鹽酸浸出赤泥分離有價(jià)金屬的工藝研究

姜平國(guó)，廖春發(fā)

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2.江西理工大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

目前，赤泥的堆存已成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸，赤泥的堆放對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)的生活也存在潛在的嚴(yán)重威脅。赤泥中含有豐富的有價(jià)元素，特別是由二組份富礦熟料燒成工藝產(chǎn)生的赤泥[1]，由于赤泥產(chǎn)出率由高鈣配方的38%降為14%～20%，有價(jià)金屬得到了很大程度的富集，其中赤泥中鈧、鈦、鐵、鋁含量提高一倍以上，具有較好的提取價(jià)值。尤其在金屬礦產(chǎn)資源日益減少、趨向枯竭和倡導(dǎo)節(jié)能減排，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的情況下，從赤泥中綜合回收各有價(jià)金屬，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用的赤泥成分分析結(jié)果如表1所示。

從赤泥的成分和物相[2]可以看出，由于Fe、Ca、Na多是以堿性氧化物的形式存在，而Si是以SiO2和硅酸鹽的形式存在。我們?cè)谔崛〕嗄嘀械腇e、Al、Sc、Ti、Na等主要的元素方面做了大量的研究，選用鹽酸浸出赤泥，易溶解Fe、Ca、Na、Sc的氧化物，而 Ti和Si很少溶于稀鹽酸。赤泥中Fe、Na、K等元素占赤泥總量27%以上，Ti在浸出渣中含量會(huì)大幅提高。因此，選擇鹽酸浸出赤泥，可以初步分離Fe、Sc(在浸出液)和Ti(在渣中富集)，然后再?gòu)柠}酸浸出液中回收Fe、Sc金屬[3]。

因此，我們用鹽酸浸出赤泥實(shí)驗(yàn)，研究赤泥中的Fe、Al、Sc、Ti、Na等主要的元素的分離狀況。

1.2 實(shí)驗(yàn)

計(jì)算50g赤泥消耗的鹽酸摩爾數(shù)：1.338mol，即為11mol/L濃鹽酸體積用量：121.6mL，將定量的濃鹽酸稀釋成試驗(yàn)所需的濃度進(jìn)行試驗(yàn)。

采用正交實(shí)驗(yàn)研究方法，找到合適的鹽酸的濃度、浸出時(shí)間、浸出溫度。確定鹽酸為主要因素，然后再采用單因素實(shí)驗(yàn)研究方法，對(duì)鹽酸的濃度、鹽酸用算量、鹽酸浸出時(shí)間進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得到最佳的工藝參數(shù)。

表1 赤泥成分分析

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鹽酸浸出赤泥正交實(shí)驗(yàn)

選擇三因素三水平正交試驗(yàn)(表2和表3)，找到合適的鹽酸的濃度、浸出時(shí)間、浸出溫度。

表2 正交試驗(yàn)因素-水平表

表3 正交試驗(yàn)表

浸出試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出,Fe在渣中含量降低的幅度很大，Ti的提升幅度也很大，鋁的浸出基本是一半。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，用低濃度的鹽酸浸出赤泥，赤泥中的Ti基本不會(huì)溶解，鹽酸的濃度是很重要的參數(shù)，浸出時(shí)間也比較重要，但是浸出溫度影響不大。由于本次試驗(yàn)的鹽酸濃度稍低(0.6mol/L、0.9mol/L、1.2mol/L)，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，采用低于1.2mol/L的鹽酸浸出赤泥時(shí)，F(xiàn)e3+很容易水解。試驗(yàn)證明鹽酸的濃度高，有利于鐵、鈣等金屬的浸出。但是，采用高濃度的鹽酸浸出赤泥，赤泥當(dāng)中的Si也會(huì)被鹽酸浸出，濃度越高Si的浸出率也越高，形成硅酸，吸附金屬離子，從而影響金屬離子回收率。

根據(jù)赤泥鹽酸浸出的試驗(yàn)研究結(jié)果，鹽酸的濃度需要再進(jìn)一步確定。希望Sc、Fe、Ca、Na的浸出率高，同時(shí)Ti的浸出率低。因此，有必要做鹽酸濃度的單因素試驗(yàn)，考察Fe、Sc、Ti等元素的浸出率。由于前面試驗(yàn)結(jié)果得出溫度對(duì)各元素的浸出率影響不大，因此，下面試驗(yàn)選擇在室溫下進(jìn)行。

表4 浸出實(shí)驗(yàn)試樣分析

2.2 鹽酸浸出單因素試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)步驟，對(duì)鹽酸的濃度、鹽酸用算量、鹽酸浸出時(shí)間進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

2.2.1 鹽酸濃度對(duì)鐵浸出率的影響

在室溫下，每次稱(chēng)取赤泥50g進(jìn)行試驗(yàn)，攪拌浸出3 h，考察鹽酸濃度對(duì)鐵浸出率的影響，鹽酸的浸出濃度分別為：0.5mol/L、0.8mol/L、1.0mol/L、1.3mol/L、1.5mol/L、1.8mol/L、2.0mol/L、2.3mol/L、2.5mol/L、2.8mol/L、3.0mol/L。試驗(yàn)方案如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 樣品與鹽酸濃度表

表6 鹽酸濃度單因素試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在鹽酸濃度低于1.0mol/L時(shí)，F(xiàn)e3+會(huì)發(fā)生水解。在鹽酸濃度高于2.3mol/L時(shí)，浸出液會(huì)生成硅酸。生成硅膠之后，溶液過(guò)濾比較困難，同時(shí)也給后面鐵的萃取分離帶來(lái)較大的難度。因此我們可以得出，鹽酸的濃度必須選擇在1.0～2.3mol/L之間。隨著鹽酸濃度的增加，F(xiàn)e、Sc浸出率得到提高。當(dāng)鹽酸濃度達(dá)到2.0mol/L時(shí)，F(xiàn)e浸出率在90%以上、Sc的浸出率在70%以上，而Ti幾乎不能被浸出。

由于鹽酸的消耗量就是赤泥當(dāng)中的堿性氧化物與鹽酸反應(yīng)的耗酸量，因此，從表6的鹽酸濃度單因素試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鹽酸濃度超過(guò)2.0mol/L時(shí)，浸出的效果幾乎不再變化。考慮到不生成硅酸，初步確定浸出赤泥所用鹽酸的濃度為2.0mol/L。采用鹽酸過(guò)量的方法來(lái)提高能被鹽酸浸出的各元素的浸出率，有必要確定鹽酸的最佳用量。

2.2.2 鹽酸用量對(duì)鐵浸出率的影響

用根據(jù)平衡計(jì)算的鹽酸浸出赤泥，赤泥當(dāng)中鐵、鈧的浸出率偏低。為了提高赤泥中鈧的浸出率，鹽酸應(yīng)該過(guò)量一些，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，確定最佳的鹽酸過(guò)量系數(shù)。

在平衡條件下，選取鹽酸過(guò)量系數(shù)分別為0.05、0.10、0.15、0.20，即分別為理論用量的1.05、1.10、1.15、1.20倍進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：鹽酸濃度2mol/L，浸出時(shí)間3h，攪拌速度400r/min。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鹽酸過(guò)量系數(shù)為0.15時(shí)，Sc、Fe浸出率達(dá)到95%，當(dāng)鹽酸過(guò)量系數(shù)為0.20時(shí)，Ca的浸出率明顯提高。從浸出液中提取Fe，希望50g赤泥消耗121.6mL的11mol/L濃鹽酸(37%)且浸出雜質(zhì)較少。當(dāng)然Ca、Al浸出率低，有利于Fe和Sc的提純。因此，選擇鹽酸過(guò)量系數(shù)為0.15，即50g赤泥消耗11mol/L濃鹽酸121.6mL。

表7 耗酸過(guò)量條件下有價(jià)金屬元素的浸出率

2.2.3 浸出時(shí)間對(duì)鐵、鈧浸出率的影響

由前面試驗(yàn)結(jié)果可以得出，低濃度的鹽酸對(duì)赤泥中鈦的浸出率相當(dāng)?shù)汀?在上述試驗(yàn)確定了鹽酸的濃度為2.0mol/L以及鹽酸過(guò)量系數(shù)為0.15的情況下，考察浸出時(shí)間對(duì)鐵、鈧浸出率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 浸出時(shí)間對(duì)Fe、Sc浸出率的影響

由圖1可以看出，開(kāi)始時(shí)，隨著浸出時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)e和Sc的浸出率不斷升高；當(dāng)浸出時(shí)間超過(guò)2h時(shí)，F(xiàn)e的浸出率變化不大，而Sc的浸出率略有所升高；當(dāng)浸出時(shí)間為2.5h時(shí)，F(xiàn)e和Sc的浸出率都趨于平衡，再延長(zhǎng)浸出時(shí)間對(duì)Fe和Sc的浸

出率影響不大?？紤]到生產(chǎn)周期和效率，因此，選擇最佳浸出時(shí)間為2.5h。

3 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)基本可以確定，采用低濃度的鹽酸浸出赤泥當(dāng)中的Fe和Sc，能取得高浸出率，同時(shí)與Ti的分離效果好。最佳條件是鹽酸濃度為2.0mol/L，鹽酸過(guò)量系數(shù)為0.15，浸出時(shí)間為2.5h，攪拌速度400r/min，F(xiàn)e的浸出率可以達(dá)到95.6%，Sc的浸出率在70%以上，Ti的回收率為99.5%。

[1] 中鋁山東分公司技術(shù)研究中心. 赤泥綜合利用調(diào)研報(bào)告[R]. 2006.

[2] 姜平國(guó)，王鴻振. 從赤泥中浸出鈦的研究[J]. 中國(guó)有色冶金，2008(4)：52-54.

[3] 姜平國(guó)，吳筱，廖春發(fā). 用N235從赤泥浸出液中提取鐵的工藝研究[J]. 江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(2)：14-16.