天青石精礦粉制備碳酸鍶實驗研究*

金建華，楊占壽，夏燕俊

（1.青海民族大學化學化工學院，青海西寧810007；2.中國科學院青海鹽湖研究所）

天青石精礦粉制備碳酸鍶實驗研究*

金建華1，楊占壽2，夏燕俊1

（1.青海民族大學化學化工學院，青海西寧810007；2.中國科學院青海鹽湖研究所）

采用碳還原法由天青石制備碳酸鍶，研究了物質(zhì)的量比、焙燒溫度、焙燒時間、固液質(zhì)量比、浸取時間等因素對鍶利用率的影響，采用正交實驗確定了最優(yōu)鍶收率工藝：天青石礦和還原煤物質(zhì)的量比為5.7∶1、物料焙燒溫度為1 150℃、焙燒時間為40 min、固液質(zhì)量比為1∶14、浸取時間為2.2 h。本研究可為提高鍶資源的利用率提供參考。

碳還原法；天青石；碳酸鍶；正交實驗

碳酸鍶是重要的無機化工產(chǎn)品，主要用于彩色顯像管、電子陶瓷、磁性材料等行業(yè)，隨著電子、信息等高科技領(lǐng)域的發(fā)展，市場對碳酸鍶的需求量日益增大。目前，工業(yè)生產(chǎn)碳酸鍶大都采用碳還原法和復分解法［1-3］。碳還原法因其工藝和設(shè)備簡單、成本低、操作簡便等優(yōu)勢得到廣泛應用，但鍶的利用率并不高。針對這一情況，研究了碳還原法制備碳酸鍶中天青石焙燒、浸取過程對鍶收率的影響。煤物質(zhì)的量比的天青石試樣在高溫下進行氧化還原反應，考察了礦煤比對鍶收率的影響，結(jié)果見圖1。

1　實驗部分

1.1實驗方法

實驗采用青海大風山天青石精礦，用碳還原法將天青石和煤粉按一定配比混合，在高溫下焙燒還原，生成熟料（俗稱“黑灰”，主要化學成分為硫化鍶），再經(jīng)浸?。?-5］、碳化后制成碳酸鍶。SrS是強堿弱酸鹽，遇水會發(fā)生水解生成Sr（OH）2和Sr（HS）2進入溶液。含Sr2+的溶液經(jīng)凈化除去鈣、鋇、鎂等雜質(zhì)后，加入碳酸鈉，即可生成純凈的碳酸鍶沉淀。

1.2單因素實驗

1.2.1礦煤比對鍶收率的影響

在相同焙燒溫度、焙燒時間等條件下，將不同礦

圖1　礦煤比對鍶收率的影響

由圖1可知，隨著礦煤比的增加，鍶收率逐漸上升，當?shù)V煤物質(zhì)的量比超過5.7∶1后，鍶收率開始下降，即過量的還原煤對提高鍶的收率不利。所以在保證鍶收率的前提下，為避免過量還原煤的浪費，選擇適宜的礦煤物質(zhì)的量比為5.7∶1。

1.2.2焙燒溫度與焙燒時間對鍶收率的影響

1）焙燒溫度。在相同礦煤比、焙燒時間等條件下，將天青石試樣在不同溫度下進行氧化還原反應，考察了焙燒溫度對鍶收率的影響，結(jié)果見圖2a。由圖2a可知，隨著焙燒溫度的升高，鍶收率逐漸升高。當焙燒時間相同時，還原焙燒溫度越高，鍶收率越大，當焙燒溫度超過1 150℃時鍶收率反而下降。理論上來說，焙燒過程還原溫度超過1 200℃后對天青石的還原率和反應速度更為有利，而實際實驗中還原溫度為1 200℃時鍶的收率反而下降。這主要是因為物料被燒結(jié)結(jié)塊，反應物料接觸不好，從而使還原率下降，導致鍶收率不高。綜合考慮，選擇天青石適宜的還原焙燒溫度為1 100～1 150℃。

2）焙燒時間。在相同礦煤比、焙燒溫度等條件下，將天青石試樣在不同時間下進行氧化還原反應，考察了焙燒時間對鍶收率的影響，結(jié)果見圖2b。由圖2b可見，當焙燒溫度相同時，SrSO4的轉(zhuǎn)化率隨還原焙燒時間的延長而增大，但焙燒時間達到50 min后，還原焙燒時間對鍶收率影響則不明顯。綜合考慮，選擇天青石適宜的還原焙燒時間為30～40 min，進一步確定適宜的溫度為1 150℃。

圖2　焙燒溫度（a）與焙燒時間（b）對鍶收率的影響

1.2.3熟料與水質(zhì)量比對鍶收率的影響

實驗考察了在相同的溫度和浸取時間等條件下，熟料與水質(zhì)量比（固液質(zhì)量比）對鍶收率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　熟料與水質(zhì)量比對鍶收率的影響

由圖3可知，當增大浸取劑水的用量時，鍶的收率隨著增大；當固液質(zhì)量比大于1∶12后，水的用量對提高鍶的收率作用則很小。因此，實驗選擇適宜的固液質(zhì)量比為1∶10。

1.2.4浸取時間對鍶浸取率的影響

在相同的浸取溫度和固液比的條件下，考察了浸取時間對鍶收率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，浸取時間越長，鍶的收率越大，但當浸取時間超過2.2 h后，鍶收率增幅不大。綜合考慮，實驗選擇適宜的浸取時間為2.2 h。

圖4　熟料與水比對鍶收率的影響

1.2.5浸取溫度對鍶浸取率的影響

在礦煤物質(zhì)的量比、固液質(zhì)量比、浸取時間不變的條件下，選擇浸取溫度分別為30、50、70、80、90℃，考察了浸取溫度對鍶浸取率的影響。結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著反應溫度的升高，浸取率逐漸增大。當溫度為30～80℃時，浸取率變化較為顯著。浸取溫度達到80℃以后，鍶收率的增長幅度趨于平緩。繼續(xù)提高溫度會加大能耗，綜合考慮，實驗選擇適宜的浸取溫度為85～90℃。

圖5　浸取溫度對鍶收率的影響

1.3正交實驗優(yōu)化工藝

以鍶收率為指標，對礦煤物質(zhì)的量比、焙燒溫度、焙燒時間、固液比、浸取時間、浸取溫度等因素做了考察，采用L16（45）進行正交實驗，實驗設(shè)計及結(jié)果見表1、2。表3為正交實驗結(jié)果的方差分析。

表1　鍶最優(yōu)收率的因素與水平

由表2中的極差R可知，正交實驗所考察的5個因素對鍶回收率的影響程度依次為D＞E＞B＞C＞A。經(jīng)表3方差分析表明，礦煤比、焙燒溫度、焙燒時間、固液比和浸取時間對鍶收率均有顯著性影響。通過正交實驗優(yōu)選的鍶收率，最優(yōu)實驗為A3B3C3D4E3，即礦煤物質(zhì)的量比5.7∶1、焙燒溫度為1 150℃、焙燒時間為40 min、固液質(zhì)量比為1∶14、浸取時間為2.2 h。

表2　鍶最優(yōu)收率正交實驗L16（45）結(jié)果

表3　正交實驗結(jié)果方差分析

2　結(jié)果與討論

1）通過正交實驗和方差分析，得到碳還原法制備碳酸鍶過程中影響最大的因素是固液質(zhì)量比，其次是浸取時間、焙燒溫度、焙燒時間、礦煤比，并確定了適宜的工藝條件。重復最優(yōu)實驗3次，得到鍶的平均收率為82.5%。該結(jié)果比其他實驗結(jié)果更佳，表明該實驗條件可作為碳還原天青石礦制備碳酸鍶時鍶收率的最佳條件。

2）浸取液溫度控制在85～90℃，能有效除去熟料中的Ca、Ba、Mg等雜質(zhì)，同時熟料中硫化鍶能完全轉(zhuǎn)化成Sr（OH）2和Sr（HS）2。但高溫的熟料在浸取前與空氣接觸，易發(fā)生如下反應：

其中，SrSO4和SrSO3是不溶性的鍶鹽，可降低SrS的含量，導致鍶收率低。所以在熟料浸取前要避免上述副反應的發(fā)生，以提高鍶的收率。

3　小結(jié)

用碳還原法由天青石制備碳酸鍶經(jīng)實驗研究，在礦煤物質(zhì)的量比為5.7∶1、焙燒溫度為1 150℃、焙燒時間為40 min、熟料與水的質(zhì)量比為1∶14、浸取時間為2.2 h的條件下，鍶的收率可達到最高，且其穩(wěn)定性好，可用于工業(yè)化生產(chǎn)。

［1］梁開玉，趙靜波，楊文清.碳還原法制高純度碳酸鍶的生產(chǎn)工藝研究［J］.渝州大學學報，2001，18（4）：6-12.

［2］徐旺生，何秉忠，徐瑩，等.由天青石制高純碳酸鍶新工藝研究［J］.化工礦物與加工，2002（5）：4-7.

［3］李光輝，劉牡丹，黃武華，等.天青石精礦制備碳酸鍶工藝及其溶液化學機理［J］.中南大學，2007，17（3）：459-464.

［4］張蒼石.粗制硫化鍶浸取方式的探討［J］.無機鹽工業(yè)，1995，37（6）：37-38.

［5］王樹軒，王壽江，李寧，等.碳酸鍶廢渣酸浸取工藝對收率和分離性能的影響［J］.無機鹽工業(yè)，2010，42（12）：49-51.

聯(lián)系方式：jinjianhua_94@163.com

Experimental study of preparation of strontium carbonate from lapis lazuli ore concentrate

Jin Jianhua1，Yang Zhanshou2，Xia Yanjun1
（1.School of Chemical Engineering，Qinghai University for Nationalities，Xining，810007 China；2.Qinghai Salt Lake Research Institute，ChineseA cademy of Sciences）

Strontium carbonate was prepared from lapis lazuli by using carbon reduction method.The influences of the amount-of-substance ratio，roasting temperature，roasting time，mass ratio of solid to liquid，and leaching time etc.on the utilization ratio of strontium were investigated.The optimal strontium recovery was determined by orthogonal experiment，i.e. amount-of-substance ratio of lapis lazuli to coal was 5.7∶1，roasting temperature was 1 150℃，roasting time was 40 min，mass ratio of solid to liquid was 1∶14，and leaching time was 2.2 h.The study can provide a reference for raising the utilization of strontium resources.

carbon reduction method；lapis lazuli；strontium carbonate；orthogonal test

TQ132.33

A

1006-4990（2016）02-0030-03

青海科技計劃項目（2013-G-204-1）。

2015-08-10

金建華（1965—），女，教授，主要從事化學化工理論及應用研究。