基于響應(yīng)曲面法高效浸出煤矸石中鈦的工藝優(yōu)化

劉成龍，周莉莉，夏舉佩，李浩林，辜芳

(1.寧夏師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 固原 756000;2.昆明理工大學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢棄物[1]。由于我國“富煤、貧油、少氣”的特殊能源結(jié)構(gòu)決定了能源消耗以煤炭為主[2]，導(dǎo)致煤矸石成為國內(nèi)排出量和儲(chǔ)存量最大的工業(yè)固體廢棄物之一[3]，煤矸石大量堆存，占用土地的同時(shí)對(duì)環(huán)境造成污染[4]。如何將煤矸石無害化和減量化處理，進(jìn)行高效資源化綜合利用成為煤系固體廢棄物資源化利用領(lǐng)域的共同話題。

目前，煤矸石的主要用途集中在發(fā)電、礦井回填、土地復(fù)墾、生產(chǎn)建材、生產(chǎn)礦產(chǎn)品和生產(chǎn)化工產(chǎn)品等[5-8]，其中附加值較高的利用途徑是將煤矸石中主要有價(jià)礦物如高嶺石、菱鐵礦、赤鐵礦和銳鈦礦等提取后制備相應(yīng)化工產(chǎn)品，而要將煤矸石中的有價(jià)礦物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)化工產(chǎn)品就必須把有價(jià)礦物充分從煤矸石中提取出來。利用煤矸石提取有價(jià)礦物研究主要集中于堿熔法和酸浸法，這些方法存在能耗高、成本高、污染大和效率低等的問題[9]。因此，探索一種綠色和高效提取煤矸石中有價(jià)礦物工藝，實(shí)現(xiàn)煤矸石資源有效轉(zhuǎn)化與應(yīng)用具有十分重要的意義[10]。

固相浸出法是固相物料與質(zhì)量濃度> 80%硫酸混合反應(yīng)后浸出提取物料中有價(jià)組分的方法，具有反應(yīng)劇烈和硫酸耗用量少等優(yōu)點(diǎn)[11]；微波是一種高頻電磁波[12]，研究表明，微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)機(jī)制和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率等方面有積極的改善作用[13-15]，整體上具有清潔環(huán)保和節(jié)能增效等特點(diǎn)[16-19]，昆明理工大學(xué)提出微波強(qiáng)化濕法冶金技術(shù)，在微波場下處理礦物使其中的有價(jià)金屬生成易溶于水的硫酸鹽，水溶后得到高濃度浸出液，然后進(jìn)一步分離制備目標(biāo)產(chǎn)品[20]，這為本研究提供了思路。

根據(jù)煤矸石中所含有價(jià)礦物成分和化學(xué)組成等特點(diǎn)，基于微波強(qiáng)化，利用固相浸出，浸出煤矸石中的有價(jià)鈦，用響應(yīng)曲面法優(yōu)化浸出工藝條件，對(duì)響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)模型顯著性與準(zhǔn)確度進(jìn)行分析，預(yù)測微波輔助浸出煤矸石中鈦的較佳浸出效率，進(jìn)而為煤矸石高效提鈦提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原料與試劑

原料：煤矸石主要化學(xué)組成見表1，煤矸石XRD物相分析和SEM微觀形貌分別見圖1、2，煤矸石微區(qū)存在缺陷為固相浸出提供了良好的條件。

表1 煤矸石的主要化學(xué)成分分析/%Table 1 Main chemical composition of coal gangue

圖1 煤矸石XRD Fig .1 XRD pattern of coal gangue

圖2 煤矸石SEMFig .2 SEM micrograph of coal gangue

試劑：工業(yè)濃硫酸(93%)、鹽酸(分析純)和二 安替吡啉甲烷(分析純)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)采用以下設(shè)備：MCR-3微波反應(yīng)器、DF-101S恒溫磁力攪拌器、UV-5500PC紫外分光光度計(jì)、SRJX-8-13箱式電阻爐、BRUKER X射線衍射儀和Zeiss Sigma掃描電鏡等。

按一定液固質(zhì)量比將準(zhǔn)備好的煤矸石與濃硫酸混合均勻后置于反應(yīng)設(shè)備中，反應(yīng)一定時(shí)間后拿出，經(jīng)溶解，液固分離，濾餅洗滌和干燥，對(duì)濾餅進(jìn)行物相和化學(xué)成分等測試分析，計(jì)算浸出效率[21]。

1.3 樣品表征

原料與酸浸渣的化學(xué)成分采用GB/T 1574-2007《煤灰成分分析方法》進(jìn)行分析；物相組成分析采用BRUKER D8 Advance X射線衍射儀進(jìn)行，測試條件為：Cu靶Kα輻射，波長0.1541 nm，掃描速度8°/min，步長0.03°，工作電流50 mA，電壓40 kV，掃描范圍5～80°，采用Zeiss Sigma 500掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)微觀形貌分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 微波功率影響

原料60 g，與濃硫酸按液固比1:4混合均勻后置于微波設(shè)備中處理1.25 h，探究不同微波功率對(duì)鈦浸出的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 微波功率對(duì)鈦浸出率的影響Fig .3 Effect of different microwave power on leaching rate of titanium

圖3表明，微波功率較低時(shí)浸出效果較差，由于較低的微波功率無法產(chǎn)生充分的分子震蕩，致熱效應(yīng)不足，無法增加反應(yīng)熵，致使浸出效果較差[22]。隨著微波功率增加，鈦的浸出率隨之增加，微波功率達(dá)到800 W左右時(shí)，鈦的浸出率達(dá)到最高，其后，隨著微波功率增大，浸出率開始下降，因此，微波功率以800 W為宜。

2.1.2 液固比影響

在微波功率800 W和反應(yīng)時(shí)間1.25 h條件下，考察不同液固比對(duì)鈦浸出率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 液固比對(duì)鈦浸出率的影響Fig. 4 Effect of different liquid-solid ratio on leaching rate of titanium

由圖4可知，當(dāng)液固比增大時(shí)，鈦的浸出率隨之增加。煤矸石中鈦的浸出反應(yīng)屬于液固多相反應(yīng)，在低液固比條件下反應(yīng)不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致浸出效率較低。當(dāng)液固比達(dá)到1:5時(shí)，浸出率最高，再增加液固比時(shí)，浸出效果幾乎不發(fā)生變化。因此，液固比以1:5為宜。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間影響

液固比1:5、微波功率800 W條件下考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)鈦浸出率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)浸出率的影響Fig .5 Effect of different microwave-assisted reaction time on leaching rate of titanium

由圖5可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，鈦浸出率持續(xù)增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到1.5 h時(shí)，鈦的浸出率達(dá)到較好，其后隨著反應(yīng)時(shí)間增加，鈦的浸出率開始下降，這可能是由于液固反應(yīng)體系長時(shí)間在反應(yīng)條件下作用使得反應(yīng)物料發(fā)生變化，從而導(dǎo)致在后續(xù)溶解過程中鈦無法充分從固相反應(yīng)產(chǎn)物中溶解出來，進(jìn)而造成浸出率下降。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)曲面方案設(shè)計(jì)與結(jié)果

為進(jìn)一步優(yōu)化得到微波輔助條件下的較佳鈦浸出工藝，基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用Design-Expert 8.0中的central composite design進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)[23-24]，以微波功率(xl)、液固比(x2)和反應(yīng)時(shí)間(x3)為自變量，采用3因素3水平進(jìn)行，因素水平見表2，響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平Table 2 RSM test factors and levels

表3 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 RSM test results

2.2.2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸模型方差分析見表4。

表4 模型方差分析Table 4 Variance analysis of the RSM model

采用 Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行擬合，得到微波輔助浸出煤矸石中鈦浸出率(Y)的三元二次多項(xiàng)回歸模型方程，見式(3)。

在響應(yīng)曲面法優(yōu)化設(shè)計(jì)中方差分析是判斷多個(gè)總體均值間差別的假設(shè)檢驗(yàn)，用于研究實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性。通常，用F值與P值對(duì)顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，若F值越大、P值越小，則表明顯著性越強(qiáng)；若P>0.05，表明不顯著，若0.01

由表4可知，模型F為14.84，P<0.0001，說明模型非常顯著，因此該模型可代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析預(yù)測，同時(shí)模型R2=0.9296，即模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好，準(zhǔn)確度高[23]，因此，可用此模型分析預(yù)測微波輔助浸出煤矸石中鈦的較佳浸出工藝。

圖6（a）是鈦浸出率預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值的關(guān)系由圖6可知，鈦浸出率實(shí)際值平均分布在預(yù)測值直線周圍，表明預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值接近，模型適合用來描述實(shí)驗(yàn)因素與鈦浸出率的相關(guān)性，進(jìn)一步證明模型的有效性。

圖6（b）是鈦浸出率的殘差正態(tài)概率圖。在圖中，縱坐標(biāo)代表殘差正態(tài)分布情況，橫坐標(biāo)代表實(shí)際的響應(yīng)值與模型的預(yù)測值之間的差值，在概率圖中殘差沿直線分布，說明實(shí)驗(yàn)殘差分布在常態(tài)范圍內(nèi)；同時(shí)，殘差集中分布于中間，表明模型良好的精確性。

圖6 鈦浸出率實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值關(guān)系(a)和鈦浸出率殘差正態(tài)概率(b)Fig .6 Linear correlation between actual value and predicted value of titanium leaching rate(a) and Normal probability plot of studentized of titanium leaching rate(b)

根據(jù)響應(yīng)曲面分析模型，得到微波功率、反應(yīng)時(shí)間與液固比及其相互作用對(duì)鈦浸出率的響應(yīng)曲面三維曲線，分別見圖7～9。

圖7 微波功率和液固比及其交互作用對(duì)鈦浸出率的響應(yīng)曲面三維曲線及等高線Fig .7 Three-dimensional response surface diagrams and contour map for microwave power vs liquid-solid ratio and its interaction

由圖7可知，在液固比為1.50～1.60，微波功率為810～846 W區(qū)域，鈦浸出率在84%以上。從圖8可知，在反應(yīng)時(shí)間為1.40～1.50 h，微波功率為810～840 W區(qū)域，鈦浸出率在84%以上。從圖9可知，在反應(yīng)時(shí)間為1.26～1.56 h，固液比為1.46～1.60區(qū)域，鈦浸出率在83%以上。由此可知，較佳工藝條件為反應(yīng)時(shí)間為1.40～1.50 h，固液比為1.46～1.50和微波功率為810～840 W，較佳鈦浸出率在83%～84%。

圖8 微波功率和反應(yīng)時(shí)間及其交互作用對(duì)鈦浸出率的響應(yīng)曲面三維曲線及等高線Fig .8 Three-dimensional response surface diagrams and contour map for microwave power vs microwave-assisted time and its interaction

圖9 液固比和反應(yīng)時(shí)間及其交互作用對(duì)鈦浸出率的響應(yīng)曲面三維曲線及等高線Fig .9 Three-dimensional response surface diagrams and contour map for liquid-solid ratio vs microwave-assisted time and its interaction

2.2.3 較優(yōu)條件驗(yàn)證

經(jīng)Design-Expert 8.0軟件分析對(duì)方程中的響應(yīng)值（Y）進(jìn)行求解，得到最大的響應(yīng)值為84.5222，即預(yù)測最高鈦浸出率為84.5222%，對(duì)應(yīng)理論較佳工藝條件為：微波功率826.86 W、液固比1.56、反應(yīng)時(shí)間1.43 h。根據(jù)實(shí)際操作，對(duì)工藝條件進(jìn)行簡化處理，即微波功率設(shè)定830W、液固比1.56、反應(yīng)時(shí)間1.43 h條件下進(jìn)行3組平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，煤矸石中鈦浸出率的平均值為83.91%，與預(yù)測值的相對(duì)誤差為 0.73%，即實(shí)測值與軟件分析預(yù)測理論值比較接近，驗(yàn)證了該模型的有效性，具有一定的實(shí)用價(jià)值和意義。

2.3 固相反應(yīng)產(chǎn)物與浸渣表征與分析

在微波輔助條件下，煤矸石與濃硫酸固相反應(yīng)產(chǎn)物以及酸浸渣物相和微觀形貌表征分別見圖10、11。

圖10 煤矸石固相酸浸產(chǎn)物與酸浸渣XRD衍射譜Fig .10 XRD pattern of acid leaching products of coal gangue and acid leaching residues

圖11 煤矸石固相酸浸產(chǎn)物與酸浸渣微觀形貌Fig .11 SEM micrograph of acid leaching products of coal gangue and acid leaching residues

由圖可知，含鈦礦物酸浸產(chǎn)物主要為Ti2H2(SO4)4·H2O與 H2Ti3O7，這為后續(xù)的固相反應(yīng)產(chǎn)物溶出奠定基礎(chǔ)，也是鈦浸出率較高的原因，固相反應(yīng)產(chǎn)物微觀形貌也表明，在微波輔助條件下煤矸石與濃硫酸之間進(jìn)行了充分反應(yīng)[21]，酸浸渣的微觀形貌也證明了浸出效果較好。酸浸渣化學(xué)成分分析結(jié)果見表5。

表5 酸浸渣主要化學(xué)成分分析/%Table 5 Main chemical composition of acid leaching residues

結(jié)果表明，在微波輔助條件下，煤矸石與濃硫酸固相反應(yīng)后，其中的有價(jià)組分鈦得到了充分的浸出。

3 結(jié)論

(1) 微波輔助條件下鈦浸出的較佳條件：微波功率830 W，液固質(zhì)量比1.56:1，固相反應(yīng)時(shí)間1.43 h，在該條件下鈦的浸出率達(dá)到 83.91%。

(2) 響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析表明，模型的顯著性好，準(zhǔn)確度高，可用模型分析預(yù)測微波輔助浸出煤矸石中鈦的較佳浸出工藝。

(3) 平行實(shí)驗(yàn)表明，鈦浸出率的實(shí)際值與預(yù)測值的相對(duì)誤差較小，實(shí)測值與軟件分析預(yù)測理論值接近，驗(yàn)證了模型的有效性，具有一定的實(shí)用價(jià)值和意義。