутствием в этих странах рудной базы ванадийсодержащего титаномагнетитового сырья. Кроме того, учитывается и наличие большого количества отходов других производств с высоким содержанием ванадия (до 50 %), а также жесткие экологические требования и высокие платежи за загрязнение окружающей среды.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РЕСУРСОВ

Структура ресурсов ванадия в нашей стране определяется наличием больших запасов ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд. В связи с высокой стоимостью переработки и сложностью технологической схемы передела этих руд в настоящее время стала актуальной задача разработки технологий и создания производств по выпуску ванадиевой продукции из техногенного ванадийсодержащего сырья.

К ванадиевым ресурсам техногенного происхождения относятся золы и шлаки тепловых электростанций, отработанные катализаторы сернокислотного производства, шламы титанового и глиноземного производств, попутные продукты и вторичные материалы ванадиевого и феррованадиевого производств.

Один из видов такого сырья — материалы, образующиеся в котлоагрегатах ТЭС, сжигающих ванадийсодержащие мазуты и нефтеводяные эмульсии. В результате оксидные соединения ванадия концентрируются в зольных остатках, оседающих на поверхностях нагрева, или в шламах, образующихся в обмывочных растворах.

В некоторых странах ванадийсодержащие ЗШО ТЭС активно вовлекают в производственную сферу. В Канаде, США и Венесуэле ванадий, а также никель получают не только из нефти и битума, но и из ВЗШО, полученных в результате сжигания на ТЭС нефтепродуктов. Наиболее развито применение техногенного ванадийсодержащего сырья в Японии. Доля ванадийсодержащих нефтяных остатков, летучей золы, образующейся в топках, работающих на мазуте, и отработанных катализаторов в производстве феррованадия в Японии достигает 30 %.

В России переработка ВЗШО ТЭС в промышленных масштабах до сих пор не освоена. Если учесть все золоотходы, полученные при сжигании органического топлива за последние два-три десятилетия, то количество техногенного сырья окажется достаточным для производства около 100 тыс. тонн металлического ванадия. Количество этого сырья с каждым годом возрастает, несмотря на то, что практически все ТЭС в России не оборудованы системами пылеулавливания и до 90 % ванадия теряется в виде выбросов в атмосферу.

Таким образом, использование золошлаковых отходов продиктовано не только возможностью извлечения ванадия. Попутно может быть решена важнейшая экологическая задача утилизации отходов, занимающих значительные площади и представляющих опасность для окружающей среды, так как при взаимодействии с атмосферными осадками эти отходы выделяют в гидросферу токсичные органические вещества и тяжелые металлы.

Принимая во внимание истощение сырьевой базы и учитывая тот факт, что с каждым годом технологии переработки техногенного сырья совершенствуются, а затраты на производство V2 05 с использованием вторичного сырья постепенно приближаются к стоимости производства по традиционным технологиям, можно с уверенностью утверждать, что структура производства ванадия будет изменяться в сторону использования техногенных материалов.

ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ "ВАНАДИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ"

Тема. Ванадий.

Цель: повторить и обобщить сведения о свойствах, способах получения и применении ванадия и его соединений.

Оборудование: Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (приведена в электронном учебном пособии).

Содержание урока соответствует части IV.9 электронного учебного пособия.

Знакомство с химией ванадия и его соединений следует начать с исторической справки. Ванадий был открыт в 1830 г. шведским химиком и минералогом Н. Сефстремом в железной руде из Таберга (Швеция). В чистом виде выделен в 1869 г. английским химиком Г. Роско при взаимодействии водорода и хлористого ванадия.

Охарактеризовать положение ванадия в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Ванадий расположен в 5 группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Ванадий – d-элемент. Валентные электроны атома ванадия имеют электронную конфигурацию 3d3 4s2 . В соединениях ванадий проявляет степени окисления +2, +3, +4, +5. Соединения ванадия (II) проявляют преимущественно основные свойства, ванадия (III) и (IV) – амфотерные, соединения ванадия (V) – кислотные.

Остановиться на распространенности ванадия в земной коре: ванадий – довольно распространенный элемент, но его минералы не встречаются в виде крупных месторождений, ванадий относится к рассеянным элементам. Ванадий встречается в нефти, битумах, углях, содержится в морской воде и осадочных породах.

При изучении физических свойств ванадия отметить, что ванадий – серебристо-белый металл, пластичен, при нагревании на воздухе выше 300 °С становится хрупким, примеси кислорода, водорода и азота резко снижают пластичность ванадия, придают ему твердость и хрупкость. На воздухе покрывается прочной оксидной пленкой.

При изучении химических свойств ванадия обратить внимание, что ванадий отличается высокой химической стойкостью, при нормальных условиях инертен. При нагревании взаимодействует со многими неметаллами: кислородом, азотом, галогенами, углеродом, бором, кремнием, серой и фосфором. Обратить внимание на образующиеся продукты и степень окисления ванадия в соединениях. Ванадий находится в ряду напряжений металлов до водорода, но, благодаря своей прочной защитной пленке, довольно инертен, не растворяется в воде и разбавленной соляной кислоте, на холоду не реагирует с разбавленной серной и азотной кислотой. Реагирует с плавиковой кислотой с образованием фторида ванадия, с концентрированной азотной кислотой с образованием соединения ванадия (V) – нитрата ванадина, с концентрированной серной кислотой с образованием соединения ванадия (IV) – сульфата ванадила, с царской водкой с образованием соединения ванадия (V) – хлорида ванадина, растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот с образованием гептафторованадата (V) водорода. Ванадий не взаимодействует с растворами щелочей, в расплавах в присутствии воздуха окисляется с образованием ванадатов. Необходимо обратить особое внимание на характер образующихся продуктов.

Рассмотреть способы получения ванадия методами металлотермии и электролизом расплава солей ванадия.

Познакомить учащихся с соединениями ванадия в различных степенях окисления. Из соединений ванадия (II) рассмотреть свойства оксида, гидроксида и солей ванадия (II). Обратить внимание, что они проявляет основные свойства, с водой и щелочами не взаимодействует, реагирует с кислотами. Соединения ванадия (II) – сильные восстановители, уже на воздухе растворы солей окисляются с образованием соединений ванадия (III).

Из соединений ванадия (III) рассмотреть свойства оксида, гидроксида и солей ванадия (III). Основными формами существования ванадия (III) являются V3+ , VO+ , VO3 3- , комплексные ионы, в которых ванадий имеет координационное число, равное 6. Соединения ванадия (III) проявляют амфотерные свойства с преобладанием основных, являются сильными восстановителями, в растворах окисляются кислородом воздуха до производных ванадия (IV).

Из соединений ванадия (IV) рассмотреть свойства оксида, гидроксида и солей ванадия (IV). При обычных условиях степень окисления +4 является для ванадия наиболее характерной. Ванадий (IV) существует в следующих формах: VO2+ (ванадин-ион), VO3 2- , V4 O9 2- (ванадат (IV)-ионы). В комплексных ионах имеет координационное число, равное 6, а также 4 и 5. Соединения ванадия (IV) проявляют амфотерные свойства, с преобладанием кислотных, в зависимости от условий могут быть окислителями и восстановителями.

Из соединений ванадия (V) рассмотреть свойства оксида и солей ванадия (V) – изополиванадатов. Степень окисления +5 для ванадия реализуется в оксокатионах VO2 + , VO3+ (ванадил-ионы) и оксоанионах VO4 3- , V2 O7 4- , V3 O9 3- и др. (ванадат (V)-ионы). Соединения ванадия (V) проявляют кислотные свойства. Обратить внимание на формы существования ванадат-ионов в растворе в зависимости от рН и концентрации раствора.

Сделать вывод об изменении кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств соединений ванадия в ряду V (II) – V (III) – V (IV) – V (V). В указанном ряду кислотно-основные свойства изменяются от основных (V (II)) через амфотерные (V (III) и V (IV)) до кислотных (V (V)), а окислительно-восстановительные – от восстановительных (V (II)) до окислительных (V (V)).

Рассмотреть основные области применения ванадия и его соединений.


ЛИТЕРАТУРА

Бобылев В., Бродов А., Фофанов А., Рабинович Е. Ванадий — запасов хватит на века // Металлы Евразии.— 2001. —№3.

Исидоров В. А. Экологическая химия: Учеб. пособ. для вузов. — СПб.: Химиздат, 2001.

Использование ванадия в стали: Сб. тр. — Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002.

Сирина Т. П., Мизин В. Г., Рабинович Е. М. и др. Извлечение ванадия и никеля из отходов теплоэлектростанций. — Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2001.

Смирнов Л. А., Дерябин Ю. А. и др. Конвертерный передел ванадиевого чугуну. — Екатеринбург: Ср.-Урал. кн. изд-во, 2000

Оценить/Добавить комментарий
Имя
Оценка
Комментарии:
Где скачать еще рефератов? Здесь: letsdoit777.blogspot.com
Евгений08:24:30 19 марта 2016
Кто еще хочет зарабатывать от 9000 рублей в день "Чистых Денег"? Узнайте как: business1777.blogspot.com ! Cпециально для студентов!
08:36:39 29 ноября 2015

Работы, похожие на Курсовая работа: Экологические аспекты преподавания темы "Ванадий и его применение" в школьном курсе химии

Назад
Меню
Главная
Рефераты
Благодарности
Опрос
Станете ли вы заказывать работу за деньги, если не найдете ее в Интернете?

Да, в любом случае.
Да, но только в случае крайней необходимости.
Возможно, в зависимости от цены.
Нет, напишу его сам.
Нет, забью.



Результаты(150008)
Комментарии (1830)
Copyright © 2005-2016 BestReferat.ru bestreferat@mail.ru       реклама на сайте

Рейтинг@Mail.ru