張 武,張 力,王 晨,馮乃祥
(東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110819)
一種改性鈦渣鈦組分的分離方法
張 武,張 力,王 晨,馮乃祥
(東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110819)
研究了堿浸出過程中的影響因素,考察了浸出溫度,NaOH溶液的濃度,以及物料粒度和液固比等因素對于浸出效果和回收率的影響.得到了堿浸階段適宜的工藝條件為:溶液中NaOH的質量分數為15%、浸出溫度100℃、浸出時間6 h、液固比20 mL/g、鈦渣粒度小于38 μm,攪拌速度500 r/min.采用三段浸出的方法獲得了品位為91.42%,回收率為78.47%的人造金紅石產品.
改性鈦渣;堿浸酸洗;浸出;氫氧化鈉;金紅石
鈦渣與人造金紅石、天然金紅石都是重要的鈦工業(yè)原料,在世界富鈦料生產中占主要地位[1].我國鈦資源豐富,除少量鈦鐵砂礦外,主要以鈦鐵巖礦為主,其缺點是品位低,雜質含量高,不能直接用于氯化法生產鈦白,僅適合作硫酸法鈦白的原料[2].張力等[3~5]以鈦渣為原料,采用改性處理的辦法使鈦渣中的鈦組分富集到金紅石相中,渣中的其他元素以非晶態(tài)的形式集中于基體相中,經過分離處理得到高品位的人造金紅石產品,可以直接用于氯化法生產鈦白.
本文采用堿浸酸洗的方法使改性渣中的鈦組分得到富集.所謂堿浸酸洗,是指先用一定濃度的堿溶液浸出物料,再用一定濃度的酸將物料中的雜質溶出,熱力學計算表明[6],酸洗過程極易進行,因而本文著重探討堿浸出過程的影響因素.
實驗物料是經過改性處理的鈦渣,其化學成分見表1.實驗用氫氧化鈉和鹽酸均為AR級.浸出的實驗裝置有水浴鍋和攪拌器.反應容器為三口燒瓶.圖1和圖2是改性后渣樣的X射線衍射物相分析結果及背散射顯微形貌.圖2中白色相a相為金紅石相,顏色較深的b相為玻璃相.
表1 改性鈦渣的主要化學組成(質量分數)Table 1 Chemcal composition of modified titanium slag(mass fraction) %
改性前渣樣的X射線衍射物相分析結果以及背散射顯微形貌可以在文獻[3]中看到.比較改性前后渣樣的物相分析結果和背散射顯微形貌可以發(fā)現,改性后渣樣的物相組成簡單,只有玻璃相和金紅石相,比原渣中的鈦組分容易分離.
稱取一定質量的物料,放入三口燒瓶中,加入一定濃度的氫氧化鈉溶液,在一定溫度下浸出,過濾,取出濾餅,將其放入燒杯中,加入一定濃度的鹽酸對濾餅進行洗滌,過濾,再次取出濾餅,烘干,分析其中的TiO2含量.
改性鈦渣的堿浸酸洗過程的實驗原理可以用以下反應表示:
圖3和圖4分別表示浸出溫度對于改性渣TiO2品位(以渣中TiO2的質量分數表示)和回收率的影響.品位為38.08%的物料為磨碎后的改性鈦渣,品位為50.89%的物料為一次搖床重選后的改性渣,二者的粒度均小于38 μm.
由以上兩圖可以看出,浸出溫度越高,可溶性雜質的溶出越快并且越徹底,這是因為隨著溫度的升高,溶液中活化分子的數目增加,使反應速度加快.在溫度低于60℃時,回收率的變化不大;當溫度在60℃到80℃時,回收率明顯下降,這是由于溫度升高使物料中的TiO2在堿溶液中溶解的速度增加,會有下列反應發(fā)生,使回收率開始下降:
當浸出溫度高于80℃時,回收率又開始增加,這是由于溶解在堿溶液中的 Na2Ti2O5和Na2Ti3O7重新水解而生成固相物質的緣故.考慮到反應速度的原因,實驗溫度取100℃為宜.
圖5和圖6表示浸出時間對于改性渣品位和回收率的影響.由兩圖可以看出,隨著浸出時間的延長,渣樣中TiO2的品位呈緩慢上升趨勢.浸出時間越長,渣中TiO2的回收率就越小,但當時間超過6 h以后由于溶液中的 Na2Ti2O5和Na2Ti3O7重新水解而進入固相,使回收率增加.
圖7和圖8表示NaOH溶液濃度對于改性渣品位和回收率的影響.由這兩圖可以看出,改性渣中TiO2的質量分數隨堿濃度增大顯著升高,這說明高濃度的堿能使雜質很好地溶出.以上兩圖說明堿濃度對于渣中的TiO2含量及回收率有較大影響,因此,在生產工藝中可以考慮適當增加堿液的濃度以提高渣中TiO2的品位,但堿液對環(huán)境有污染,且成本較高,實際生產時選擇w(NaOH)15%較為合適.
圖9和圖10分別表示液固比(液相體積與固相質量之比)對于改性渣品位和回收率的影響.在液固比為 10、20、25、30 mL/g 的情況下,隨著堿液用量增加TiO2品位也增加.在相同時間下,堿液用量增加有利于TiO2品位的提高.原因是隨著液固比的下降,相當于同量改性渣條件下氫氧化鈉用量的減少,NaOH溶液與渣粒接觸不好,影響了反應速度,亦即表現為同樣的時間條件下TiO2的質量分數增長幅度減小.液固比為20 mL/g時效果較好,在實際生產中仍然偏大,可以采取循環(huán)浸出的方法來解決.
圖11和圖12分別表示攪拌速度對改性高鈦渣品位及回收率的影響.改性渣的浸出反應是液固反應,反應速度與液固兩相的接觸面積有關.攪拌有利于反應體系中的物質的擴散.在本實驗條件下,攪拌只是保證反應過程進行的必要條件,浸出反應速率基本不受攪拌強度的影響.
金紅石相在不同粒度區(qū)域內的分布情況并不完全相同,不同粒級物料品位也不相同,其品位測定結果以及浸出后的結果列于表2.
圖12 攪拌速度對改性鈦渣浸出回收率的影響Fig.12 TiO2recovery with different stirring speed
隨著改性高鈦渣顆粒度的減小,反應速度加快,堿浸酸洗后渣中TiO2含量明顯增加.這是因為堿浸改性渣屬于固液反應,化學反應在固體顆粒的表面進行,粒度的減小增加了顆粒的比表面積,發(fā)生反應的界面面積也隨之增加,加快了礦粒表面的反應速度.在濕法冶金中,晶體棱角上的活化能要低于平面上反應活化能的20%,粒度減小增加了顆粒的棱角界面,界面上的原子有剩余價鍵,降低反應活化能,因此反應速度加快,雜質浸出率提高,故改性渣的粒度越小越好.但粒度太小,對磨礦等預處理的要求就會很高,增加經濟成本.
表2 不同粒度對于改性渣品位及回收率的影響Table 2 TiO2content and recovery with different size of slag
通過以上實驗對于堿浸酸洗過程影響因素的探索,可以采用比較適宜的工藝條件來制取高品位的人造金紅石,通過三段浸出的方法,可以獲得比較理想的產品,實驗條件為浸出時間8 h,浸出溫度 100℃,攪拌速度 500 r/min,液固比20 mL/g,第二段堿浸時間2 h,浸出溫度100℃,攪拌速度500 r/min,液固比20 mL/g,第三段堿浸時間2 h,浸出溫度100℃,攪拌速度500 r/min,液固比20 mL/g,酸洗階段的實驗條件均為溫度:30℃,時間30 min,浸出過程的實驗結果列于表3.
表3 多段浸出實驗結果Table 3 Results of multi-stage leaching
(1)通過對比改性前后渣樣的物相分析結果表明,改性后渣樣中的鈦組分更加容易分離.
(2)通過單因素實驗,得到了液固比、溫度、氫氧化鈉濃度、改性渣粒度和浸出時間對于浸出效果的影響,也得到了較合適的工藝條件.
(3)通過三段浸出的方法獲得了品位為91.42%,回收率為78.47%的人造金紅石產品.
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Enrichment of titanium components from modified titanium slag
ZHANG Wu,ZHANG Li,WANG Chen,FENG Nai-xiang
(School of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China)
The effects of concentration,temperature,reaction time,particle size,liquid-solid ratio and stirring speed on the TiO2content and the recovery ratio were studied in the alkali leaching process.The authors obtained the appropriate conditions:the concentration of NaOH is 15%,the leaching temperature is 100℃,the leaching time is 6 h,the liquid-solid ratio is20,titanium particle is38 μm,stirring speed is500 r/min.The synthetic rutile products were obtained through the three-stage leaching method.The grade is 91.42%,the recovery ratio is 78.4%.
modified titanium slag;alkali leaching and acid washing;leaching;NaOH;rutile
TF 111.3
A
1671-6620(2011)03-0184-05
2011-06-30.
張武 (1983—),男,內蒙古赤峰人,東北大學博士研究生;張 力 (1969—),男,遼寧朝陽人,東北大學副教授,E-mail:zhangl@smm.neu.edu.cn;馮乃祥 (1944—),男,河北豐潤人,東北大學教授,博士生導師.