鍶廢渣制備鍶鹽酸浸取工藝關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究*

金建華，楊占?jí)?，李傲，馬江峰

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

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鍶廢渣制備鍶鹽酸浸取工藝關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究*

金建華1，楊占?jí)?，李傲1，馬江峰1

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

以碳還原天青石生產(chǎn)碳酸鍶的鍶廢渣為原料，采用鹽酸為浸取劑，研究了鍶廢渣制備鍶鹽酸浸取工藝中鍶渣粒徑、浸取溫度、浸取時(shí)間、溶液酸度等參數(shù)對(duì)鍶浸取率的影響。在此基礎(chǔ)上利用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)鍶渣酸浸取工藝進(jìn)行優(yōu)化。得到鍶廢渣酸浸取鍶的最佳工藝：鍶渣粒徑為0.062 mm、反應(yīng)時(shí)間為2 h、反應(yīng)溫度為30℃、浸取液pH為0.1。該研究可為提高鍶資源的利用率提供參考。

鍶廢渣；鹽酸浸??；鍶浸取率；關(guān)鍵參數(shù)

鍶鹽是非常重要的無機(jī)化工產(chǎn)品，目前在以天青石為原料采用碳還原法生產(chǎn)鍶鹽的過程中，煅燒經(jīng)水浸處理后會(huì)產(chǎn)生大量的含鍶廢渣。這些廢渣中鍶含量較高，由此造成大量鍶資源的浪費(fèi)，而且廢渣長期堆放會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染，雨淋的滲出液還會(huì)造成流域水資源的污染，已嚴(yán)重制約了碳還原法生產(chǎn)碳酸鍶工藝的良性發(fā)展［1-3］。因此，研究鍶廢渣中鍶的回收，有利于提高鍶資源的利用率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的多元化，減少鍶廢渣的環(huán)境污染問題［4-6］。筆者通過實(shí)驗(yàn)對(duì)碳酸鍶廢渣鹽酸浸取工藝中影響鍶浸取率的參數(shù)做了優(yōu)化，為碳酸鍶廢渣的環(huán)境污染和資源利用等問題提供新思路和技術(shù)支撐。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原理

碳還原天青石生產(chǎn)碳酸鍶鍶廢渣原料的主要成分為碳酸鍶、碳酸鋇、碳酸鈣、硅酸鍶、未被還原的硫酸鍶等。本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)鹽酸對(duì)原料進(jìn)行酸浸取，將其中的酸溶鍶鹽轉(zhuǎn)化成水溶性的氯化鍶。主要化學(xué)反應(yīng)式：

1.2原料與儀器

原料：青海海西大風(fēng)山天青石碳還原法生產(chǎn)碳酸鍶鍶廢渣（鍶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.12%）。

儀器：HH-6型恒溫水浴箱、PHS-3CB型酸度計(jì)、SHB-3型真空泵、SQP型電子天平。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

稱取粉碎鍶渣10 g，用50 mL水調(diào)漿后置于恒溫水浴箱，控溫，攪拌，加入一定量的6 mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)漿料的酸度，保溫進(jìn)行酸浸取，再用6 mol/L氫氧化鈉溶液中和浸取液至pH為6～7，保溫20 min，抽濾，用蒸餾水洗滌濾餅，收集濾液，可得氯化鍶溶液，采用EDTA容量法測(cè)定其中的鍶含量。

1.4實(shí)驗(yàn)方法分析

實(shí)驗(yàn)方法有單因素實(shí)驗(yàn)方法和正交實(shí)驗(yàn)方法。采用單因素實(shí)驗(yàn)方案，分別研究浸取時(shí)間、浸取溫度、鍶渣粒徑、浸取酸度等工藝參數(shù)對(duì)鍶渣酸浸取率的影響，找出每個(gè)參數(shù)的具體影響規(guī)律，并確定影響鍶渣酸浸取率的重要參數(shù)的最優(yōu)水平。采用正交實(shí)驗(yàn)方法選擇最佳工藝參數(shù)組合，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，考察浸取時(shí)間、浸取溫度、鍶渣粒徑、浸取酸度等4個(gè)工藝參數(shù)對(duì)浸取結(jié)果的影響并確定最佳工藝參數(shù)組合，以正交實(shí)驗(yàn)獲得的最佳參數(shù)組合為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行4組平行實(shí)驗(yàn)。

2　結(jié)果與討論

2.1鍶廢渣酸浸單因素條件擇優(yōu)實(shí)驗(yàn)

2.1.1鍶渣粒度對(duì)鍶浸取率的影響

按照1.3節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，在鹽酸調(diào)節(jié)pH=0.1、浸取溫度為30℃、浸取時(shí)間為2 h的條件下，考察了鍶廢渣粒徑（0.72、0.168、0.127、0.062 mm）對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，鍶渣粒徑越小，鍶浸取率就越高。這是因?yàn)榱皆叫〉逆J樣，其比表面積越大，則鍶渣與溶劑的接觸面積越大，從而使反應(yīng)更加充分。因此，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能選擇小的鍶渣粒徑。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇的適宜鍶渣粒徑為0.062 mm。

圖1　鍶渣粒徑對(duì)鍶浸取率的影響

2.1.2浸取時(shí)間對(duì)鍶浸取率的影響

按照1.3節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，在鹽酸調(diào)節(jié)pH=0.1、浸取溫度為30℃、鍶渣粒徑為0.062 mm的條件下，考察了浸取時(shí)間（1、1.5、2、2.5 h）對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，隨著浸取時(shí)間的延長，浸取率呈現(xiàn)增長的趨勢(shì)；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2 h時(shí)；總鍶含量達(dá)到最大值；繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，鍶浸取率變化不明顯。這是因?yàn)榻? h左右時(shí)，酸溶性含鍶物質(zhì)的反應(yīng)已趨于完全。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的酸浸取時(shí)間為2 h。

圖2　反應(yīng)時(shí)間對(duì)鍶浸取率的影響

2.1.3浸取溫度對(duì)浸取率的影響

按照1.3節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，在鹽酸調(diào)節(jié)pH=0.1、鍶渣粒徑為0.062 mm、浸取時(shí)間為2 h的條件下，考察了浸取溫度（30、50、75、85℃）對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，隨著浸取溫度的升高，鍶浸取率逐漸降低且趨勢(shì)平緩。浸取溫度為30℃時(shí)，鍶浸取率最高。可能是浸取反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于浸取反應(yīng)的進(jìn)行。此外，溫度升高時(shí)，浸取液中的硅酸極易凝聚形成凝膠，不但會(huì)阻礙鹽酸與酸溶性鍶物質(zhì)的反應(yīng)，還會(huì)吸附浸取液，導(dǎo)致鍶浸取率的降低。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的酸浸取溫度為30℃。

圖3　浸取溫度對(duì)鍶浸取率的影響

2.1.4浸取酸度對(duì)鍶浸取率的影響

按照1.3節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，在浸取溫度為30℃、鍶渣粒徑為0.062 mm、浸取時(shí)間為2 h的條件下，考察了鹽酸調(diào)節(jié)的pH（0、0.1、0.56、2.12）對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可見，在酸度較低的情況下，隨著鹽酸用量的增加或體系pH的降低，鍶的浸取率明顯提高，有利酸溶性物質(zhì)充分溶解進(jìn)入溶液；繼續(xù)增加溶液的酸度，當(dāng)溶液pH達(dá)到0.1以后，鍶浸取率雖有所增加，但增加幅度明顯降低，這說明廢渣中酸溶性含鍶物質(zhì)的反應(yīng)已趨于完全。此外，酸度過高有可能使硅酸凝聚速度加快，吸附浸取液中鍶，同時(shí)也不利于固液分離。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的酸浸取pH=0.1。

圖4　浸取液pH對(duì)鍶浸取率的影響

綜合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到酸浸取工藝的優(yōu)化工藝：鍶廢渣粒徑為0.062 mm、浸取時(shí)間為2 h、浸取溫度為30℃、浸取pH=0.1。

2.2廢渣酸浸正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)確定酸浸取工藝鍶渣的粒徑、浸取溫度、浸取時(shí)間、浸取溶液酸度為考察因素，設(shè)計(jì)了4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)L9（34），進(jìn)一步考察4個(gè)工藝因素對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見表1。

表1　正交實(shí)驗(yàn)表與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1極差R可以看出，各工藝參數(shù)對(duì)酸浸取鍶的影響顯著性依次為鍶渣粒徑＞浸取時(shí)間＞pH＞浸取溫度。酸浸取最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C1D2，即鍶渣粒徑為0.062 mm、浸取時(shí)間為2 h、浸取溫度為30℃、浸取液pH=0.1。

2.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和分析，在最佳酸浸取工藝參數(shù)條件下，對(duì)鍶渣酸浸取率和數(shù)據(jù)做了分析，結(jié)果見表2。由表2可知，經(jīng)過4次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，所得到的鍶浸取率平均值為83.33%，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.053 7，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0644%。結(jié)果表明，在最佳工藝參數(shù)條件下，鍶浸取率的重復(fù)性好。

表2　最佳酸浸取工藝參數(shù)條件下得到的鍶渣酸浸取率和數(shù)據(jù)分析

3　結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)酸浸取中各工藝參數(shù)做了優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)：鍶渣粒徑為0.062 mm、浸取時(shí)間為2 h、浸取溫度為30℃、浸取液pH=0.1。采用最佳工藝條件進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明鍶浸取率的重復(fù)性好，可為提高鍶資源的利用率提供參考。

［1］張慶靂，王廣愛，吳衛(wèi)東.中國工業(yè)碳酸鍶生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2005，37（8）：1-4.

［2］金建華，楊占?jí)?，夏燕?天青石精礦粉制備碳酸鍶實(shí)驗(yàn)研究［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2016，48（2）：30-32.

［3］樓紫陽，宋立言，趙由才，等.中國化工廢渣污染現(xiàn)狀及資源化途徑［J］.化工進(jìn)展，2006，25（9）：988-994.

［4］孫士坤.一種回收利用鍶鹽殘?jiān)苽涮妓徭J的新方法［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2015，47（5）：51-52.

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

［6］王淑云，李國庭.高純碳酸鍶制備新工藝研究［J］.河北化工，2008，31（4）：16-18.

聯(lián)系方式：jinjianhua_94@163.com

Experimental research on key parameters of preparation of strontium salt by
hydrochloric acid leaching technology with waste strontium slag

Jin Jianhua1，Yang Zhanshou2，Li Ao1，Ma Jiangfeng1
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Qinghai University for Nationalities，Xining 810007，China；2.Qinghai Salt Lake Research Institute，Chinese A cademy of Sciences）

With waste strontium slag in the production of strontium carbonate by carbon reduction of lapis lazuli as raw material，using hydrochloric acid as the leaching agent，the influences of strontium slag particle size，leaching temperature，leaching time，and solution acidity etc.on the leaching rate of strontium were investigated.On the basis of that the leaching process was optimized by orthogonal experiments.The optimum acid leaching process conditions were obtained：strontium slag particle size of 0.062 mm，the reaction time of 2 h，the reaction temperature of 30℃，and leaching liquid pH=0.1.This study can provide reference for raising the utilization coefficient of strontium resources.

waste strontium slag；hydrochloric acid leaching；strontium leaching rate；key parameters

TQ132.33

A

1006-4990（2016）08-0060-03

青?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（2013-G204-1）。

2016-02-19

金建華（1965—）女，碩士，教授，主要從事化學(xué)理論與應(yīng)用研究。