高鎂爐渣酸解液硅酸自聚-離心脫硅工藝研究

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(guò)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(wàn)t生鐵會(huì)產(chǎn)生0.2萬(wàn)～0.5萬(wàn)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(guò)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(guò)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(guò)程中，存在著酸解液中二氧化硅的去除問(wèn)題［7-8］。二氧化硅的存在會(huì)對(duì)后續(xù)的過(guò)濾操作帶來(lái)濾孔堵塞、過(guò)濾速度慢、過(guò)濾時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)題，可通過(guò)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(guò)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(wèn)題，為酸法利用高爐渣的脫硅問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)氧化氫（H2O2）均為分析純；無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)定型的二氧化硅的衍射譜帶相吻合，說(shuō)明離心硅渣中主要物相為Mg（HSO4）2（H2O）和無(wú)定型的二氧化硅。這是因?yàn)樵诠杷嶙跃圻^(guò)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(guò)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(shuō)明硅酸的自聚在酸解過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生，但是鍵合能力較弱，經(jīng)過(guò)硅酸聚合過(guò)程后，鍵合能力增強(qiáng)。結(jié)合XRD結(jié)果說(shuō)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(guò)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(guò)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(shuō)明自聚過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)硅酸自聚-離心脫硅過(guò)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(guò)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(méi)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(wú)明顯變化，說(shuō)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(guò)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(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)，離心分離渣中主要物相為無(wú)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(guò)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(guò)聚合過(guò)程后，鍵合能力增強(qiáng)，聚合度增加，自聚過(guò)程只是將原來(lái)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(guò)濾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，為濕法提取爐渣中有價(jià)元素過(guò)程中硅的脫除問(wèn)題提供了新的思路。