硼鐵礦中硼鎂鐵的硫酸法共浸出研究

袁本福， 張麗清， 張鳳軍， 周華鋒

(1.沈陽化工大學應用化學學院，遼寧沈陽 110142;2.鞍山騰鰲污水處理有限公司，遼寧鞍山 114225)

我國的硼資源總儲量在世界排第5位，但分布稀散，目前作為我國硼化工行業的主要原料，可供開發利用的主要是硼鎂石礦.隨著多年的開采，硼鎂石礦將近消耗殆盡，已遠遠不能滿足我國日益發展的硼化工的需求，使人們不得不把目光轉向硼品位比較低的硼鐵礦.我國有著豐富的硼鐵礦資源［1-3］，在東北的遼寧地區硼鐵礦的儲量高達2.8億噸，其中B2O3儲量達2 814萬噸，占全國硼資源總儲量的58%.但是其成分結構復雜，共生礦物較多，利用常規處理方法困難.所以，加快發展對硼鐵礦的開發利用，不僅能夠充分利用我國的硼礦資源，而且對緩解我國硼化工業的原料緊張狀況有著重要的意義.

目前，對硼鐵礦資源的開發利用研究主要是火法分離和濕法分離.火法分離工藝［4-6］主要是對硼鐵礦進行高溫還原達到硼、鐵分離的效果，得到硼品位較高的富硼渣再進一步處理利用;濕法分離工藝［7-10］主要是采用酸或堿直接處理硼鐵礦，再提取硼和鎂，殘渣煉鐵.此外，本課題組還提出過采用碳熱氯化法分解硼鐵礦［11-12］，經過碳熱氯氣反應后，根據氯化反應產物的物理化學性質不同，初步實現硼鐵礦中主要元素硼、鎂和鐵的分離.但是這些研究成果基本都停留在試驗階段，未能大規模應用于生產，由于環保副產品投資過高，資金源難以解決，這些研究一直未被化工部門認可.

硼鐵礦綜合利用過程中，首先要解決的問題是硼鐵礦中有價元素的分解，然后再對其中的有價元素硼、鎂和鐵進行分離和提取.以往的濕法分離大多考慮讓硼鎂浸出而鐵留在殘渣中，但是這些方法中由于一部分鎂元素沒有浸出而留在礦渣中，鎂的回收率往往比較低，造成鎂資源的浪費.此外，礦石中的鐵不可能完全不溶，在提取硼鎂時還要考慮除鐵，不僅工藝復雜，還會造成部分鐵資源的浪費.本研究是利用硫酸直接酸浸硼鐵礦，使其中的硼鎂鐵元素都溶于酸浸液中，再逐步提取其中的硼、鎂和鐵元素，以達到對硼鐵礦中硼鎂鐵的共提取綜合利用.

1 實驗方法

1.1 試劑與儀器

實驗采用遼寧鳳城產的硼鐵礦，經粉碎后過120目篩，組成如表1所示;濃硫酸(質量分數為98%)，分析純，北京北化精細化學品有限公司.

表1 硼鐵礦的化學組成Table 1 Chemical composition of ludwigite

實驗儀器:DF-101S集熱式恒溫水浴鍋，鄭州長城科工貿有限公司;增力電動攪拌器，上海標本模型廠;循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司;其他實驗室常規玻璃儀器.實驗裝置如圖1所示.

圖1 硼鐵礦硫酸浸出反應裝置Fig.1 Reaction equipment of sulfuric acid leaching

1.2 實驗步驟

稱取10 g硼鐵礦粉放入三口燒瓶中，用少量的蒸餾水潤濕成糊狀，再向燒瓶中加入一定濃度的H2SO4溶液，在水浴中攪拌反應后過濾，再經定容后測定濾液中硼、鎂和鐵的含量.

2 硼鐵礦硫酸浸出的熱力學分析

硼鐵礦XRD圖譜見圖2.從圖2可看出硼鐵礦中主要共生礦物為磁鐵礦(Fe3O4)、硼鎂石［Mg(BO2)(OH)］、蛇紋石［Mg3Si2O5(OH)4］和斜硅鎂石［Mg9Si4O16(OH)2］四種礦石.由文獻［13］可知，礦石中97.02%(質量分數，下同)的B2O3存在于硼鎂石中，79.59%的MgO存在于硼鎂石和蛇紋石中，86.02%的Fe存在于磁鐵礦中，因此，采用硫酸酸浸硼鐵礦時，主要是硫酸與硼鎂石［Mg(BO2)(OH)］、磁鐵礦(Fe3O4)、蛇紋石［Mg3Si2O5(OH)4］反應.反應方程如下:

圖2 硼鐵礦的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of ludwigite

其中:Δr(T)為反應的標準摩爾吉布斯函數變;vi為反應方程式的計量系數;Δf(i，β，T)為反應方程式中各組分標準摩爾生成吉布斯函數.計算結果如圖3所示.從圖3可看出，硫酸酸浸硼鐵礦時進行的3個主要反應的標準摩爾吉布斯函數變都小于零，且反應(1)的數值最小，反應(2)和反應(3)的數值比較接近.根據吉布斯函數判據可知，反應(1)很容易進行，反應(2)和(3)也能在273.15～373.15 K之間較容易進行，并且反應(2)和(3)進行的難易程度相當，若使Mg3Si2O5(OH)4中的鎂浸出，硼鐵礦中的鐵也會一同浸出.因此，采用硫酸酸浸硼鐵礦使硼鐵礦中的硼、鎂和鐵共浸出可行.

圖3 反應(1)～(3)不同溫度下的標準摩爾反應吉布斯函數變Fig.3 Evolution of standard free energy changes as function of temperature for Eqs.(1)～(3)

3 結果與討論

3.1 硫酸酸浸硼鐵礦的條件

根據前述中的硫酸酸浸硼鐵礦的熱力學分析，可知反應(2)的吉布斯函數變最大，說明磁鐵礦最不容易溶解，因此可通過測定酸浸液中鐵元素的含量來判斷硼鐵礦的浸出效果.

3.1.1 硫酸質量分數對浸出率的影響

在90℃、液固比(質量比，下同)8∶1、浸出時間120 min的條件下，采用不同質量分數的硫酸溶液浸出硼鐵礦，得到鐵的浸出率與硫酸質量分數的關系.結果如圖4所示.

圖4 硫酸質量分數對浸出率的影響Fig.4 Influence of concentration of sulfuric acid on leaching rate

從圖4可看出，鐵的浸出率隨硫酸質量分數的增加而提高，但當硫酸質量分數增大到30%以上時對鐵的浸出率的增幅明顯減緩.說明在一定的反應時間內，硫酸的質量分數越大硼鐵礦的浸出效果越好，但在工業生產中硫酸的質量分數不能無限增大，還應綜合考慮反應體系的流動性、生產成本以及對設備的腐蝕性等因素.因此，采用30%左右的硫酸質量分數較為適宜.

3.1.2 液固比對浸出率的影響

在90℃、硫酸質量分數30%、浸出時間120 min的條件下，考察液固比對鐵的浸出率的影響.實驗結果如圖5所示.

圖5 液固比對浸出率的影響Fig.5 Influence of liquid-solid ratio on leaching rate

從圖5可以看出:鐵的浸出率隨液固比的增大而提高，但液固比達到8∶1時浸出率的增幅明顯減緩.說明硫酸用量越大，硼鐵礦的浸出效果越好.硫酸的用量越大，硼鐵礦酸浸后的酸浸液體積就越大，酸浸液中各元素的濃度就越小，不利于硼、鎂和鐵的提取，并且剩余未反應的硫酸就越多，不僅造成硫酸的浪費和成本的提高，還會對設備造成腐蝕損害.此外，在硼、鎂和鐵的提取過程中pH值的影響很大，而酸浸液中剩余的硫酸越多，溶液的pH值越小，不利于pH值的調節.因此，必須合理地控制硫酸的用量.

3.1.3 浸出時間對浸出率的影響

在90℃、液固比8∶1、硫酸質量分數30%的條件下，逐漸改變浸出時間，測定不同時間下浸出液中鐵的含量，得到鐵的浸出率與浸出時間的關系如圖6所示.從圖6可以看出，隨浸出時間的增加鐵的浸出率不斷提高，當浸出時間為120 min時，鐵的浸出率已達92.92%，再繼續延長浸出時間，浸出率的增幅明顯減緩.這說明浸出時間越長，硼鐵礦中的各成分與硫酸反應的越完全，浸出效果也就越好.但在工業生產中，反應時間越長，就意味著設備運轉的周期越長，就會增大能耗和投資.因此，只要能達到預定的浸出效果，浸出時間越短越好，所以硼鐵礦的最佳浸出時間以120 min為宜.

圖6 酸浸時間對浸出率的影響Fig.6 Influence of leaching time on leaching rate

3.1.4 溫度對浸出率的影響

在硫酸質量分數30%、液固比8∶1、浸出時間120 min的條件下，于不同溫度下用硫酸浸出硼鐵礦，測定各個溫度下酸浸液中鐵的含量，得到鐵的浸出率與溫度的關系如圖7所示.

圖7 溫度對浸出率的影響Fig.7 Influence of leaching temperature on leaching rate

從圖7可以看出，在硼鐵礦的酸浸過程中溫度對鐵的浸出率影響較大，隨溫度的升高鐵的浸出率明顯提高，當浸出溫度為90℃時，鐵的浸出率達92.92%，之后再升高溫度對鐵的浸出率的提高影響不大.這說明浸出溫度越高，硼鐵礦的浸出效果越好.因為，溫度升高，硼鐵礦溶解的化學反應速率加快，溶液中離子的擴散速率也加快，加快了硼鐵礦的浸出速率.因此，溫度越高，越有利于硼鐵礦的酸浸，但當溫度超過90℃時，在一定浸出時間內硼鐵礦的浸出效果變化不明顯，并且溫度越高對設備的要求越高，需要的能量越多，所以，硼鐵礦的浸出溫度以90℃為宜.

3.1.5 攪拌強度對浸出率的影響

硼鐵礦與硫酸溶液接觸時，在礦石的表面形成一個擴散層，無論是反應物還是反應產物在擴散層的兩邊都會形成濃度差.擴散層的厚度越小，浸出反應速率越快.通過攪拌可使礦石和溶液相對運動，均勻混合，可減小擴散層的厚度，也可避免礦粒的沉降.如果攪拌速度過慢，硼鐵礦與硫酸溶液不能充分接觸，從而不利于浸出反應.但是，強烈的攪拌容易使細礦粒與液體整體移動或附壁旋轉，致使礦漿無法混勻，反而會降低浸出速率.實驗證明，攪拌速度約為100 r/min時，礦石與浸出液混合均勻，硼鐵礦的浸出效果良好.因此，攪拌速度選擇100 r/min.

3.2 硫酸酸浸硼鐵礦最佳條件下硼鎂的浸出率

由前述可知，硫酸酸浸硼鐵礦的最佳條件為:溫度90℃，硫酸質量分數30%，液固比8∶1，浸出時間120 min，攪拌速度約100 r/min.在最佳酸浸條件下，測得酸浸液中硼的浸出率在99.0%以上，鎂的浸出率在91.0%以上.在此工藝條件下實現了硼鐵礦中硼、鎂和鐵有價元素的共浸出.

4 結論

(1)通過熱力學分析，證明采用硫酸酸浸使硼鐵礦中的硼、鎂和鐵共浸出的方法可行.

(2)硫酸酸浸硼鐵礦最佳工藝條件:硫酸質量分數30%，液固比(質量比)8∶1，浸出溫度90℃，浸出時間120 min，攪拌速度約100 r/min.

(3)在最佳浸出工藝條件下，鐵的浸出率在92.9%，硼的浸出率達99.0%，鎂的浸出率在91.0%以上，達到了硼鐵礦中硼鎂鐵的共浸出效果.

(4)利用該法處理硼鐵礦可使其中的主要元素硼、鎂和鐵共同浸出進入液相，且浸出率較高，為下一步提取硼酸、鎂鹽和鐵鹽打下基礎.

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