赤鐵礦沉淀除鐵工藝產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響因素探討

孫寧磊 戴江洪 殷書巖 李少龍

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

赤鐵礦沉淀除鐵工藝產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響因素探討

孫寧磊 戴江洪 殷書巖 李少龍

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

分析了赤鐵礦除鐵工藝產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素。在一定條件下，升高反應(yīng)溫度、提高原液pH值以及延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)于提高赤鐵礦除鐵工藝產(chǎn)品的鐵含量與降低雜質(zhì)硫含量有利。采用加壓水洗和常壓堿洗方法處理赤鐵礦，皆可以獲得較低硫含量的赤鐵礦產(chǎn)品。

三價(jià)鐵； 赤鐵礦； pH值； 反應(yīng)溫度； 反應(yīng)時(shí)間； 加壓水洗； 常壓堿洗； 硫含量

0 引言

有色金屬濕法冶煉硫酸浸出工藝中，除鐵方法較多，如黃鉀鐵礬法、中和除鐵法、針鐵礦法等等，這些方法除鐵后鐵渣中鐵含量都小于45%，同時(shí)含有大量的雜質(zhì)，如鐵礬渣中含有大量堿金屬及硫等雜質(zhì)，這樣的鐵渣不能作為工業(yè)原料使用。

赤鐵礦法除鐵[1-2]是一種有效并且環(huán)保的工藝，這種工藝既能保證較高的鐵沉淀率，又可以產(chǎn)出鐵紅產(chǎn)品出售。但由于工藝中需要高溫高壓的條件，其設(shè)備投資較高，工藝操作較為復(fù)雜，目前工業(yè)中很少使用。日本秋田公司飯島鋅冶煉廠是目前世界上唯一一家采用該工藝的企業(yè)。其所采用的赤鐵礦法工藝，要先將鐵酸鋅中的三價(jià)鐵用二氧化硫還原為二價(jià)鐵，在后續(xù)的工藝中中和除雜后再泵入高壓釜內(nèi)氧化沉淀。上述還原工序是鋅冶煉過程中較為特定的要求，但若將此方法推廣至其他情況，還原工序的必要性需要斟酌，浸出后的大量三價(jià)鐵若直接沉淀為赤鐵礦則使此方法更加經(jīng)濟(jì)可行。

三價(jià)鐵赤鐵礦法除鐵工藝最關(guān)鍵的問題是產(chǎn)品中雜質(zhì)含量，尤其是硫的含量較高，不能滿足下游企業(yè)的需求。恩菲課題組對(duì)該問題進(jìn)行了深入研究，并獲得了很好的結(jié)果。本文主要研究了赤鐵礦除鐵工藝鐵紅產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響因素，為三價(jià)鐵赤鐵礦除鐵工藝開發(fā)及優(yōu)化提供了方向。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)采用的化學(xué)藥劑均為分析純，利用其配制一定濃度的Fe3+的硫酸高鐵溶液，并采用硫酸調(diào)節(jié)溶液初始pH值。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取一定體積的上述溶液，采用硫酸調(diào)整初始pH值后，加入至2 L容積的加壓反應(yīng)釜內(nèi)，加熱到一定溫度，并在相同攪拌速率下反應(yīng)一段時(shí)間，真空過濾后將產(chǎn)品洗滌并烘干，期間根據(jù)需要進(jìn)行產(chǎn)品后處理，取濾液及產(chǎn)品進(jìn)行物理及化學(xué)分析。

1.3 分析方法及儀器

低含量元素的測(cè)定：原子吸收光譜儀(GGX- 600AAS)；硫元素的測(cè)定：硫碳分析儀(CS- 344)；高含量元素的測(cè)定：化學(xué)滴定；產(chǎn)品物相：M21X超大功率X射線衍射儀；產(chǎn)品形貌及粒度：JSM6480LV型掃描電鏡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原液pH值、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)沉淀Fe2O3產(chǎn)品中硫含量影響較大。

圖1 原液pH值對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響

圖1為反應(yīng)溫度為200 ℃、反應(yīng)時(shí)間為1 h條件下原液pH值對(duì)產(chǎn)品鐵含量及雜質(zhì)硫含量的影響。當(dāng)原液pH值分別為0.7、0.9、1.1、1.3和1.5時(shí)，所得產(chǎn)品用XRD檢測(cè)，均為單一的Fe2O3相。這些產(chǎn)品用硫碳分析儀均檢測(cè)出含有一定量的硫元素。該硫元素的存在形式主要是以少量的堿式硫酸鐵或水合鐵礬的形式存在。以堿式硫酸鐵形式存在主要原因是在Fe3+水解沉淀Fe2O3的過程中生成的細(xì)小氧化鐵顆粒周圍局部酸度過高，從而導(dǎo)致堿式硫酸鐵相的生成，而氧化鐵顆粒團(tuán)聚的過程中堿式硫酸鐵相會(huì)被包裹進(jìn)氧化鐵團(tuán)塊內(nèi)部，無法靠水洗的方式除掉。圖1產(chǎn)品中的鐵、硫含量呈反向變化關(guān)系，隨著原液pH值的升高，產(chǎn)品中的鐵含量增加，硫含量降低，可見溶液酸度的降低可以促進(jìn)氧化鐵的生成而不利于堿式硫酸鐵的生成。pH值繼續(xù)提高，F(xiàn)e3+會(huì)以水解的方式沉淀下來，所以本研究中未對(duì)高于1.5的值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2為原液pH=1.3、反應(yīng)時(shí)間為1 h條件下反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響。當(dāng)反應(yīng)溫度在170～210 ℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)品中的鐵含量逐漸增加，硫含量逐漸降低，F(xiàn)e2O3物相在較高溫度下較為穩(wěn)定，可見溫度的升高促進(jìn)了氧化鐵的生成，同時(shí)會(huì)促進(jìn)堿式硫酸鐵相分解并向氧化鐵轉(zhuǎn)化。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響

圖3為原液pH=1.3、反應(yīng)溫度為210 ℃條件下反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響。反應(yīng)時(shí)間零點(diǎn)是指從浸出液進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)開始升溫到指定反應(yīng)溫度所經(jīng)歷的時(shí)間，該時(shí)間為15 min左右。此反應(yīng)速度較快，反應(yīng)初期由于溶液體系內(nèi)條件適宜，水解反應(yīng)迅速，有大量的Fe2O3沉淀瞬間析出，造成生成的細(xì)小Fe2O3顆粒周圍局部酸度過高，從而導(dǎo)致(堿式流酸鐵)的生成，F(xiàn)eOHSO4可以看做是Fe2(SO4)3向Fe2O3過渡的中、間產(chǎn)物，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，由于體系內(nèi)的酸度，各元素濃度等條件適宜，沉淀中的FeOHSO4相最終會(huì)向Fe2O3相轉(zhuǎn)變[3-4]。反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，鐵產(chǎn)品有返溶現(xiàn)象，這從時(shí)間延長(zhǎng)至2.5 h以后鐵含量開始降低可以看出。

2.2 后處理工藝對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的影響

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適宜的反應(yīng)條件下可以獲得質(zhì)量較好的鐵紅產(chǎn)品。但是，該產(chǎn)品的硫含量仍然大于1%，不能滿足下游企業(yè)的需求。產(chǎn)品中的S存在形式主要以水合鐵礬或堿式硫酸鐵的形式存在，在較高溫度或者較高pH下，這兩種物質(zhì)是不穩(wěn)定的。研究中采取兩種方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了后處理分別為加壓水洗和常壓堿洗。表1分別列舉了產(chǎn)品一定條件下后處理前后的S含量。

通過水熱作用，堿性條件下將黃鉀鐵礬類化合物轉(zhuǎn)化為赤鐵礦的反應(yīng)如(1)式所示：

2MFe3(SO4)2(OH)6(s)→3Fe2O3(s)+

M2SO4(aq)+3H2SO4(aq)+3H2O(l)

(1)

表1 高溫水洗對(duì)產(chǎn)品化學(xué)質(zhì)量的改善 單位：%

且從圖4洗滌前后SEM圖像可以看出，洗滌過程具有破壞團(tuán)聚，縮小Fe2O3顆粒粒徑的作用，從而釋放包裹的含硫物質(zhì)，達(dá)到分解洗滌的目的。從表1洗滌前后結(jié)果可以看出，一定條件下兩種處理方式皆可以獲得含硫較低的產(chǎn)品。

圖4 堿洗處理對(duì)產(chǎn)品形貌的影響

3 結(jié)論

(1)反應(yīng)溫度為200 ℃，反應(yīng)時(shí)間為1 h條件下，鐵紅產(chǎn)品中的鐵含量隨原液pH值的提高而升高，同時(shí)雜質(zhì)硫含量隨之降低。

(2)原液pH=1.3，反應(yīng)時(shí)間為1 h條件下，鐵紅產(chǎn)品中的鐵含量隨反應(yīng)溫度的提高而升高，同時(shí)雜質(zhì)硫含量隨之降低。

(3)原液pH=1.3，反應(yīng)溫度為210 ℃條件下，鐵紅產(chǎn)品中的鐵含量隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，同時(shí)雜質(zhì)硫含量隨之降低，而過長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可能造成鐵紅的返溶。

(4)一定條件下加壓水洗、常壓堿洗兩種處理方式皆可獲得含硫較低的產(chǎn)品。

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Discussion on Influencing Factors of the Chemical Quality of Hematite Product Prepared via Hydrothermal Precipitation

SUN Ning-lei, DAI Jiang-hong, YIN Shu-yan, LI Shao-long

This article introduced the influencing factors on the chemical quality of hematite product prepared via hydrothermal precipitation. Results indicate that the increase of reaction temperature, initial pH value as well as residence time improved the chemical quality of the precipitation product. Using pressure washing and atmospheric alkali washing to treat hematite can obtained an upgraded quality of the product.

ferric; hematite; pH value; reation temperature; reaction time; sulfur content

2014-10-09

孫寧磊(1980—)，男，河北宣化人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：有色金屬冶金。

TF803.2

A

1008-5122(2015)02-0011-03