菱鎂礦煅燒參數(shù)優(yōu)化及其產(chǎn)物水化動(dòng)力學(xué)解析

張　強(qiáng)，何宏平，陶　奇（1.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 廣東省礦物物理與材料研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

菱鎂礦煅燒參數(shù)優(yōu)化及其產(chǎn)物水化動(dòng)力學(xué)解析

張強(qiáng)1，2，3，何宏平1，2，陶奇1，2
（1.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 廣東省礦物物理與材料研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

菱鎂礦煅燒參數(shù)設(shè)計(jì)是調(diào)控產(chǎn)物活性的關(guān)鍵，產(chǎn)物活性及水化動(dòng)力學(xué)是其利用過程中的重要特性。利用田口試驗(yàn)方法對菱鎂礦煅燒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：試驗(yàn)優(yōu)化條件為煅燒溫度650℃，保溫時(shí)間90 min，升溫速率20℃/min及粒徑大小42 μm。在此優(yōu)化條件下產(chǎn)物水化率達(dá)到58.37%（70℃水化1 h）。各煅燒參數(shù)對產(chǎn)物活性的影響由大到小的順序?yàn)殪褵郎囟?、粒度大小、保溫時(shí)間、升溫速率。優(yōu)化產(chǎn)物中氧化鎂晶粒較小，結(jié)晶度較低，比表面積較大（71.55 m2/g）；在優(yōu)化產(chǎn)物水化過程中，升高溫度可顯著加快水化反應(yīng)的進(jìn)行；水化動(dòng)力學(xué)過程屬于化學(xué)反應(yīng)控制類型，反應(yīng)的表觀活化能為27.94 kJ/mol。在較高溫度條件下，動(dòng)力學(xué)過程由化學(xué)反應(yīng)控制類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)擴(kuò)散控制類型。

菱鎂礦；煅燒參數(shù)；田口試驗(yàn)方法；水化動(dòng)力學(xué)

菱鎂礦是一種以碳酸鎂為主要礦物組成的礦產(chǎn)資源。全球探明的菱鎂礦資源儲量超過100億噸，主要分布在中國、朝鮮、俄羅斯、斯洛伐克等國家。其中，我國是菱鎂礦儲量最大的國家，約占全球總儲量的31%［1］。在菱鎂礦礦產(chǎn)資源利用過程中，煅燒是最主要的處理方法之一。煅燒主要分為電熔、重?zé)拜p燒三大類［2］。電熔是菱鎂礦在電爐中熔融后生成電熔鎂，其熔融溫度在 2500～3000℃之間；重?zé)窃?400～1700℃溫度范圍內(nèi)，將碳酸鎂分解產(chǎn)物氧化鎂燒結(jié)成結(jié)構(gòu)致密的重?zé)V。獲得的電熔鎂及重?zé)V主要用于制備耐火材料。輕燒的溫度范圍在700～1200℃之間，獲得的輕燒鎂具有活性高、質(zhì)量輕及用途廣等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建材、化工、醫(yī)藥食品、農(nóng)業(yè)及環(huán)保等行業(yè)。

菱鎂礦輕燒主要包括碳酸鎂分解及氧化鎂結(jié)晶兩個(gè)過程，通常這兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行。由此所引起的分解及結(jié)晶程度的差異是造成產(chǎn)物活性差別的主要原因。從工藝角度分析，煅燒參數(shù)的設(shè)計(jì)是影響煅燒過程中碳酸鎂分解及氧化鎂結(jié)晶程度的主要因素。因此，通過調(diào)節(jié)煅燒參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)物活性的調(diào)控。目前，研究主要集中在對煅燒溫度、保溫時(shí)間及粒度大小等單因素對產(chǎn)物的物相及活性的影響［3-5］，從這些因素的綜合與交互影響角度進(jìn)行系統(tǒng)的研究較少。

煅燒產(chǎn)物活性是評價(jià)輕燒產(chǎn)物質(zhì)量的主要指標(biāo)。目前，產(chǎn)物活性的表征與評價(jià)方法主要有檸檬酸法、碘吸附法、水化法等［6］。其中，檸檬酸法滴定終點(diǎn)的判斷受菱鎂礦原礦中鐵雜質(zhì)溶出的影響較大。碘吸附法實(shí)驗(yàn)操作過程繁雜，實(shí)際應(yīng)用較少。水化法直接利用了產(chǎn)物與水反應(yīng)的質(zhì)量變化來表征產(chǎn)物的活性，可以更直觀地反映產(chǎn)物的反應(yīng)活性，具有簡單及易于操作的優(yōu)點(diǎn)。在水化過程中，化學(xué)反應(yīng)及擴(kuò)散都是重要的過程。兩個(gè)過程的相對快慢是判斷水化動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵所在。目前，對于產(chǎn)物水化動(dòng)力學(xué)過程分析依然存在較大的爭議。部分學(xué)者研究結(jié)果表明產(chǎn)物的水化過程受內(nèi)擴(kuò)散控制［7］，而另一些學(xué)者則認(rèn)為受化學(xué)反應(yīng)控制［8-9］。因此，產(chǎn)物水化動(dòng)力學(xué)過程依然需要進(jìn)行深入的分析及探究。

田口試驗(yàn)方法是一種基于田口理論的高效系統(tǒng)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［10］。該方法采用直交表設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)參數(shù)，利用信噪比（Z）判定產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)，可提高多參數(shù)交互影響條件下的試驗(yàn)效率，增加試驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。同時(shí)，田口試驗(yàn)方法的優(yōu)化結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的重現(xiàn)性，因此被廣泛應(yīng)用于溶解［11］、材料合成［12-13］等領(lǐng)域試驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化。然而，其應(yīng)用于菱鎂礦煅燒參數(shù)優(yōu)化及產(chǎn)物活性調(diào)控的研究還未見報(bào)道。本文作者利用田口試驗(yàn)方法對菱鎂礦輕燒過程參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以水化活性為指標(biāo)優(yōu)化了煅燒參數(shù)，并對優(yōu)化產(chǎn)物的水化動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行深入的分析及探究，以期為菱鎂礦的礦產(chǎn)資源利用提供更多的試驗(yàn)及理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用菱鎂礦由遼寧豐華實(shí)業(yè)有限公司提供。X射線衍射（XRD）分析結(jié)果顯示其主要物相為碳酸鎂，其中的鈣、硅雜質(zhì)分別以白云石及滑石相存在（見圖1）。采用X射線熒光光譜（XRF）分析得出其化學(xué)成分，結(jié)果如表1所列。

圖1菱鎂礦XRD譜Fig.1　XRD pattern of magnesite

表1　菱鎂礦樣品化學(xué)成分Table　1　Chemicalcomposition　ofmagnesite?。╩ass fraction，%）

1.2實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1菱鎂礦煅燒試驗(yàn)

菱鎂礦經(jīng)破碎粉磨過篩至一定粒徑，按照田口試驗(yàn)方法設(shè)定的煅燒參數(shù)，置于馬弗爐（Carbolite RHF14/3）中進(jìn)行煅燒，自然冷卻后獲得煅燒產(chǎn)物樣品。菱鎂礦煅燒分解過程主要發(fā)生如下反應(yīng)：

1.2.2產(chǎn)物表征

采用X射線衍射分析產(chǎn)物的主要物相組成，結(jié)合衍射特征峰半峰寬及Scherrer公式計(jì)算其中的氧化鎂晶粒大小。使用場發(fā)射掃描電鏡（SEM）分析產(chǎn)物的表觀形貌。利用N2吸脫附BET比表面積測量法測定產(chǎn)物的比表面積。

1.2.3煅燒產(chǎn)物水化活性測定

采用水化法（70℃）測量煅燒產(chǎn)物的活性。將樣品及瓷坩堝置于50℃恒溫箱中干燥30 min。用瓷坩堝準(zhǔn)確稱量1 g上述試樣（w0），加入4 mL超純水，均勻攪拌后置于70℃恒溫箱中保溫60 min，再升溫至150℃烘干20 min，冷卻后稱量水化樣品的質(zhì)量（w1）。產(chǎn)物水化反應(yīng)如下：

煅燒產(chǎn)物水化活性可用其中的MgO水化率（X）來表示，其計(jì)算公式如式（3）所示：

1.2.4優(yōu)化產(chǎn)物水化動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

稱取3.0 g優(yōu)化產(chǎn)物，加入至裝有100 mL超純水、已經(jīng)恒溫（20、35、50、65℃）的錐形瓶，在一定的磁力攪拌速率下（0、300、600、900 r/min）水化一定時(shí)間（0.5、1、1.5、2.0、2.5、3 h）。將水化后懸浮液抽濾，用無水乙醇清洗，再將水化樣品置于105℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干。稱量干燥后的水化樣品（m1），置于馬弗爐中于500℃煅燒1.5 h，稱量煅燒后的質(zhì)量m2，優(yōu)化產(chǎn)物的水化率按照式（3）計(jì)算。

1.3田口試驗(yàn)方法

田口試驗(yàn)方法利用信噪比（Z）來衡量產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的波動(dòng)性，將質(zhì)量指標(biāo)作為產(chǎn)品質(zhì)量特性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量特性有3種類型的信噪比：1）望目特性：即質(zhì)量指標(biāo)越接近目標(biāo)值越好；2）望小特性：即質(zhì)量指標(biāo)越靠近下限值越好；3）望大特性：即質(zhì)量指標(biāo)越靠近上限值越好［14］。本試驗(yàn)中的質(zhì)量特性為水化活性，符合望大特性信噪比，其計(jì)算公式如下：

式中：n為實(shí)驗(yàn)的總次數(shù)；yi為第i組實(shí)驗(yàn)條件下的指標(biāo)值，表示第i組煅燒試驗(yàn)產(chǎn)物的水化率。

2　結(jié)果與討論

2.1煅燒參數(shù)的田口優(yōu)化

煅燒試驗(yàn)選取了煅燒溫度、保溫時(shí)間、升溫速率及粒度大小4個(gè)工藝參數(shù)作為考察因子，分別以A、B、C、D表示，每個(gè)因子選擇4個(gè)水平。根據(jù)田口試驗(yàn)方法，選擇L16（44）直交表設(shè)計(jì)安排煅燒試驗(yàn)，分別對每組參數(shù)條件進(jìn)行兩次試驗(yàn)。表2所列為因子水平表，試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排及結(jié)果如表3所列。

表2　田口試驗(yàn)方法因子水平表Table 2　Factors and levels of Taguchi method

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算了不同因素不同水平的信噪比，獲得各影響因子的平均效應(yīng)（見圖2）。結(jié)果顯示，隨著煅燒溫度的升高，產(chǎn)物水化活性信噪比呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律；當(dāng)煅燒溫度從500℃升高至650℃，其平均信噪比由0.66增加至2.16，此后隨著煅燒溫度的升高，信噪比出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，下降至800℃時(shí)的2.00。隨保溫時(shí)間的變化信噪比出現(xiàn)類似的變化規(guī)律，但其變化的幅度較小。信噪比最大值為1.76（保溫時(shí)間90 min），比最小值（1.69）增加了0.7（保溫時(shí)間30 min）。當(dāng)升溫速率由5℃/min增加至20℃/min，信噪比由1.70增加至1.75；而當(dāng)粒度由1550 μm下降至42 μm，信噪比由1.63增加至1.83，最大值出現(xiàn)在較大的升溫速率、較小的粒度條件下?；谝陨咸锟谠囼?yàn)方法的分析，可以確定最優(yōu)化的煅燒條件為A2 B3 C4 D4。即，煅燒溫度650℃，保溫時(shí)間90 min，升溫速率為20℃/min，粒度大小為42 μm。田口試驗(yàn)方法提供了最優(yōu)化條件下產(chǎn)物指標(biāo)的預(yù)測方法［14］，根據(jù)預(yù)測方法計(jì)算得到優(yōu)化產(chǎn)物水化率為58.61%。在實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)中，優(yōu)化產(chǎn)物的實(shí)測水化率約為58.37%，與預(yù)測值較接近（見表4）。這證明了利用田口試驗(yàn)方法對煅燒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的，在實(shí)際煅燒中產(chǎn)物活性具有較好的重現(xiàn)性。

表3　煅燒試驗(yàn)安排及結(jié)果Table 3　Arrangements and results of calcination experiments

方差分析可以計(jì)算出各因子對活性的貢獻(xiàn)率［15］，從而判斷各因子對產(chǎn)物水化活性的影響大小。由表4的計(jì)算結(jié)果可知，各因子對產(chǎn)物水化活性影響由大到小的順序如下：煅燒溫度、粒度大小、保溫時(shí)間、升溫速率。其中煅燒溫度的影響最為顯著，其貢獻(xiàn)率為98.14%，最小的為升溫速率，其貢獻(xiàn)率僅為0.07%。

2.2優(yōu)化產(chǎn)物活性特征

菱鎂礦煅燒過程發(fā)生的主要是碳酸鎂分解成氧化鎂同時(shí)釋放出CO2的過程，這是一個(gè)吸熱反應(yīng)過程。在分解過程中，碳酸鎂晶體中［CO3］結(jié)構(gòu)單元的C—O鍵發(fā)生斷裂，釋放出CO2，留下O原子，使得這些位置的化學(xué)組成發(fā)生了變化，形成了化學(xué)活化點(diǎn)［16］。在此狀態(tài)下的產(chǎn)物結(jié)晶度低，結(jié)構(gòu)疏松，比表面積大，晶體結(jié)構(gòu)缺陷多，因而其化學(xué)活性高。當(dāng)碳酸鎂分解基本完成后，隨著煅燒溫度的升高及保溫時(shí)間的延長，產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)調(diào)整及生長占據(jù)主導(dǎo)地位。這是在外部熱力場的作用下，結(jié)構(gòu)中分解留下的O原子發(fā)生位移，逐漸與Mg結(jié)合形成MgO晶體。此過程使得MgO晶體結(jié)構(gòu)逐漸趨于完善，晶體尺寸增大，化學(xué)活性逐漸降低［4，7］。但當(dāng)煅燒溫度過低、保溫時(shí)間過短及煅燒顆粒粒度較大時(shí)，熱量無法傳導(dǎo)到顆粒內(nèi)部，使得其分解不充分，從而降低其活性。

圖2　因子平均效應(yīng)Fig.2　Average of Z ratios：（a）Calcination temperature；（b）Residence time；（c）Heating time；（d）Particle size

表4　優(yōu)化參數(shù)水平、預(yù)測水化率及因子貢獻(xiàn)率Table 4　Optimum working conditions，predicted hydration rate and contribution rate of factors

優(yōu)化產(chǎn)物和XRD譜如圖3所示。由圖3可知，經(jīng)過田口試驗(yàn)方法優(yōu)化的煅燒產(chǎn)物中碳酸鎂物相的特征峰已經(jīng)完全消失，出現(xiàn)了氧化鎂的特征峰，表明碳酸鎂已經(jīng)完全分解。根據(jù)2θ為42.7°處氧化鎂（200）晶面的特征峰半高寬，由Scherrer公式計(jì)算得到其晶粒大小為13.8 nm。這表明生成的氧化鎂晶粒小，產(chǎn)物結(jié)晶度低。其表觀形貌觀察結(jié)果顯示（見圖4），顆粒表面由密集微小顆粒覆蓋，顆粒間布滿了大小不一的氣孔，這與煅燒過程中碳酸鎂的分解及氧化鎂的結(jié)晶有關(guān)。對優(yōu)化產(chǎn)物進(jìn)行的BET比表面積分析結(jié)果顯示，優(yōu)化產(chǎn)物的比表面積為71.55 m2/g。這些分析表明產(chǎn)物中氧化鎂具有晶粒小、結(jié)晶度低及比表面積大的特點(diǎn)，這是優(yōu)化產(chǎn)物具有較高水化活性的原因。

圖3優(yōu)化產(chǎn)物的XRD譜Fig.3　XRD pattern of optimized calcined sample

圖4優(yōu)化產(chǎn)物的SEM像Fig.4　SEM image of optimized calcined sample

圖5　優(yōu)化產(chǎn)物在不同攪拌速率下的水化率曲線Fig.5　Hydration rate curves of optimized calcined sample at different stirring rates

圖6　優(yōu)化產(chǎn)物在不同溫度下的水化率曲線Fig.6　Hydration rate curves of optimized calcined sample at different temperatures

2.3優(yōu)化產(chǎn)物水化動(dòng)力學(xué)分析

菱鎂礦煅燒產(chǎn)物水化過程主要是產(chǎn)物中的MgO 與H2O發(fā)生反應(yīng)的過程。根據(jù)水化條件的不同，水化動(dòng)力學(xué)可以分為外擴(kuò)散控制、內(nèi)擴(kuò)散控制和化學(xué)反應(yīng)控制3種類型［7，17］。外擴(kuò)散控制動(dòng)力學(xué)模型可以考察攪拌速率對氧化鎂水化率的影響加以判斷。若提高攪拌速率可以顯著提高水化率（40%～70%），則水化過程為外擴(kuò)散控制［18］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（見圖5），大幅度提高攪拌速率并未獲得較大的產(chǎn)物水化率，由此可以排除優(yōu)化產(chǎn)物水化過程為外擴(kuò)散控制的可能性。

進(jìn)一步判斷水化動(dòng)力學(xué)過程常將水化率數(shù)據(jù)代入內(nèi)擴(kuò)散以及化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，通過相關(guān)系數(shù)來確定其動(dòng)力學(xué)類型。各溫度條件下優(yōu)化產(chǎn)物的水化率結(jié)果顯示（見圖6），水化溫度對水化率的影響較大，溫度升高有利于水化率的提高。在20℃及35℃條件下水化時(shí)，水化率隨著水化時(shí)間的延長而緩慢增加；當(dāng)溫度升高至50℃及65℃時(shí)，水化率在水化時(shí)間0～2 h內(nèi)增加較快，而在2.0～3 h的時(shí)間段水化率的幅度較小。將水化率數(shù)據(jù)同時(shí)代入內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程［7］及氧化鎂水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程［8］進(jìn)行擬合

內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程

氧化鎂水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程

式中：f（α）為水化率函數(shù)；α為水化率；k為表觀反應(yīng)速率常數(shù)；t為水化時(shí)間。

不同溫度下的水化率數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示（見圖7、圖8及表5），內(nèi)擴(kuò)散控制動(dòng)力學(xué)方程的線性相關(guān)系數(shù)比化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的線性相關(guān)系數(shù)要小。20℃及35℃條件下水化率數(shù)據(jù)均較好地符合了氧化鎂水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，其相關(guān)系數(shù)均大于0.98，而此條件下的數(shù)據(jù)與內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程的擬合相關(guān)系數(shù)僅為0.868及0.952，由此可以初步推斷其水化過程受化學(xué)反應(yīng)控制。但是50℃及65℃水化條件下水化率數(shù)據(jù)與氧化鎂水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合的相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)下降的趨勢，下降至0.965及0.944（分別對應(yīng)圖8中擬合直線C1及D1），而與內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程的擬合相關(guān)系數(shù)則增加至0.954及0.943。出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成的微溶水化產(chǎn)物氫氧化鎂附著于未水化的氧化鎂顆粒周圍，阻止了新形成的氫氧化鎂的擴(kuò)散及水分子進(jìn)入到達(dá)氧化鎂表面［9］，此時(shí)的水化過程進(jìn)入了受擴(kuò)散控制的過程。利用水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程分別對50℃水化溫度、25 h的水化時(shí)間條件下及65℃水化溫度、2.0 h的水化時(shí)間條件下的水化率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合直線C2及D2（見圖8），其相關(guān)系數(shù)分別為0.995及0.986，這表明擬合結(jié)果較好地符合了水化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。由此可以判斷在較高水化溫度條件下，水化動(dòng)力學(xué)是一個(gè)由化學(xué)反應(yīng)控制逐漸進(jìn)入擴(kuò)散控制的過程。

圖7　內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果Fig.7　Fitting results of internal diffusion dynamics equation

圖8　化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果Fig.8　Fitting results of chemical reaction dynamics equation

表5　動(dòng)力學(xué)擬合相關(guān)系數(shù)Table 5　Correlation coefficient of dynamics equations

選取20℃，35℃的擬合結(jié)果及50℃的C2線和65℃的D2線擬合結(jié)果，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，進(jìn)行擬合求解出水化反應(yīng)的活化能：

式中：Ea為反應(yīng)活化能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；A為指前因子。

將水化溫度與水化速率常數(shù)k進(jìn)行擬合（見圖9），進(jìn)而求得表觀反應(yīng)活化能為27.94 kJ/mol。關(guān)于化學(xué)反應(yīng)活化能（Ec）與擴(kuò)散控制活化能（Ed）判據(jù)［19］：Ed＜25.12 kJ/mol＜Ec，可以進(jìn)一步確定擬合條件下煅燒優(yōu)化產(chǎn)物的水化反應(yīng)為化學(xué)反應(yīng)控制類型。而在較高的溫度條件下，水化動(dòng)力學(xué)出現(xiàn)由化學(xué)反應(yīng)控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)擴(kuò)散控制的過程。

圖9　反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.9　Relationship between k and temperature

3　結(jié)論

1）利用田口試驗(yàn)方法對菱鎂礦煅燒參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化煅燒參數(shù)如下：煅燒溫度為650℃，保溫時(shí)間為90 min，升溫速率為20℃/min及粒徑大小為42 μm。此優(yōu)化條件下產(chǎn)物70℃水化1 h的水化率達(dá)58.37%。各煅燒參數(shù)對產(chǎn)物活性的影響由大到小的順序如下：煅燒溫度、粒度大小、保溫時(shí)間、升溫速率。其中煅燒溫度的影響最為顯著，其貢獻(xiàn)率為98.14%；升溫速率影響最小，其貢獻(xiàn)率僅為0.07%。優(yōu)化產(chǎn)物中碳酸鎂完全分解轉(zhuǎn)化為氧化鎂，其中的氧化鎂晶粒較小，結(jié)晶度低。優(yōu)化產(chǎn)物比表面積71.55 m2/g。

2）溫度對優(yōu)化產(chǎn)物的水化過程影響較大，升高水化溫度可顯著加快水化反應(yīng)的進(jìn)行。水化反應(yīng)屬于化學(xué)反應(yīng)控制類型，其反應(yīng)的表觀活化能為27.94kJ/mol。在較高水化溫度條件下，動(dòng)力學(xué)過程由化學(xué)反應(yīng)控制逐漸進(jìn)入內(nèi)擴(kuò)散控制。試驗(yàn)結(jié)果為菱鎂礦的礦產(chǎn)資源利用提供了更多的試驗(yàn)及理論依據(jù)。

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(編輯龍懷中)

Parameters optimization of magnesite calcination and hydration dynamics of optimized sample

ZHANG Qiang1，2，3，HE Hong-ping1，2，TAO Qi1，2
（1.Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny，Guangzhou Institute of Geochemistry，ChineseAcademy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials，Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3.University of ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100049，China）

Parameters are important for activity controlling during magnesite calcination.The activity and hydration dynamics of calcined samples are crucial properties.Taguchi method was used to optimize the parameters in magnesite calcination.The results show that the optimized parameters are achieved at calcination temperature of 650℃，with heating rate of 20℃/min and residence time of 90 min，and the particle size is 42 μm.The optimal hydration rate reaches 58.37%after hydrating at 70℃for 1 h.The influences of parameters on activity decrease from high to low as calcination temperature，particle size，residence time，heating rate.The optimal sample contains small crystal of MgO with high specific surface area（71.55 m2/g）.During hydration，elevated temperature accelerates significantly the hydration reaction.The apparent activation energy is 27.94 kJ/mol，indicating that the dynamics is controlled by hydration reaction.Hydration dynamics changes gradually from hydration reaction controlled towards internal diffusion controlled at higher temperature.

magnesite；calcination parameter；Taguchi method；hydration dynamics

Project（41372048）supported by the National Natural Science Foundation of China；Project （20111071010019）supported by Foshan-ChineseAcademy of Sciences Cooperation，China

date:2015-04-08；Accepted date:2015-08-30

TAO Qi；Tel：+86-20-85290252；E-mail：taoqi@gig.ac.cn

TD985

A

1004-0609（2016）-03-0699-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41372048）；佛山市院市合作項(xiàng)目（20111071010019）

2015-04-08；

2015-08-30

陶奇，副研究員，博士；電話：020-85290252；E-mail：taoqi@gig.ac.cn