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    高鎂爐渣酸解液硅酸自聚-離心脫硅工藝研究

    2022-11-17 10:13:50湯建偉劉鵬飛化全縣王保明
    無機(jī)鹽工業(yè) 2022年11期
    關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

    姚 衡,湯建偉,劉 詠,3,劉鵬飛,化全縣,王保明

    (1.鄭州大學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州 450001;2.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院;3.國(guó)家鈣鎂磷復(fù)合肥技術(shù)研究推廣中心)

    高爐渣是鐵礦石、焦炭、冶煉熔劑等在高爐冶煉過程中形成的,其主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3和MgO[1]。在高爐煉鐵中,每生產(chǎn)1萬t生鐵會(huì)產(chǎn)生0.2萬~0.5萬t的高爐渣[2]。高爐渣的大量堆存,造成了環(huán)境污染和土地資源浪費(fèi),如何實(shí)現(xiàn)高爐渣的資源化利用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3]。通過濕法提取高爐渣中有價(jià)元素是一種能提高爐渣附加值的有效方式[4-5]。連水瑕[6]、杜陽(yáng)[7]分別采用了酸法和堿熔水浸法從爐渣中浸取有價(jià)元素,通過實(shí)驗(yàn)得到了較高純度的SiO2和Al2O3,提高了產(chǎn)品附加值。

    濕法提取有價(jià)元素具有能耗低、反應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn),但是采用濕法的過程中,存在著酸解液中二氧化硅的去除問題[7-8]。二氧化硅的存在會(huì)對(duì)后續(xù)的過濾操作帶來濾孔堵塞、過濾速度慢、過濾時(shí)間長(zhǎng)等問題[9]。因此,需要對(duì)酸解液中的二氧化硅進(jìn)行脫除?;瘜W(xué)沉淀法是從溶液中脫硅的主要方法,其操作簡(jiǎn)單、成本低廉,得到了廣泛的應(yīng)用。張向超[10]采用沉淀脫硅法,向鉻酸鈉溶液中加入鋁酸鈉時(shí),溶液中的硅酸會(huì)與Na+和Al3+結(jié)合生成Na6(AlSiO4)6沉淀,將硅的質(zhì)量濃度從107 mg/L降至0.8 mg/L。袁杰等[11]研究了CaO沉淀脫硅法,加入的CaO先與鋁酸鈉反應(yīng)生成水合鋁酸鈣(C3AH6),隨后硅酸分子會(huì)與C3AH6反應(yīng)生成難溶物水合石榴石析出,在最佳的條件下達(dá)到了98.5%的脫硅率。吳江等[12]研究了絮凝法對(duì)氧氯化鋯酸解液中硅的脫除效果,實(shí)驗(yàn)時(shí)加入陽(yáng)離子型高分子絮凝劑聚丙烯酰胺,在靜電平衡、氫鍵、范德華力等作用下絮凝劑會(huì)吸附帶負(fù)電的硅酸形成大分子的絮凝物,經(jīng)過濾后,實(shí)現(xiàn)酸解液脫硅的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法將溶液中的硅酸含量降至(3.5~5.0)×10-5(質(zhì)量分?jǐn)?shù))?;瘜W(xué)沉淀法是通過向溶液中加入沉淀劑與硅形成難溶沉淀物的方式實(shí)現(xiàn)脫硅,適合溶液中低濃度硅的脫除。當(dāng)硅濃度升高時(shí),加入沉淀劑的量不斷增加,存在引入雜質(zhì)離子的問題。采用絮凝沉淀法時(shí)先篩選出合適的絮凝劑,在加入酸調(diào)節(jié)氫離子濃度的基礎(chǔ)上,再加入絮凝劑形成絮凝物沉淀,該方法加入的高分子絮凝劑在低濃度硅酸溶液中有顯著效果,但高濃度的硅酸會(huì)被絮凝劑吸附形成凝膠,導(dǎo)致脫硅效果大幅降低。本工作提出的硅酸自聚-離心脫硅法,是在絮凝脫硅法的基礎(chǔ)上,省去了絮凝劑的加入,通過調(diào)節(jié)溶液氫離子濃度,使其達(dá)到形成凝膠的狀態(tài),再通過離心作用使自聚形成的硅酸凝膠和溶液因所受離心力差異實(shí)現(xiàn)脫硅目的,適合溶液中高濃度硅的分離,而且克服了化學(xué)沉淀法和絮凝法引入雜質(zhì)的問題。但是該方法形成的凝膠中會(huì)包裹部分金屬離子,造成金屬離子損失的問題,可通過水洗操作回收凝膠中的有價(jià)元素。本工作研究了在自聚與離心過程中不同條件對(duì)脫硅率和離心脫硅液含量的影響,考察了實(shí)驗(yàn)達(dá)到最佳脫硅效果的反應(yīng)條件。硅酸自聚-離心脫硅法在實(shí)現(xiàn)較高脫硅率的同時(shí),能夠有效避免絮凝脫硅法引入雜質(zhì)的問題,為酸法利用高爐渣的脫硅問題提供了思路。

    1 實(shí)驗(yàn)部分

    1.1 實(shí)驗(yàn)原理

    硅酸自聚的原理如式1所示,在酸性條件下,硅酸會(huì)結(jié)合H+和H2O發(fā)生自聚反應(yīng),生成二聚體或多聚體,繼而變成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在溶液氫離子濃度較低時(shí),溶液中的硅酸難以發(fā)生自聚反應(yīng)。通過加入一定量的酸,調(diào)節(jié)溶液氫離子濃度,使硅酸發(fā)生自聚反應(yīng)形成硅膠。在高速剪切作用下,自聚形成的硅膠能夠分散為小分子的自聚體,然后通過離心,利用酸解液和硅酸自聚體所受離心力的差異實(shí)現(xiàn)二者分離從而達(dá)到脫硅的目的。

    1.2 實(shí)驗(yàn)原料

    實(shí)驗(yàn)所用的原料為內(nèi)蒙古某鋼鐵企業(yè)提供的高爐渣經(jīng)硫酸酸解、過濾所得的酸解液。爐渣的主要化學(xué)組成為w(SiO2)=53.19%、w(MgO)=29.01%、w(FeO)=7.6%,爐 渣 的 主 要 物 相 為Mg2SiO4和Mg1.76Fe0.24SiO4。經(jīng)硫酸酸解后,溶液的c(H+)為2.41 mol/L。經(jīng)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICPOES)測(cè)定溶液中各組分的含量,如表1所示。98%濃硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、氯化鉀(KCl)、氟化鉀(KF)、氫氧化鈉(NaOH)、過氧化氫(H2O2)均為分析純;無水乙醇;95%乙醇;去離子水(自制)。

    表1 酸解液中元素含量Table 1 Elemental content of acid digestion solution mg/L

    1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與分析儀器

    HH-6型超級(jí)恒溫水浴,08-2G恒溫磁力攪拌器,AXTD5A大容量低速離心機(jī),Optima5300DV型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-OES),X射線衍射儀(XRD),電子掃描顯微鏡能譜儀(SEMDES),Nicolet IS5型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)。

    1.4 實(shí)驗(yàn)過程

    首先取一定量的酸解液加入到250 mL的燒杯中,然后加入硫酸調(diào)節(jié)氫離子濃度,隨后將燒杯放置在恒溫水浴鍋中保溫一段時(shí)間,保溫期間用保鮮膜密封。待酸解液形成凝膠狀時(shí)結(jié)束保溫過程,并用磁力攪拌器攪拌分散均勻,然后,取一定質(zhì)量的酸解液加入到50 mL離心管中,進(jìn)行離心。離心結(jié)束后,離心管上層液體為脫硅液,底部沉淀為硅渣,用天平稱量脫硅液質(zhì)量,并測(cè)定脫硅液中硅的含量,計(jì)算脫硅率和脫硅液含量。

    1.5 分析方法

    溶液中的硅采用氟硅酸鉀仲裁法測(cè)定,測(cè)定原理為:在酸性條件下,SiO2與F-會(huì)生成氟硅酸。當(dāng)加入大量鉀離子時(shí),會(huì)生成氟硅酸鉀沉淀。氟硅酸鉀在熱水中不穩(wěn)定,會(huì)分解出氟化氫,通過氫氧化鈉滴定分解的氟化氫的量,即可計(jì)算出二氧化硅的量。反應(yīng)方程式如下所示:

    測(cè)定步驟如下:首先用移液槍量取體積為VL(含有30~50 mg SiO2)的脫硅液于250 mL聚四氟乙烯燒杯中,加入30 mL蒸餾水稀釋,隨后加入1 mL過氧化氫、5 mL硝酸和2 g KCl,使用聚乙烯塑料棒攪拌至KCl完全溶解,然后放置冰水中,再加入58 g/L的氟化鉀溶液8 mL,靜止10 min。然后,在聚乙烯漏斗上過濾,過濾結(jié)束后,使用氯化鉀、乙醇溶液分別洗滌濾紙和燒杯壁3次,每次約為5 mL。待過濾完全后,將濾紙轉(zhuǎn)移到原燒杯中,加入10 mL 95%的乙醇溶液和1 mL溴百里香芬藍(lán)-苯酚紅指示劑,一邊用聚乙烯棒搗碎濾紙,一邊用0.1 mol/mL的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至黃色退去呈穩(wěn)定的藍(lán)紫色為止(不斷用搗碎的濾紙擦拭燒杯壁),隨后加入100 mL沸水,藍(lán)紫色退去呈現(xiàn)黃色,使用0.1 mol/L的氫氧化鈉滴定,記錄初始體積V0和滴定終點(diǎn)體積V1。

    脫硅率計(jì)算方法如公式(2)所示:

    式中:M為SiO2的摩爾質(zhì)量,g/mol;n0為溶液中二氧化硅的初始質(zhì)量濃度,g/L;VL為脫硅液的體積、V0為初始體積、V1為滴定終點(diǎn)體積,L。

    脫硅液含量代表經(jīng)離心分離后所得脫硅液占總質(zhì)量的比例,其計(jì)算方法如公式(3)所示:

    式中:m0為離心管質(zhì)量,g;m1為加入酸解液后離心管的質(zhì)量,g;m2為離心后所得上層液體質(zhì)量,g。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

    2.1.1 溶液中c(H+)對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響

    實(shí)驗(yàn)研究了在保溫溫度為70℃、保溫時(shí)間為3 h、離心轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、離心時(shí)間為3 min的條件下,不同c(H+)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1中c(H+)=2.41 mol/L為酸解液的初始酸度,可以看出此時(shí)的脫硅率為零,這是由于溶液的酸度不足以支撐硅酸進(jìn)行自聚反應(yīng),在該酸度下,溶液中形成的一價(jià)硅酸正離子H8SiO6+少,難以與H4SiO4發(fā)生硅酸的聚合反應(yīng)。隨著酸度的增加,酸解液的脫硅率呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),在c(H+)=3.5 mol/L時(shí)已達(dá)到了最大的脫硅率為88.76%,當(dāng)酸度值繼續(xù)增加時(shí),脫硅液含量逐漸減少,因?yàn)楫?dāng)溶液中的酸度提高時(shí),在相同時(shí)間內(nèi)硅酸的自聚程度更高,形成的硅膠更加致密,導(dǎo)致溶液與硅膠分離困難,脫硅液損失較大,得到了較少的脫硅液,因此選擇c(H+)=3.5 mol/L時(shí)最為適宜。

    圖1 不同c(H+)對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響Fig.1 Effect of different c(H+)on desilication rate and desilication liquid content

    2.1.2 保溫時(shí)間對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響

    實(shí)驗(yàn)研究了在c(H+)為3.5 mol/L、保溫溫度為70℃、離心轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、離心時(shí)間為3 min的條件下,保溫時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,當(dāng)時(shí)間小于2 h時(shí),脫硅率呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),在2~7 h內(nèi)脫硅率趨于平穩(wěn)。脫硅液的含量隨著時(shí)間的不斷增加而減小,2 h時(shí)的脫硅液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.37%;當(dāng)保溫時(shí)間為7 h時(shí),此時(shí)脫硅液質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低為51.64%。保溫時(shí)間越長(zhǎng),硅酸自聚度越高,形成的硅膠越致密,在一定的離心轉(zhuǎn)速下,包裹在硅酸中的金屬離子和水分子難以從硅膠中分離,從而導(dǎo)致了脫硅液含量的降低,因此選擇保溫時(shí)間為2 h。

    圖2 保溫時(shí)間對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響Fig.2 Effect of holding time on desiliconization rate and desilication liquid content

    2.1.3 保溫溫度對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響

    保溫溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著溫度的增加脫硅率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),在70℃時(shí)具有最高的脫硅率,達(dá)到了92.18%,此時(shí)的脫硅液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69.04%。當(dāng)溫度較高時(shí),不利于脫硅,這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)影響硅膠的穩(wěn)定性,造成了聚合度下降[13],參與硅酸自聚反應(yīng)的水分子和氫離子的活度增加,導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)加劇,不利于硅酸分子的自聚反應(yīng)。當(dāng)溫度較低時(shí),溶液中的硅酸分子與氫離子的有效碰撞降低,自聚時(shí)間增加,導(dǎo)致了較低的脫硅率,因此選擇最佳保溫溫度為70℃。

    圖3 保溫溫度對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響Fig.3 Effect of holding temperature on desiliconization rate and desilication liquid content

    2.1.4 離心轉(zhuǎn)速對(duì)脫硅率的影響

    在離心脫硅過程中,離心轉(zhuǎn)速對(duì)脫硅率有明顯的影響。實(shí)驗(yàn)采用大容量低速離心機(jī),在離心時(shí)間為3 min條件下,考察了轉(zhuǎn)速區(qū)間為500~4 000 r/min對(duì)脫硅率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,隨著轉(zhuǎn)速的增加脫硅率呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),650 r/min時(shí)脫硅率僅為20.12%,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 500 r/min時(shí)出現(xiàn)平臺(tái),此時(shí)脫硅率為98.01%。隨后隨著轉(zhuǎn)速的增加,脫硅率變化不大,當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí),脫硅率達(dá)到了99.42%,達(dá)到了最大的脫硅率。自聚液的離心脫硅過程可以分為兩步,首先是離心的起始段,在相同的半徑下,質(zhì)量較大的硅酸自聚體受到的離心力更大,從而發(fā)生了向后的位移運(yùn)動(dòng)。這時(shí)中間層硅酸自聚體之間空隙較大,相互之間連接性較弱,導(dǎo)致了中間靠近上層清液的硅膠層具有一定的流動(dòng)性,上層清液與硅膠層分界模糊,因此在低轉(zhuǎn)速下具有較低的脫硅率。當(dāng)離心轉(zhuǎn)速增加時(shí),硅酸自聚體受到了更大的離心力,底層自聚體之間的液體由于上層的擠壓發(fā)生了向上的遷移運(yùn)動(dòng),此時(shí)硅酸自聚體之間的空隙變小,相互之間連接性增強(qiáng),靠近上層清液的硅膠層流動(dòng)性消失,硅膠層和清液具有明顯的分界線。在低轉(zhuǎn)速的情況下,體系發(fā)生了自聚體的向下位移,但是自聚體間隙的液體發(fā)生了部分的向上遷移,導(dǎo)致固液分離不完全,造成較低的固液分離比。結(jié)果表明,在轉(zhuǎn)速為500 r/min下,分離得到的脫硅液質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為13.82%,轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí)脫硅液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了70.03%。因此,離心轉(zhuǎn)速選擇3 500 r/min較為適宜。

    圖4 離心轉(zhuǎn)速對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響Fig.4 Effect of centrifugal speed on desiliconization rate and desilication liquid content

    2.1.5 離心時(shí)間對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響

    考察了離心時(shí)間對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,脫硅率在1~3 min呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),在3 min之后隨著時(shí)間的增加,脫硅率變化不大,這是因?yàn)樵谳^高的轉(zhuǎn)速下,酸解液中質(zhì)量較大的硅酸自聚體能較快地完成向離心管底部的位移運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)酸解液和硅酸的分離,達(dá)到較高程度的脫硅效果。隨著離心時(shí)間的增加,夾雜在相鄰硅酸間隙之間的液體分子由于上層硅酸的擠壓作用,發(fā)生了緩慢向上的移動(dòng),因此隨著離心時(shí)間的增加,脫硅液含量也不斷增加,在3 min時(shí)達(dá)到平衡,此時(shí)的脫硅率為99.5%,脫硅液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.16%。

    圖5 離心時(shí)間對(duì)脫硅率和脫硅液含量的影響Fig.5 Effect of centrifugation time on desilication rate and desilication liquid content

    2.2 硅渣的物相和結(jié)構(gòu)分析

    2.2.1 XRD分析

    通過X射線衍射分析離心硅渣的物相成分,結(jié)果如圖6所示。圖6中共有3條譜線,a為Mg(HSO4)2(H2O)的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片,b為無定型二氧化硅的譜線,c為離心硅渣的譜線。從c中可以看到離心硅渣的圖譜由衍射峰和一個(gè)較寬的衍射譜帶(15~30°)構(gòu)成,衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片的特征峰相對(duì)應(yīng),譜帶與無定型的二氧化硅的衍射譜帶相吻合,說明離心硅渣中主要物相為Mg(HSO4)2(H2O)和無定型的二氧化硅。這是因?yàn)樵诠杷嶙跃圻^程中加入硫酸調(diào)節(jié)了溶液的酸度,所以離心得到的硅膠呈較強(qiáng)的酸性,同時(shí)由于硅膠的包裹,造成了酸解液中鎂元素的損失,表明離心脫硅法能實(shí)現(xiàn)酸解液中硅的脫除。

    圖6 脫硅渣的XRD譜圖Fig.6 XRD patterns of desilication slag

    2.2.2 酸解液與離心硅渣的FT-IR分析

    酸解液與離心硅渣的紅外光譜圖如圖7所示,圖中1 655 cm-1處的峰是由H—O—H的彎曲振動(dòng)引起的,1 045 cm-1處觀察到的峰與Si—O—Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)有關(guān),955 cm-1處出現(xiàn)的峰是由Si—OH的彎曲振動(dòng)引起的,在799 cm-1處出現(xiàn)的峰歸因于Si—O—Si的對(duì)稱伸縮振動(dòng)[14-15]。在酸解液中,1 090 cm-1和972 cm-1處的峰分別代表Si—O—Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和Si—OH的彎曲振動(dòng),在經(jīng)過自聚后,Si—O—Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)位移到1 045 cm-1處,而且出現(xiàn)了Si—O—Si的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰(799 cm-1),說明硅酸的自聚在酸解過程中已經(jīng)發(fā)生,但是鍵合能力較弱,經(jīng)過硅酸聚合過程后,鍵合能力增強(qiáng)。結(jié)合XRD結(jié)果說明了硅酸自聚-離心脫硅能夠?qū)崿F(xiàn)酸解液中硅的脫除。

    圖7 酸解液離心硅渣的FT-IR的分析圖Fig.7 Analysis of FT-IR spectra of centrifuged silica slag and acid digest

    2.2.3 離心硅渣和酸解硅渣中硅形態(tài)分析

    采用核磁對(duì)離心硅渣和酸解硅渣中硅形態(tài)進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖8所示。圖中化學(xué)位移在-103×10-6處為Q3型硅膠[Si(OSi)3(OR)],化學(xué)位移在-110×10-6處為Q4型硅膠[Si(OSi)4][13],通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),酸解之后,溶液中的硅膠已經(jīng)發(fā)生聚合,在加入酸形成凝膠的過程,只是加快了聚合速度,溶液中硅膠不斷從Q3型向Q4型轉(zhuǎn)變,說明自聚過程能增加硅膠的聚合度,從而形成長(zhǎng)鏈硅膠。

    圖8 離心硅渣與酸解硅渣的核磁共振譜圖Fig.8 NMR spectra of centrifuged silica slag and acid-dissolved silica slag

    2.2.4 離心硅渣紅外譜圖分析

    通過配備有EDS的SEM對(duì)離心硅渣的微觀形貌進(jìn)行表征,EDS采用面掃描方式,分析結(jié)果如圖9所示。從圖9a中可以看到離心硅渣粉碎后,顆粒呈不規(guī)則塊狀,在較高的倍數(shù)下(圖9b)可以看到硅渣表面有小顆粒聚集。圖9c為EDS掃描能譜圖,從圖中可以看到硅渣的主要成分為Si和O,二者占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的93.5%,圖譜中還含有少量的Mg、Fe、S和Al,這是因?yàn)樵谛纬晒枘z的過程中,將溶液中的鎂離子包裹在內(nèi),造成了酸解液中鎂的損失。結(jié)合XRD和FT-IR的分析,表明酸解液經(jīng)過硅酸自聚-離心脫硅過程,能達(dá)到較好的脫硅效果。

    圖9 離心硅渣的SEM照片(a、b)和EDS圖(c)Fig.9 SEM images(a,b)and EDS spectrum(c)of centrifuged silica slag

    2.3 脫硅液成分分析

    采用ICP-OES對(duì)脫硅液中各元素含量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,經(jīng)過硅酸自聚-離心脫硅操作,酸解液中Si的質(zhì)量濃度從1 366.1 mg/L下降到6.4 mg/L。同時(shí),Mg離子和Fe離子的濃度沒有發(fā)生明顯的變化。酸解液中的硅酸在滴入高濃度氫氧化鈉時(shí),會(huì)產(chǎn)生白色絮狀凝膠,使用該方法能簡(jiǎn)便地判斷脫硅效果的好壞。圖10中的2個(gè)樣品瓶從左到右分別盛放著脫硅前和脫硅后的酸解液,向其中各加入3 mL濃度為5 mol/L的氫氧化鈉溶液。從圖10中可以看到,加入氫氧化鈉后,左邊樣品瓶中溶液上層出現(xiàn)一層白色絮狀凝聚物,右邊無明顯變化,說明離心脫硅法能夠有效脫除溶液中的二氧化硅。

    表2 脫硅液中各元素含量Table 2 Content of each element in the desilicon solution mg/L

    圖10 酸解液與脫硅液脫硅效果對(duì)比圖Fig.10 Comparison of desilication effect between acid solution and desilicon solution

    3 結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)提出了硅酸自聚-離心脫硅的脫硅思路,通過實(shí)驗(yàn)得到了酸解液脫硅的最佳條件:c(H+)為3.5 mol/L,反應(yīng)溫度為70℃,保溫時(shí)間為2 h,離心轉(zhuǎn)速為3 500 r/min,離心時(shí)間為3 min。在該條件下具有最大的脫硅率。通過XRD分析發(fā)現(xiàn),離心分離渣中主要物相為無定型的二氧化硅和Mg(HSO4)2(H2O)。SEM-EDS結(jié)果表明酸解渣表面有小顆粒聚集,硅渣的主要成分為Si和O元素,二者占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的93.5%。ICP-OES結(jié)果表明,脫硅液中硅的含量低于10 mg/L,脫硅率達(dá)到99.5%。通過紅外光譜和核磁分析表明,酸解液中硅以聚合形態(tài)存在,但鍵合能力弱,經(jīng)過聚合過程后,鍵合能力增強(qiáng),聚合度增加,自聚過程只是將原來的低聚合度硅酸變?yōu)榱烁呔酆隙裙杷?,從而形成凝膠。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,硅酸自聚-離心脫硅法能夠有效脫除溶液中的二氧化硅,達(dá)到了較高的脫硅率,同時(shí)解決了絮凝脫硅法引入雜質(zhì)和過濾時(shí)間過長(zhǎng)的問題,為濕法提取爐渣中有價(jià)元素過程中硅的脫除問題提供了新的思路。

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