白云石與氟磷灰石的浸出過程熱力學

黃 芳,王 華,李軍旗

(1.貴州大學 材料與冶金學院,貴州 貴陽 550003;2.昆明理工大學 冶金與能源工程學院,云南 昆明 650093)

白云石與氟磷灰石的浸出過程熱力學

黃 芳1,2,王 華2,李軍旗1

(1.貴州大學 材料與冶金學院,貴州 貴陽 550003;2.昆明理工大學 冶金與能源工程學院,云南 昆明 650093)

根據化學位圖繪制基本原理和方法,分析了 Mg2+-Ca2+-H2CO3-H2O、CaCO3·MgCO3-SO2-4-H2O、Ca2+-F--H3PO4-H2O、Ca5(PO4)3F-SO2-4-H2O和Mg2+-H3PO4-H2O體系在常溫下的熱力學平衡,研究了Ca-Mg-P-H2SO4體系在常溫下的溶液-礦物溶解、沉積條件,形象、直觀地描述了該溶液體系化學平衡條件及反應進行的限度,為磷礦選礦和濕法浸出過程提供理論依據。結果表明:硫酸可以促進白云石和氟磷灰石的溶解,溶解產物主要是Mg2+、H3PO4,其次是 H2PO-4,固相產物主要是硫酸鈣晶體;氟磷灰石溶解過程中產生的磷酸在酸性條件下不與溶出的Mg2+反應形成Mg3(PO4)2。

白云石;氟磷灰石;浸出;熱力學;

鎂是濕法磷酸工業中最重要的雜質元素之一,而脫除膠磷礦中的MgO是一個技術難題,因為含鎂礦物白云石的表面性質與磷礦物的表面性質差異較小,膠磷礦嵌布粒度又非常細,目前是通過各種選礦方法獲取磷精礦。對國內某重要磷礦浮選尾礦的研究發現,其表面幾乎檢測不出有鎂存在,鎂主要“包裹”在礦物顆粒內部,這增大了回收磷、鎂的難度;鎂的物相主要是白云石(占87%左右)和氟磷灰石(占9%左右)。高鎂磷礦和高鎂磷尾礦大多采用酸法浸出,所用硫酸廉價易得,流程、設備簡單,且在高效分離鈣、鎂和制造鈣鎂磷肥中具有無比的優越性。因此,研究了白云石和氟磷灰石在硫酸體系中的熱力學平衡,并討論了溶液、礦物溶解和沉積現象。

P.Somasundaran[1]曾研究了磷灰石-方解石-白云石(純化學組成)與溶液的化學平衡;邵緒新[2]研究了膠磷礦與白云石分離的溶液化學,分析 了 Fe2+-H3PO4-H2O、Ca2+-H3PO4-H2O、Mg2+-H3PO4-H2O、Ca2+-H2CO3-H3PO4-H2O、Mg2+-H2CO3-H3PO4-H2O、Ca2+-H2CO3-H2O、Mg2+-H2CO3-H2O等體系的熱力學平衡。在前人工作基礎上,利用可靠的熱力學數據,根據化學位圖繪制基本原理和方法[3],在研究Mg2+-Ca2+-H2CO3-H2O和Ca2+-F--H3PO4-H2O體系基礎上,探討了CaCO3·和體系中各組分濃度與p H的關系,得到相應的熱力學穩定圖,并形象、直觀地描述了體系化學平衡條件及反應進行的限度,確定了平衡體系中某種組分的優勢,為磷礦選礦和濕法浸出過程研究提供理論依據。

1 熱力學穩定圖的理論依據

化學位圖是熱力學研究的有力工具。對于在水溶液中進行的化學反應,通常用 E-p H圖來闡明各組分在水溶液中的穩定性,但由于磷礦的溶解反應是一個復分解反應,反應過程不涉及電子得失,分析浸出過程時,E-p H圖的縱軸實際并沒有起作用,而體系中組分離子的濃度變化才能體現礦物溶解的特征,因此,采用熱力學穩定圖來分析各體系的熱力學。

繪制熱力學穩定圖最通用的辦法是根據水溶液熱力學計算原理[4],考慮一定體系中可能發生的各類基本反應,分別寫出反應的化學平衡方程式、標準反應自由能變化的熱力學計算式,繪制組分濃度對數-p H圖,從而得到體系的熱力學穩定圖。

熱力學平衡通式可表達為:

反應在常溫下的平衡條件為:

2 CaCO3·MgCO3-H2SO4-H2O體系分析

從分析Mg2+-Ca2+-H2CO3-H2O系熱力學平衡出發,研究對該水溶液體系平衡的影響,以平衡常數、吉布斯自由能的變化等數據為依據討論白云石的溶解過程。

2.1 Mg2+-Ca2+-H2CO3-H2O系

根據體系可能存在的化學反應,按等溶解離子濃度作用,繪制Mg2+-Ca2+-H2CO3-H2O體系穩定圖,如圖1所示。可以看出,CaCO3·MgCO3在酸性溶液中的溶解度最大,酸性越強,溶解度越大,并分別以Mg2+和Ca2+存在于溶液中;而在堿性溶液中,以絡合陽離子Mg(OH)+或Ca(OH)2·Mg(OH)2形式存在。

圖1 Mg2+-Ca2+-H2CO3-H2O系熱力學平衡圖

將熱力學數據代入式(2),以溶解的離子活度的對數對p H作圖,得熱力學穩定圖。需要指出的是,這里以溶液離子的濃度近似代替其活度。

由于浸出體系中形成的硫酸鈣晶體可以呈3種水合結晶形態與溶液處于平衡狀態,即CaSO4·2H2O、CaSO4·H2O 和 CaSO4,使得浸出體系的溶液化學十分復雜[5]。為了簡化分析過程,在繪制熱力學穩定圖時,均假定形成的是CaSO4·2H2O(因為實際生產中常用二水物法)。

2.2 CaCO3·MgCO3-SO--H2O系

圖2 CaCO3·MgCO3-SO--H2O系熱力學平衡圖

3 Ca5(PO4)3F-H2SO4-H2O體系分析

從分析Ca2+-F--H3PO4-H2O系熱力學平衡出發,研究對該水溶液體系平衡的影響,以平衡常數、吉布斯自由能的變化等為依據討論氟磷灰石的溶解過程。

3.1 Ca2+-F--H3PO4-H2O系

根據體系可能存在的化學反應,以等溶解離子濃度作圖,得 Ca2+-F--H3PO4-H2O體系穩定圖,如圖3所示。

圖3 Ca2+-F--H3PO4-H2O系熱力學平衡圖

可以看出,Ca5(PO4)3F在酸性溶液中的溶解度最大,酸性越強,溶解度越大,并以Ca2+形式存在于溶液中;而在堿性溶液中,以絡合陽離子Ca(OH)+或陰離子F-存在。

3.2 Ca5(PO4)3F-SO--H2O系

根據體系可能存在的化學反應,以等溶解離子濃度作圖,得Ca2+-F--H3PO4-H2O體系穩定圖,如圖4所示?？梢钥闯?的存在,極大地增加了氟磷灰石在酸性溶液中的溶解度;溶解度隨酸度增大而減小;鈣主要以CaSO4·2H2O形式存在于溶液中。

圖4 Ca5(PO4)3F-SO--H2O系熱力學穩定圖

硫酸的加入促進了白云石的溶解,溶解產物主要是Mg2+和CaSO4·2H2O;同時也促進了氟磷灰石的溶解,溶解產物主要是 H3PO4、H2PO-4和CaSO4·2H2O。因此,磷礦在硫酸溶液中的溶解產物液相主要是 Mg2+和 H3PO4、H2PO-4溶液,固相主要為CaSO4·2H2O。所以,進一步研究Mg2+和 H3PO4溶液體系的分離條件,就可以解決中低品位磷礦的綜合利用問題。

4 Mg2+-H3PO4-H2O體系分析

由于磷礦中的氟磷灰石在酸溶過程中會產生H3PO4,礦物的酸浸過程實際上處于硫酸和磷酸的混酸體系中,因此,CaCO3·MgCO3-H2SO4-H2O系和Ca5(PO4)3F-H2SO4-H2O系不能夠完全反映實際情況,有必要對CaCO3·MgCO3-H2SO4-H3PO4-H2O系進行研究。需要說明的是,氟磷灰石在硫磷混酸體系中發生的反應可從Ca5(PO4)3F-H2SO4-H2O系獲知,因此,這里不再累述Ca5(PO4)3F-H2SO4-H3PO4-H2O系。

白云石中的鎂在酸作用下以 Mg2+形式溶出,而CaCO3·MgCO3-H2SO4-H2O系沒有反映磷酸的作用,所以,研究CaCO3·MgCO3-H2SO4-H3PO4-H2O體系的關鍵是研究 Mg2+-H3PO4-H2O體系。

根據體系可能存在的化學反應,以等溶解離子濃度作圖繪制 Mg2+-H3PO4-H2O體系穩定圖,如圖5所示。可以看出,與氟磷灰石相比,Mg3(PO4)2的溶解度要大得多:在酸性溶液中,Mg2+不易形成Mg3(PO4)2,而是以Mg2+形式存在;在堿性溶液中,Mg2+容易與發生反應形成Mg3(PO4)2;在高堿性區形成 Mg(OH)+或Mg(OH)2。也就是說,隨溶解過程中磷酸的產生,高鎂磷尾礦中的鎂以Mg2+形式溶出,不會與 H3PO4反應形成Mg3(PO4)2。

圖5 Mg2+-H3PO4-H2O系熱力學穩定圖

5 結論

1)硫酸可以促進白云石和磷灰石的溶解,溶解產物液相主要是 Mg2+、H3PO4溶液,其次是;固相產物主要是硫酸鈣的結晶水合物。

2)磷灰石溶出過程中產生的磷酸在酸性條件下對溶出的 Mg2+沒有影響,不會形成Mg3(PO4)2。

3)白云石和磷灰石的溶解極其溶解產物受溶液p H值影響。

[1]Somasundaran P.Mineral-Solution Equilibria in Sparingly Soluble Mineral System[J].Colloids and Surfaces,1985(15):309-333.

[2]邵緒新.膠磷礦浮選化學——膠磷礦和白云石的捕收與抑制[D].北京:中國礦業大學,1990:72-83.

[3]李自強,何良惠.水溶液化學位圖及其應用[M].成都:成都科技大學出版社,1991:52-172.

[4]傅崇說.冶金溶液熱力學原理與計算[M].北京:冶金工業出版社,1989:320-389.

[5]無機化學編寫組.無機化學[M].北京:人民教育出版社,1978:27-29.

Abstract:According to basic principles and methods of drawing chemical potential graph,the phenomena of solution-mineral dissolution and precipitation are researched by analyzing the thermodynamic equilibriumsof Mg2+-Ca2+-H2CO3-H2O,CaCO3andsystemsatnormaltemperature.Thechemical equilibrium conditions and dissolving limit of systems have been discussed.The results show that H2SO4as acid solvent can accelerate the dissolving of dolomite and phosphorite,dissolving products are Mg2+,H3PO4and H2PO-4in the liquid and solid of CaSO4.At the acid conditions,Mg2+leached does not react with phosphoric acid from phosphorite’s leaching to form Mg3(PO4)2.Key words:dolomite;phosphorite;leaching;thermodynamics

Leaching Thermodynamics of Dolomite and Phosphorite

HUANG Fang1,2,WANG Hua2,LI Jun-qi1
(1.Materials and Metallurgical College,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550003,China;2.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering,Kunming Univ.Sci.Technol.,Kunming,Yunnan 650093,China)

TF111.3

A

1009-2617(2010)02-0084-04

2009-12-18

貴州省科學技術基金資助項目(編號:黔科合J字[2007]2182號),教育部春暉計劃資助項目。

黃芳(1975-),女,貴州貴陽人,博士研究生,副教授,主要研究方向為冶金物理化學。