貴州某黑色頁巖硫的遷出實(shí)驗(yàn)研究*

宋春玉，張杰，李帥

（1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

貴州某黑色頁巖硫的遷出實(shí)驗(yàn)研究*

宋春玉1，2，張杰1，2，李帥1，2

（1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要：根據(jù)貴州某地黑色頁巖中含一定品位的硫及黑色頁巖性質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，考慮硫的遷出對(duì)環(huán)境造成的影響，進(jìn)行了酸浸實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，酸浸時(shí)采用礦石粒度為150～375 μm、鹽酸濃度為1.2 mol/L、浸出時(shí)間為4 h、浸出礦漿液固體積質(zhì)量比為4 mL/g、浸出溫度為30℃、攪拌強(qiáng)度為250 r/min時(shí)，硫的浸出率達(dá)較高值，可達(dá)23.73%，此時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響較大。

關(guān)鍵詞：黑色頁巖；硫；酸浸；遷出

黑色巖系分布廣泛，在亞洲、歐洲、北美洲和大洋洲均有發(fā)現(xiàn)，在中國遍及黔、川、湘等十幾個(gè)省。在貴州開陽、織金等地廣泛分布下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色粘土巖系巖層［1］。巖石類型由下而上依次為：下伏震旦系燈影組白云巖、磷塊巖、牛蹄塘組下伏硅質(zhì)巖、金屬富集層、硅質(zhì)巖、薄層狀黑色高碳質(zhì)頁巖、黑色碳泥質(zhì)巖、灰黑-深灰綠色碳質(zhì)泥質(zhì)細(xì)粉砂巖等。根據(jù)巖石分布，磷塊巖處于白云巖和黑色頁巖之間，在自然條件下，由于風(fēng)化作用，使得巖石從量變到質(zhì)變，無論是化學(xué)組成還是礦物結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，從致密狀變成松散狀。筆者探索黑色頁巖硫遷出對(duì)周邊環(huán)境造成的影響。浸出法具有投資少、成本低、不會(huì)污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)［2］，故筆者對(duì)黑色頁巖進(jìn)行酸浸實(shí)驗(yàn)研究。

1　原礦性質(zhì)

1.1礦石性質(zhì)

礦樣為貴州某地黑色頁巖礦樣，是在礦區(qū)的多個(gè)礦段分別采樣，取樣在充分揭露的新鮮面上進(jìn)行。采用剝層法、打塊法［3］取第一部分樣品；用揀塊法、打塊法取第二部分樣品。從礦層底部接觸帶開始的白云質(zhì)磷塊巖至頂部牛蹄塘組黑色碳質(zhì)頁巖等，分別進(jìn)行采樣。所采的礦樣分別破碎至3 mm以下，然后等比例混合均勻，作為實(shí)驗(yàn)原料。其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。由表1可見，該黑色頁巖的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3。礦石中除了含有Si、Al之外，還有大量的K、Na、Mg、Fe和S等。在黑色頁巖中，除了有無機(jī)硫以外，還具有一定的有機(jī)硫。

表1　貴州某地黑色頁巖化學(xué)成分%

1.2礦物特征

貴州某地的黑色高碳質(zhì)頁巖主要成分為伊利石頁巖、粘土巖。黑色頁巖主要粘土礦物為伊利石，還常含有石英、白云母、高嶺石、綠泥石等。

伊利石成分與白云母相似，是白云母、鉀長石風(fēng)化而成，并產(chǎn)于泥質(zhì)巖中或由其他礦物蝕變形成，常是形成其他粘土礦物的過渡性礦物，屬于單斜晶系，致密塊狀，晶體細(xì)小，其粒徑通常在1～2 μm以下，在電子顯微鏡下晶體呈片狀及條板狀［4］。

石英由于受外界條件的影響，是一族礦物多象變體。

白云母是單斜晶系，晶體呈假六方片狀、板狀或片狀，薄片無色透明，含雜質(zhì)者帶淺黃、淺綠等色，玻璃光澤，主要為巖漿作用和偉晶巖作用的產(chǎn)物。

綠泥石是單斜晶系，晶體呈假六方片狀、板狀，通常為鱗片狀集合體，是低溫?zé)嵋?、低?jí)區(qū)域變質(zhì)和沉積作用的產(chǎn)物。

高嶺石是三斜晶系，晶體細(xì)?。?.2～5 μm），在電子顯微鏡下呈假六方板狀、半自形或它形片狀晶體，主要是富含鋁硅酸鹽的火成巖和變質(zhì)巖，在酸性介質(zhì)環(huán)境里，經(jīng)受風(fēng)化作用［5］或低溫?zé)嵋航淮兓漠a(chǎn)物［6］。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

黑色頁巖在自然條件酸雨的洗禮下，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

之所以二氧化硅沒有發(fā)生反應(yīng)，是因?yàn)槠湓谒嵝詶l件下一般是穩(wěn)定的，只有在氫氟酸條件下才會(huì)發(fā)生反應(yīng)。單質(zhì)硫在酸性條件下是穩(wěn)定的，硫酸根與硫化氫在酸性條件下是不會(huì)發(fā)生反應(yīng)的，兩者只有在堿性條件下才會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成單質(zhì)硫。本文通過提供酸根離子對(duì)黑色頁巖中硫的遷出進(jìn)行研究。

2.1礦石粒度、鹽酸濃度對(duì)硫浸出率的影響

礦粒越細(xì)，礦物的比表面積就越大［7］，反應(yīng)速度就越快，浸出率也越高。實(shí)驗(yàn)條件：礦石質(zhì)量為10g，浸出溫度為20℃，鹽酸濃度為1.5 mol/L，浸出時(shí)間為1 h，礦漿液固體積質(zhì)量比（簡(jiǎn)稱液固比）為4 mL/g，攪拌強(qiáng)度為200 r/min。礦石粒度對(duì)硫浸出率的影響如圖1所示。從圖1看出，硫浸出率隨礦石粒度的增大先增加后減小，礦石粒度為150～375 μm時(shí)，硫浸出率最大。這是因?yàn)?，礦石粒度過細(xì)，會(huì)使礦漿黏度增大，對(duì)浸出不利；同時(shí)，更細(xì)地磨礦，不但增加磨礦成本，也不利于固液分離。所以，礦石粒度為150～375 μm為宜，此時(shí)黑色頁巖中硫的遷出大，對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定的影響。當(dāng)頁巖處于較松散的環(huán)境時(shí)，頁巖中的硫遷出較大，會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成不利影響。

礦石質(zhì)量為10 g，粒度為150～375 μm，浸出時(shí)間為1 h，浸出溫度為20℃，礦漿液固比為4 mL/g，攪拌強(qiáng)度為200 r/min。鹽酸濃度對(duì)硫浸出率的影響結(jié)果如圖2所示。從圖2看出，硫浸出率隨鹽酸濃度的增大而升高，并且升高很快；但當(dāng)鹽酸濃度高于1.2 mol/L后，硫浸出率變化不大。當(dāng)鹽酸濃度為1.2 mol/L時(shí)，礦石中可以用鹽酸浸出的硫已大部分被浸出，此時(shí)硫的浸出率為14.31%。實(shí)驗(yàn)中鹽酸用量超過了理論用量，是由于試樣中的堿金屬氧化物也被鹽酸溶解，陽離子和硫離子在氧化和酸的作用下，生成硫酸鹽礦物。因此，確定浸出劑鹽酸濃度為1.2 mol/L作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件。當(dāng)頁巖所處的地區(qū)酸雨量較足時(shí)，頁巖中硫的遷出大，對(duì)周邊環(huán)境造成不良影響。

圖2　鹽酸濃度對(duì)硫浸出率的影響

圖1　礦石粒度對(duì)硫浸出率的影響

2.2浸出時(shí)間、礦漿液固比對(duì)硫浸出率的影響

礦石質(zhì)量為10 g，粒度為150～375 μm，鹽酸濃度為1.2 mol/L，浸出溫度為20℃，礦漿液固比為4 mL/g，攪拌強(qiáng)度為200 r/min。浸出時(shí)間對(duì)硫浸出率的影響結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，硫浸出率隨浸出時(shí)間延長而迅速升高；浸出4 h后，浸出率趨于平緩，浸出反應(yīng)達(dá)到平衡，再延長浸出時(shí)間已沒有意義，此時(shí)硫浸出率為18.27%。實(shí)驗(yàn)確定最佳浸出時(shí)間為4 h。當(dāng)頁巖處于酸雨初期，硫的遷出比較快，當(dāng)處于酸雨后期，硫的遷出較慢，因?yàn)樵陧搸r中的可以遷出的硫基本都已遷出。

礦石質(zhì)量為10 g，粒度為150～375 μm，鹽酸濃度為1.2 mol/L，浸出溫度為20℃，浸出時(shí)間為4 h，攪拌強(qiáng)度為200 r/min。礦漿液固比對(duì)硫浸出率的影響結(jié)果如圖4所示。從圖4看出，當(dāng)?shù)V漿液固比為1～4 mL/g時(shí)，硫浸出率隨礦漿液固比的增大而升高；當(dāng)?shù)V漿液固比大于4 mL/g后，硫浸出率變化不大。礦漿液固比為4 mL/g時(shí)，硫浸出率為18.27%。綜合考慮，浸出液固比確定為4 mL/g。當(dāng)頁巖處于干旱地區(qū)，頁巖中的硫可以大量存在，也不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響。2.3浸出溫度、攪拌強(qiáng)度對(duì)硫浸出率的影響

圖4　礦漿液固比對(duì)硫浸出率的影響

圖3　浸出時(shí)間對(duì)硫浸出率的影響

礦石質(zhì)量為10 g，粒度為150～375 μm，鹽酸濃度為1.2 mol/L，浸出時(shí)間為4 h，礦漿液固比為4 mL/g，攪拌強(qiáng)度為200 r/min。浸出溫度對(duì)硫浸出率的影響結(jié)果如圖5所示。從圖5看出，反應(yīng)溫度越高，硫的浸出率越高，但當(dāng)反應(yīng)溫度高于30℃后，硫的浸出率增長緩慢。實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)浸出溫度為30℃。當(dāng)頁巖處于溫度較高地區(qū)的時(shí)候，頁巖中硫的遷出較大，當(dāng)溫度達(dá)到30℃后，硫的遷出率就變得緩慢，所以在溫度接近30℃的地區(qū)，頁巖中硫的遷出對(duì)環(huán)境影響較大。

圖5　浸出溫度對(duì)硫浸出率的影響

圖6　攪拌強(qiáng)度對(duì)硫浸出率的影響

攪拌強(qiáng)度對(duì)硫浸出率的影響結(jié)果如圖6所示。攪拌可以加快浸出產(chǎn)物在礦漿中的分散速度［8］，從而保證浸出速度，提高浸出率；但是攪拌強(qiáng)度過大，礦粒易被液體漩渦流吸住，反而不利于擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)條件：礦石質(zhì)量為10 g，粒度為150～375 μm，鹽酸濃度為1.2 mol/L，浸出時(shí)間為4 h，浸出溫度為30℃，礦漿液固比為4 mL/g。從圖6可以看出，攪拌強(qiáng)度小于250 r/min時(shí)，硫浸出率隨攪拌強(qiáng)度增大而迅速升高；但攪拌強(qiáng)度大于300 r/min后，硫浸出率反而下降。實(shí)驗(yàn)確定最佳攪拌強(qiáng)度為250 r/min。

3　結(jié)論

1）貴州某地黑色頁巖的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3。礦石性質(zhì)較復(fù)雜，礦石中除了含有Si、Al之外，還有大量的K、Na、Mg、Fe和S，S的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%。2）當(dāng)浸出溫度為30℃、礦石粒度為150～375 μm、浸出時(shí)間為4 h、浸出礦漿液固比為4 mL/g、攪拌強(qiáng)度為250 r/min、鹽酸濃度為1.2 mol/L時(shí)，黑色頁巖中硫的浸出率達(dá)較高值，可達(dá)23.37%，此時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響較大。3）根據(jù)黑色頁巖中硫的遷出率的影響條件可以推測(cè)：當(dāng)環(huán)境溫度接近30℃，礦石處于松散層，且酸雨量較足的時(shí)候，黑色頁巖中的硫會(huì)大量的遷出，加重對(duì)周邊環(huán)境的影響。

參考文獻(xiàn)：

［1］張杰，孫傳敏，楊國峰，等.貴州下寒武統(tǒng)黑色頁巖稀土元素地球化學(xué)特征［J］.稀土，2008，29（2）：72-75.

［2］殷芳喜.利用氧化銅礦石生產(chǎn)氧化銅的實(shí)踐［J］.礦產(chǎn)保護(hù)與利用，1998（1）：37-40.

［3］張杰，張覃，龔美菱，等.貴州寒武紀(jì)早期磷塊巖稀土元素特征［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008：3-20.

［4］周樂光.礦石學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：67-82.

［5］馬建良，王春壽.普通地質(zhì)學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：45-47.

［6］萊伊爾.地質(zhì)學(xué)原理［M］.徐韋曼，譯.北京：北京大學(xué)出版社，2008：66-72.

［7］周源，劉誠.某氧化銅礦硫酸浸出試驗(yàn)研究［J］.濕法冶金，2011，30（4）：284-286.

［8］鐘少燕，徐海濤.鎳蛇紋石浸出試驗(yàn)研究［J］.有色礦冶，2012，28（1）：21-23.

聯(lián)系方式：songchunyu0219@163.com

中圖分類號(hào)：TQ125.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4990（2013）10-0014-03

收稿日期：2013-04-10

作者簡(jiǎn)介：宋春玉（1986—），女，在讀碩士研究生，從事礦物材料加工與利用研究。

通訊作者：張杰

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51164004）；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（理工2012066）；貴州省國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合外G字［2010］7007號(hào)）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（黔教科（2009）0131號(hào)）。

Experimental research on sulphur emigration from black shale in Guizhou

Song Chunyu1，2，Zhang Jie1，2，Li Shuai1，2
（1.Mining College of Guizhou University，Guiyang 550003，China；
2.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources）

Abstract：According to the characteristics，such as a certain sulfur contained and complex nature，of the black shale in Guizhou Province，considering the impact of sulfur emigration from it on the environment，acid leaching experiments were conducted.Research found when particle fineness of black shale was at 150～375 μm，concentration of hydrochloric acid was 1.2 mol/L，leaching time was 4 h，leaching pulp liquid-solid volume mass ratio was 4 mL/g，extraction temperature was 30℃，and stirring intensity was 250 r/min，the sulfur′s leaching rate was as high as 23.73%，and at this time it had greater influence on the surrounding environment.

Key words：black shale；sulfur；acid leaching；emigration