鉀長(zhǎng)石預(yù)脫硅浸出液合成硅灰石的試驗(yàn)研究

張登高，蔣訓(xùn)雄，范艷青，汪勝東，馮林永，蔣 偉，劉 巍

（北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

硅灰石是一種重要的非金屬礦，分子式為CaSiO3，形貌多呈纖維狀、針狀，具有耐腐蝕、良好的介電性能、較高的白度、低吸水率和吸油率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于化工、造紙、陶瓷、塑料、冶金和涂料等行業(yè)[1]。

硅灰石產(chǎn)品可通過(guò)自然界硅灰石礦經(jīng)選礦得到，或通過(guò)化學(xué)方式人工合成得到[2-4]。人工合成硅灰石的主要方法有高溫煅燒法和水熱合成法[5-8]。相比較而言，水熱合成法具有硅灰石產(chǎn)品純度高、結(jié)晶度好、性能高穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

為降低鉀長(zhǎng)石預(yù)脫硅工序的堿耗，同時(shí)綜合回收預(yù)脫硅溶液中的硅元素，本工藝采用水熱合成法從鉀長(zhǎng)石預(yù)脫硅液中制備硅灰石產(chǎn)品。即采用制備副產(chǎn)品硅灰石的方法脫除預(yù)脫硅液中的硅，脫硅后液經(jīng)調(diào)整可返回預(yù)脫硅工序，實(shí)現(xiàn)預(yù)脫硅段殘余堿的循環(huán)利用。這樣規(guī)避了現(xiàn)有錳鈷氧化物濕法處理工藝存在的CO、SO2以及氨揮發(fā)等環(huán)境污染，可以實(shí)現(xiàn)一種工藝處理不同性質(zhì)的礦產(chǎn)資源。

1 試驗(yàn)原料

由鉀長(zhǎng)石預(yù)脫硅試驗(yàn)可知，在高鉀濃度下預(yù)脫硅時(shí)，鉀長(zhǎng)石中的鋁基本不被浸出，鉀則更多地被抑制在浸渣中，有利于后續(xù)工序回收鋁、鉀。因此，制備硅灰石的溶液采用高鉀濃度下的預(yù)脫硅浸出液，其成分為SiO251.83 g/L、K2O 70.55 g/L。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 時(shí)間條件試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：n（CaO）/n（SiO2）=0.75、 溫 度180℃，固體洗水洗至pH=7左右，烘干后在900℃焙燒2 h。合成時(shí)間與SiO2、K2O沉淀關(guān)系如圖1所示，合成時(shí)間與產(chǎn)品主要元素含量的關(guān)系如圖2所示。

圖1 合成時(shí)間與SiO2、K2O沉淀的關(guān)系

圖2 合成時(shí)間與合成產(chǎn)品主要元素含量的關(guān)系

由圖1和圖2可知，隨著合成產(chǎn)品時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液中的SiO2、K2O的沉淀率逐漸增加，但鉀的沉淀率較小；產(chǎn)品中Na2O含量隨著合成時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在合成時(shí)間延長(zhǎng)至15 h時(shí)，產(chǎn)品中的Na2O含量達(dá)9.52%，影響產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，造成了堿的損失。考慮硅灰石合成后液返回進(jìn)行預(yù)脫硅，需在預(yù)脫硅浸出液能合成合格硅灰石的情況下達(dá)到硅脫除率高、堿損失量低的預(yù)期目標(biāo)。因此，建議合成時(shí)間為10 h。

2.2 鈣硅比條件試驗(yàn)

固定試驗(yàn)條件：溫度180℃，時(shí)間10 h，固體洗水洗至pH=7左右，烘干后于900℃焙燒2 h。鈣硅比與SiO2、K2O沉淀關(guān)系如圖3所示，鈣硅比與產(chǎn)品主要元素含量的關(guān)系如圖4所示。對(duì)鈣硅比在0.7、0.75、0.8時(shí)制得的產(chǎn)品進(jìn)行了XRD檢測(cè)，結(jié)果如圖5～圖7所示。

由圖3和圖4可知，隨著鈣硅比的增加，產(chǎn)品中二氧化硅的含量呈下降趨勢(shì)，而氧化鈉呈逐漸上升趨勢(shì)。由圖5～圖7可知，鈣硅比為0.7時(shí)制備的產(chǎn)品物相是CaSiO3，鈣硅比為0.75時(shí)制備的產(chǎn)品物相是 Ca2SiO4、SiO2、Mg3Al2（SiO4）3，鈣硅比為 0.8時(shí)制備的產(chǎn)品物相是Ca2SiO4、SiO2、Na4(Ca,Al,Fe)3Si6O16(OH,F)2。因此，選擇鈣硅比0.7較為適宜。

圖3 鈣硅比與SiO2、K2O沉淀的關(guān)系

圖4 鈣硅比與合成產(chǎn)品主要元素含量的關(guān)系

圖5 硅灰石X射線(xiàn)衍射物相定性分析（鈣硅比0.7）

圖6 硅灰石X射線(xiàn)衍射物相定性分析（鈣硅比0.75）

圖7 硅灰石X射線(xiàn)衍射物相定性分析（鈣硅比0.8）

2.3 溫度條件試驗(yàn)

固定試驗(yàn)條件：n（CaO）/n（SiO2）=0.7，反應(yīng)時(shí)間10 h，固液分離后，洗滌產(chǎn)品到pH=7左右，烘干后在900℃焙燒2 h，得到產(chǎn)品。合成溫度與SiO2、K2O沉淀關(guān)系如圖8所示，合成溫度與產(chǎn)品主要元素含量的關(guān)系如圖9所示。

由圖8和圖9可知，在鈣硅比為0.7，合成時(shí)間10 h時(shí)，隨著合成溫度的升高，硅灰石產(chǎn)品中氧化鈣的含量逐漸降低，二氧化硅含量先呈現(xiàn)增加，在180℃出現(xiàn)最高峰，然后含量降低，氧化鈉的含量則隨著溫度的升高呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

常溫條件下無(wú)法制備出硅灰石產(chǎn)品，鈣硅比為0.7時(shí)，150℃制備的硅灰石符合二級(jí)品化學(xué)成分要求，在180℃試驗(yàn)條件制備的硅灰石符合一級(jí)品化學(xué)成分要求。因此，選擇合成溫度180℃較為適宜。

2.4 產(chǎn)品性能分析

鈣硅比為0.7時(shí)制備的硅灰石化學(xué)檢測(cè)結(jié)果如表1所示，經(jīng)XRD分析（見(jiàn)圖5），物相是CaSiO3，形貌呈片狀的聚合體（見(jiàn)圖10），粒度主要分布為10～100 μm，體積平均粒徑為46.34 μm。

圖8 合成溫度與SiO2、K2O沉淀的關(guān)系

圖9 合成溫度與硅灰石產(chǎn)品主要元素含量的關(guān)系

表1 制備硅灰石的分析測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

圖10 產(chǎn)品硅灰石的SEM圖

通過(guò)鉀長(zhǎng)石預(yù)脫硅浸出液制備硅灰石，可以實(shí)現(xiàn)鉀長(zhǎng)石中硅的綜合利用。本研究確定了脫硅溶液制備硅灰石的工藝參數(shù)，即合成溫度180℃，合成時(shí)間10 h，n（CaO）/n（SiO2）=0.7，固液分離后，產(chǎn)品用洗水洗滌至pH=7左右，烘干后在900℃焙燒2 h，這樣可以得到符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)品要求的硅灰石產(chǎn)品。