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Entwicklung eines chemischen Raffinationsverfahrens zur Aufbereitung unterschiedlicher Naturbauxite unter Verwendung computergestützter statistischer Versuchsplanung

  • Bauxit ist neben anderen Rohstoffen ein bedeutender Ausgangsstoff für die Herstellung von feuerfesten Materialien. Die Verfügbarkeit von refraktären Rohstoffqualitäten ist weltweit jedoch begrenzt. Da hohe Eisengehalte einen negativen Einfluss auf die Temperaturbeständigkeit des hergestellten Feuerfestmaterials haben, ist ein maximaler Eisenoxidgehalt von 2 Gew.-% im Bauxit akzeptabel. Dies führt dazu, dass nur die nativen Rohstoffe aus wenigen Lagerstätten verwendet werden können. Um der Problematik zu hoher Eisenoxidgehalte in Naturbauxiten entgegenzuwirken, sollte im Rahmen dieser Arbeit die Möglichkeit der Bauxitaufbereitung für die Feuerfestindustrie durch Anwendung eines Säurelaugungsverfahrens untersucht werden. In bisherigen Studien zu diesem Thema wurden an einzelnen Bauxiten bereits einige Untersuchungen zur Eisenlaugung durchgeführt. Dabei wurde jedoch meist die resultierende Bauxitzusammensetzung in ihrer Gesamtheit vernachlässigt und es wurden nur unabhängig voneinander die Einflüsse einzelner Laugungsparameter auf das Laugungsergebnis untersucht. Die generierten Ergebnisse und Vorgehensweisen sind zudem nicht allgemeingültig und lassen sich nicht auf Bauxite anderer chemischer oder mineralogischer Zusammensetzung übertragen. Um die bei der Aufbereitung von Naturbauxiten bestehenden offenen Fragen zu klären, wurden im Rahmen dieser Arbeit Laugungsversuche mit Salzsäure an fünf verschiedenen Bauxiten durchgeführt. Durch die Nutzung computergestützter statistischer Versuchsplanung konnte für jeden Bauxit ein individuelles Modell zur Vorhersage der optimalen Faktoreinstellungen generiert werden. Als Faktoren wurden die Säurekonzentration, das Feststoff-Säure-Verhältnis, die Laugungstemperatur, die Laugungszeit und die Kornfraktion untersucht. Die in diesem Zusammenhang entwickelte allgemeine Planungsgrundlage zur Bauxitaufbereitung enthält alle notwendigen Faktoren, sinnvolle Faktoreinstellungen und die innerhalb der Planung und Auswertung zu berücksichtigenden Effekte. Es konnte gezeigt werden, dass ausgehend von dieser Planungsgrundlage ein signifikantes, individuelles Modell für jeden der untersuchten Bauxite erstellt werden kann, welches die optimalen Laugungseinstellungen für den jeweiligen Bauxit vorhersagt. Zudem wurde festgestellt, dass die Übertragung eines bereits erstellten Modells auf einen anderen Bauxit ähnlicher Zusammensetzung möglich ist. Ausgehend von den durch die Laugungsversuche und die Modellanpassungen erhaltenen Ergebnissen konnten, in Kombination mit weiteren Ergebnissen zur Strukturanalyse der Bauxite, Erkenntnisse über die Laugbarkeit verschiedener Aluminium- und Eisenminerale aus Bauxit gewonnen werden. Zur Entwicklung eines möglichst nachhaltigen Säurelaugungsverfahrens wurde außerdem exemplarisch die Möglichkeit der Aufbereitung der nach dem Laugungsprozess anfallenden Säure getestet. Hier konnte gezeigt werden, dass durch Flüssig-Flüssig-Extraktion mehr als 99 % des in der Lösung vorliegenden Eisens extrahiert und die aufbereitete Säure anschließend wieder zur Laugung verwendet werden kann.
  • Bauxite is, among other raw materials, an important material for the production of refractories. However, the availability of refractory raw material grades is limited worldwide. As high iron contents have a negative influence on the temperature resistance of the refractory material produced, a maximum iron oxide content of 2 wt.-% in the bauxite is acceptable. This means that only native raw materials from a few deposits can be used. In order to counteract the problem of too high iron oxide contents in natural bauxites, the possibility of processing bauxite for the refractory industry by using an acid leaching process was to be investigated within the scope of this work. In previous studies on this topic, some investigations on iron leaching have already been carried out on individual bauxites. However, the resulting bauxite composition was mostly neglected in its entirety and only the influences of individual leaching parameters on the leaching result were investigated independently. Moreover, the results and procedures generated are not generally valid and cannot be transferred to bauxites of other chemical or mineralogical compositions. In order to clarify the open questions in the processing of natural bauxites, leaching tests with hydrochloric acid were carried out on five different bauxites within this work. By using computerized statistical design of experiments, an individual model was generated for each bauxite to predict the optimal factor settings. The factors investigated were acid concentration, solid-acid ratio, leaching temperature, leaching time and grain fraction. The general planning method for bauxite processing developed in this context contains all necessary factors, useful factor settings and the effects to be considered during planning and evaluation. It could be shown that, based on this planning method, a significant, individual model can be created for each of the bauxites investigated, which predicts the optimal leaching settings for the corresponding bauxite. Furthermore, it was found that the transfer of an already created model to another bauxite of similar composition is possible. Based on the results obtained from the leaching tests and model fittings, in combination with further results on the structural analysis of the bauxites, insights into the leachability of various aluminium and iron minerals from bauxite could be gained. To develop a sustainable acid leaching process, the possibility of regenerating the contaminated acid produced was also tested as an example. It was shown that liquid-liquid extraction can extract more than 99 % of the iron present in the solution and that the regenerated acid can then be reused for the leaching process.
Metadaten
Author:Alena Stein
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-24330
Referee:Peter Quirmbach, Joachim Scholz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2023/08/08
Date of publication:2023/08/14
Publishing institution:Universität Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2023/07/17
Release Date:2023/08/14
GND Keyword:Bauxit; Laugung; Statistische Versuchsplanung
Number of pages:XLIX, 150
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Chemie
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