鈦鐵礦制備高純鈦白粉浸出工藝優(yōu)化

＊彭霞 朱山 蔣朝陽(yáng) 彭文烽 楊娜 朱榮海

（六盤(pán)水師范學(xué)院 貴州 553000）

鈦是一種稀有金屬，具有重量輕、強(qiáng)度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力[1]。而鈦的氧化物（TiO2，鈦白粉）廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、油墨、造紙、化妝品、化纖、電子、陶瓷、搪瓷、焊條、合金、玻璃以及許多化學(xué)反應(yīng)催化劑等領(lǐng)域，且其作為原料的需求在逐年增加[2]。目前鈦鐵礦各類(lèi)冶煉工藝均無(wú)法實(shí)現(xiàn)鈦鐵礦中鐵、鈦的同時(shí)回收利用，其冶煉過(guò)程中均產(chǎn)生大量的高鈦冶煉渣，這部分冶煉渣爐渣現(xiàn)已堆積如山，這不僅造成了巨大的資源浪費(fèi)，也造成含鈦高爐渣大量堆存威脅環(huán)境[3-6]。因此，綜合開(kāi)發(fā)利用鈦鐵礦中的鈦資源對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)具有重要意義。目前，鈦鐵礦資源開(kāi)發(fā)利用工藝主要分為高爐法和非高爐法[7-9]。高爐-轉(zhuǎn)爐法因具有技術(shù)完善、生產(chǎn)量大、能量利用率高、設(shè)備壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，獲得了工業(yè)應(yīng)用，但其也存在大量缺點(diǎn)，如工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、能耗高、投資大，依賴(lài)焦煤資源，環(huán)境污染嚴(yán)重。從環(huán)境、能源及有價(jià)元素綜合回收角度，預(yù)還原-電爐法，還原-磨選法，鈉化提釩-還原-電爐法等非高爐法代表了鈦鐵精礦加工利用的方向，因而也成為了鈦鐵精礦加工利用的研究熱點(diǎn)[10]。對(duì)于電爐深還原流程，當(dāng)爐渣中TiO2含量大于30%后，爐渣將變得粘滯，冶煉過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。還原-磨選法避開(kāi)了電爐冶煉技術(shù)的難題，但須解決釩鈦磁鐵精礦的還原及鐵晶粒長(zhǎng)大等技術(shù)難題。哪一種方法能夠成為鈦鐵礦精礦加工利用的主導(dǎo)流程還有待于進(jìn)一步系統(tǒng)深入的比較研究。

綜上所述，無(wú)論是高爐法還是非高爐法，都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)鈦鐵礦中鐵、鈦的同時(shí)回收利用，其冶煉過(guò)程中均產(chǎn)生大量的高鈦冶煉渣。因此，開(kāi)發(fā)利用鈦鐵礦冶煉中鈦資源，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)具有重要意義。

1.試驗(yàn)部分

(1)實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

對(duì)企業(yè)提供的鈦鐵礦原料進(jìn)行篩選、磨礦到一定粒度（300目），同時(shí)采用0.5mol/L稀硫酸在室溫下攪拌浸出60min，以除去其中可溶于稀硫酸的成分，減輕后續(xù)浸出液中雜質(zhì)的分離凈化。所得實(shí)驗(yàn)樣品分別采用XRD進(jìn)行成分表征，其結(jié)果如圖1所示。根據(jù)XRD分析表明，鈦鐵礦中主要含鈦物質(zhì)為鈦磁鐵礦（FeTiO3、Fe3O4）、鈦鐵礦（FeTiO3)和鈣鈦礦（CaTiO3）。

圖1 礦物原料XRD衍射圖

(2)分析和表征方法

本文中所有的樣品成分分析均采用X射線熒光光譜分析儀（Super mini200日本理學(xué)株式會(huì)社XRF）進(jìn)行表征，樣品物相分析采用X射線衍射儀（SHIMADZU Lab XRD-6100）進(jìn)行表征，產(chǎn)物鈦白粉采用Flash EA 1112（意大利Thermo Quest有限公司）進(jìn)行元素分析。本文中樣品的浸出率通過(guò)對(duì)比鈦鐵礦中鈦的含量和浸出渣中鈦的含量利用差減法得出。

(3)試驗(yàn)原理和方法

為了提高鈦鐵礦中鈦的回收率，本文采用如下工藝從鈦鐵礦中回收鈦白粉（其工藝流程如圖2所示）。硫酸溶出鈦鐵礦提取鈦白粉的主要反應(yīng)如式（1）、式（2）、式（3）和式（4）進(jìn)行；硫酸溶出鈦鐵礦水解產(chǎn)物主要的化學(xué)反應(yīng)如式（5）、式（6）進(jìn)行。

圖2 鈦鐵礦制備鈦白粉的工藝流程

(4)實(shí)驗(yàn)步驟

①鈦鐵礦的浸出。稱(chēng)取3g鈦鐵礦（300目）置于250ml燒杯中，然后加入適量的不同濃度濃硫酸，最后將燒杯置于濃硫酸恒溫磁力攪拌油浴鍋中，在不同攪拌強(qiáng)度、不同浸出溫度和浸出固液比的條件下進(jìn)行浸出，待反應(yīng)完成之后冷卻至室溫，隨后采用布氏漏斗抽濾，濾渣采用適量去離子水洗滌三次。

②結(jié)晶除去雜質(zhì)鐵。向浸出濾液中加入過(guò)量鐵粉并不斷攪拌，濾液迅速冷卻至室溫，然后采用布氏漏斗抽濾，收集濾液備用，并重濾渣中回收FeSO4·7H2O。

③鈦鹽水解收集偏鈦酸。將上述濾液在不同攪拌的條件下逐滴加入適量沸水中，隨后繼續(xù)煮沸20min，然后冷卻靜置沉降，隨即倒出上層水并將下層沉降物采用布氏漏斗抽濾，濾渣采用2mol/L的稀硫酸反復(fù)洗滌，直至濾液中無(wú)Fe2+為止，收集濾渣即為偏鈦酸。

④偏鈦酸的煅燒。將偏鈦酸放在瓷坩堝中，于管式爐內(nèi)煅燒（1000℃）至不再冒白煙為止，隨后冷卻至室溫，即可得到白色鈦白粉粉末，并稱(chēng)重計(jì)算產(chǎn)率。

2.試驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)硫酸濃度對(duì)鈦鐵礦中鈦的浸出率的影響

為了考察浸出劑硫酸濃度對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響，維持固液比為1:10（g/v），鈦鐵礦取用3g，浸出時(shí)間為60min，浸出攪拌強(qiáng)度為300r/min，浸出溫度為160℃，分別改變浸出劑中硫酸濃度為10mol/L、12mol/L、14mol/L、16mol/L、18.4mol/L。其結(jié)果如圖3所示。

圖3 浸出劑硫酸濃度對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響

由圖3可知，鈦鐵礦中鈦的浸出率隨著浸出劑硫酸濃度的提高，其精處理逐漸增大，雖然其浸出率增大趨勢(shì)有所減緩，但考慮到鈦鐵礦中CaTiO3、FeTiO3的溶出過(guò)程比較困難，我們最后選擇浸出劑硫酸濃度為18.4mol/L，即分析純的濃硫酸。

(2)攪拌強(qiáng)度對(duì)鈦鐵礦中鈦的浸出率的影響

為了考察浸出攪拌強(qiáng)度對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響，維持固液比為1:10（g/v），鈦鐵礦取用3g，浸出時(shí)間為60min，浸出劑硫酸濃度為18.4mol/L，浸出溫度為160℃，分別改變浸出攪拌強(qiáng)度為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min。其結(jié)果如圖4所示。

圖4 攪拌強(qiáng)度對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響

由圖4可知，隨著浸出攪拌強(qiáng)度的增大，鈦鐵礦中鈦浸出率整體呈增大趨勢(shì)，但當(dāng)攪拌強(qiáng)度達(dá)到400r/min之后，攪拌強(qiáng)度再增大鈦的浸出率增大趨勢(shì)減緩。這可能是由于攪拌強(qiáng)度較小時(shí)，浸出過(guò)程處于擴(kuò)散控制階段，隨著攪拌強(qiáng)度的增大，浸出過(guò)程逐漸由擴(kuò)散控制變?yōu)榛瘜W(xué)反應(yīng)控制階段，所以當(dāng)攪拌強(qiáng)度超過(guò)400r/min時(shí)，再增大攪拌強(qiáng)度，其浸出速率增大很小，從而導(dǎo)致其浸出率增大較小。因此，綜合考慮能耗、浸出率等因素我們選擇最佳的攪拌強(qiáng)度為400r/min。

(3)浸出溫度對(duì)鈦鐵礦中鈦的浸出率的影響

為了考察浸出溫度對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響，維持固液比為1:10（g/v），鈦鐵礦取用3g，浸出時(shí)間為60min，浸出劑硫酸濃度為18.4mol/L，浸出攪拌強(qiáng)度為400r/min，分別改變浸出溫度為120℃、140℃、160℃、180℃、200℃。其結(jié)果如圖5所示。

圖5 浸出溫度對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響

由圖5可知，鈦鐵礦中鈦的浸出率整體上隨著浸出溫度的升高逐漸增大，但當(dāng)溫度達(dá)到160℃之后，再升高浸出溫度對(duì)鈦鐵礦中鈦的浸出率影響不大。因此，我們選擇該浸出反應(yīng)中最佳的浸出溫度為160℃。

(4)固液比對(duì)鈦鐵礦中鈦的浸出率的影響

為了考察浸出固液比對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響，維持浸出溫度為160℃，鈦鐵礦取用3g，浸出時(shí)間為60min，浸出劑硫酸濃度為18.4mol/L，浸出攪拌強(qiáng)度為400r/min，分別改變浸出固液比為1:5、1:10、1:15、1:20、1:25。其結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著浸出固液比的增大，鈦鐵礦中鈦的浸出率逐漸增大，當(dāng)固液比達(dá)到1:10之后，鈦鐵礦中鈦浸出率隨著固液比增大趨勢(shì)逐漸減小。這可能是由于隨著固液比的增大，礦漿逐漸稀釋?zhuān)瑢?dǎo)致浸出劑分子與礦物顆粒之間的接觸幾率減小所致。因此，綜合考慮鋁的浸出率、浸出液后續(xù)廢水處理負(fù)擔(dān)我們選擇該浸出過(guò)程最佳的浸出固液比為1:10。

圖6 浸出固液比對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響

(5)浸出時(shí)間對(duì)鈦鐵礦中鈦的浸出率的影響

為了考察浸出時(shí)間對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響，維持浸出溫度為160℃，鈦鐵礦取用3g，浸出劑硫酸濃度為18.4mol/L，浸出攪拌強(qiáng)度為400r/min，分別改變浸出時(shí)間為30min、60min、90min、120min、150min。其結(jié)果如圖7所示。

圖7 浸出固液比對(duì)鈦鐵礦中鈦浸出率的影響

如圖7所示，鈦鐵礦中鈦的浸出率隨著浸出時(shí)間的增大逐漸增大，當(dāng)浸出時(shí)間達(dá)到90min時(shí)，其浸出率隨浸出時(shí)間的增大趨勢(shì)減小。因此，我們綜合考慮效率、能耗等方面的因素，選擇最佳的浸出時(shí)間為90min。最后我們?cè)谧罴呀龉に嚄l件下，即浸出劑濃度為18.4mol/L的硫酸、浸出溫度為160℃、浸出時(shí)間為90min、浸出攪拌強(qiáng)度為400r/min、固液比為1:10。在最佳的浸出工藝條件下，重復(fù)三次浸出試驗(yàn)鈦鐵礦中鈦的最佳浸出率可達(dá)到93.82%，隨后水解結(jié)晶除去FeSO4·7H2O、鈦酸鹽水解、煅燒之后稱(chēng)重計(jì)算出鈦白粉的產(chǎn)率為88.72%。

(6)產(chǎn)物鈦白粉表征

我們通過(guò)元素分析和XRD分析產(chǎn)品。元素分析理論值(%)TiO2：Ti，60.00；實(shí)驗(yàn)值：Ti，59.76。XRD分析檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。根據(jù)產(chǎn)物XRD衍射圖譜和TiO2XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比，并結(jié)合元素分析結(jié)果，我們所獲得的產(chǎn)品純鈦白粉（TiO2）。

圖8 產(chǎn)品XRD衍射圖

3.結(jié)論

本項(xiàng)目以鈦鐵礦為原料，采用“硫酸浸出-水解結(jié)晶除雜-鈦鹽水解-煅燒”工藝從鈦鐵礦中回收鈦白粉。綜合考察了浸出過(guò)程中浸出溫度、攪拌強(qiáng)度、浸出時(shí)間、固液比、硫酸濃度等因素對(duì)其浸出率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝從鈦鐵礦中回收鈦白粉，浸出過(guò)程中最佳浸出參數(shù)為浸出劑濃度為18.4mol/L的硫酸、浸出溫度為160℃、浸出時(shí)間為90min、浸出攪拌強(qiáng)度為400r/min、固液比為1:10，重復(fù)試驗(yàn)鈦鐵礦中的鈦?zhàn)罴呀雎士蛇_(dá)到93.82%。元素分析和X射線衍射分析表明產(chǎn)品純鈦白粉（TiO2）。