低品位菱鎂礦水化試驗研究

閆平科，趙永帥，高玉娟，王來貴，張　旭

(遼寧工程技術大學礦業學院，阜新　123000)

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低品位菱鎂礦水化試驗研究

閆平科，趙永帥，高玉娟，王來貴，張旭

(遼寧工程技術大學礦業學院，阜新123000)

針對目前我國低品位菱鎂礦利用率低下的現狀，提出了對低品位菱鎂礦進行開發利用的設想，以遼寧海城低品位菱鎂礦為研究對象，對其進行了水化試驗研究。通過檢測水化過程中低品位菱鎂礦中Mg2+的水化率及其反應過程中鎂元素物相變化這兩個指標，分別對低品位菱鎂礦水化過程的影響因素進行了試驗研究。研究結果表明，在低品位菱鎂礦粒度-0.074 mm、反應物料固液比1∶49、反應溫度80 ℃、反應時間50 min的條件下，低品位菱鎂礦的水化率高達92.0%，該研究結果為后續低品位菱鎂礦的提純提供試驗依據。

低品位菱鎂礦； 水化率； 影響因素

1　引　言

我國菱鎂礦探明儲量3.0×109t，居世界首位，其中遼寧菱鎂礦儲量高達2.58×109t[1]，占我國總探明儲量的86%，主要分布在遼寧海城、岫巖、大石橋、鳳城、寬甸及撫順等地區，礦產資源優勢使遼寧成為鎂質材料生產和出口基地。目前，優質菱鎂礦主要被用作生產高中檔耐火材料和精細化工原料，由于生產耐火材料和精細化工原料時對菱鎂礦的品質要求很高，硅(Si)、鐵(Fe)含量高的礦石都不能使用[2]。盡管遼寧低品位菱鎂礦(MgO含量35%～41%)儲量高達8.4×108t[1]，由于不能直接作為生產耐火材料的原料，低品位菱鎂礦(MgO含量35%～41%)被廢棄并占地堆放。這種粗放型的經營模式不僅造成資源極大浪費，而且導致生態破壞和環境嚴重污染。合理開發利用低品位菱鎂礦，不僅能夠充分利用大量廢棄的菱鎂礦礦產資源，緩解菱鎂礦富礦資源緊缺的局面，而且能夠從源頭上制止對鎂礦資源“采富棄貧”的經營模式[3]，從根本上改變我國鎂鹽企業的生產經營方式及營銷理念。因此對低品位菱鎂礦開發利用迫在眉睫。

2　試　驗

2.1原料、試劑和設備

試驗原料為來自遼寧海城的低品位菱鎂礦，其化學成分如表1所示。

表1　菱鎂礦化學成分

試驗所用無水乙醇(分析純，遼寧泉瑞有限公司)；試驗所用水，均為二次蒸餾水，實驗室自制。

試驗所用設備有紅星機器集團生產的PE-150×250型顎式破碎機，2PG0425型對輥破碎機，河南省鶴壁冶金儀器生產的GZS-200型標準振動篩，鞏義市予華儀器有限責任公司生產的SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵、DFY-5L/10低溫恒溫反應浴，江西恒業礦冶機械制造公司生產的CJ-1密封式化驗制樣粉碎機，上海精宏實驗設備有限公司生產的DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱等。

對試驗樣品利用X射線衍射進行物相分析。

2.2試驗過程

將低品位菱鎂礦原礦樣經顎式破碎機、對輥破碎機破碎后，置于馬弗爐中，于750 ℃下煅燒2 h，得到輕燒氧化鎂，將煅燒后的氧化鎂在化驗制樣粉碎機研磨，并通過標準振動篩篩分，制得不同粒級的輕燒氧化鎂粉。分別稱取不同粒級一定質量的輕燒氧化鎂粉置于800 mL燒杯中，并向燒杯中加入一定質量的二次蒸餾水，在室溫下配置成漿液，將盛有漿液的燒杯放于設定溫度的低溫恒溫水浴箱中進行水化反應，并不斷進行攪拌，待反應時間完畢后，對水化產物進行過濾，用無水乙醇洗滌濾餅，以除去多余的水分，將濾餅置于電熱恒溫鼓風干燥箱中，在110 ℃下干燥2 h，取出后準確稱重。然后在750 ℃下煅燒2 h，使Mg(OH)2完全分解。取出后在干燥器中冷卻，稱重，根據煅燒前后的質量差來計算輕燒鎂粉的水化率，利用XRD檢測試樣的物相變化過程。

3　結果與討論

3.1原料粒級對水化試驗的影響分析

選擇進行水化反應的原料粒級分別為：0.246～0.147 mm、0.147～0.104 mm、0.104～0.081 mm、0.081～0.074 mm、0.074～0.043 mm、-0.043 mm。取不同粒級原料10 g，固定反應體系初始固液比為m(原料)：m(H2O)=1∶49，反應溫度70 ℃，反應時間1 h。試驗按照2.2進行，水化試驗結束后，原料粒級與水化率的關系曲線如圖1所示。

試驗結果表明：隨著原料粒級減小，輕燒氧化鎂的水化率在逐漸提高。當原料粒級在0.081～0.074 mm粒級時，水化率為89.1 %；當粒級降至-0.074 mm時，粒級對水化率的影響不再顯著。分析認為，當粒級為0.081～0.074 mm時，原料的粒級越小，溶液中水分子穿過顆粒表面水化過程中產生的氫氧化鎂微晶層，與內部氧化鎂分子接觸比較容易，反應進行的相對完全，因此水化率相對較高；同時，由于原料粒級越小，比表面積越大，增加了固液反應的接觸面積，在一定時間內水化速率也就越快。當粒級為-0.074 mm時，在水化過程中，顆粒表面會生成大量的氫氧化鎂微晶，阻止了水分子進一步進入顆粒內部發生水化反應，于是，顆粒粒徑減小對水化反應影響不再明顯。因此，隨著粒級減小，水化率已經不再發生變化。綜合分析，試驗選擇粒度為-0.074 mm粒級的輕燒鎂粉為試驗原料。

3.2反應料漿固液比對水化試驗的影響分析

反應漿料固液比的大小對輕燒氧化鎂的水化率有很大影響。選擇水化反應時的漿料固液比即m(原料)：m(H2O)分別為1∶99、1∶49、1∶33、1∶24，固定其他試驗條件：原料粒度-0.074 mm，反應溫度為70 ℃，反應時間為1 h。試驗取10 g輕燒氧化鎂粉，按上述固液比比例配置出相應的漿料進行水化試驗，其試驗結果如圖2所示。

圖1　粒度對水化率的影響Fig.1　Influence of particle size on hydration rate

圖2　反應漿料固液比對水化率的影響Fig.2　Influence of reaction concentration on hydration rate

試驗結果表明：隨著反應漿料固液比的增加，輕燒氧化鎂粉的水化率逐漸降低。當反應漿料固液比為1∶99時，水化率最大，為90.4 %；當固液比為1∶49時，水化率為89.1%，略微降低，但變化不大。當反應固液比繼續增加時，水化率開始明顯下降。分析認為，隨著反應固液比的增加，反應液的分散性越來越差，物料顆粒吸附在一起，使固體顆粒與水的有效接觸面積減小，并且隨著水化反應的進行，生成的氫氧化鎂沉淀大量吸附在未反應的輕燒氧化鎂顆粒表面，不僅阻擋了新生成的氫氧化鎂微晶向溶液的擴散，還阻礙了水分子與未反應的輕燒氧化鎂的接觸，這使得化學反應控速的水化反應轉變為氫氧化鎂擴散控速的反應，減慢了水化反應的速率，也降低了輕燒氧化鎂的水化率。綜合分析認為，試驗選擇固液比為1∶49為最佳固液比參數。

3.3反應溫度對水化試驗的影響分析

反應溫度是影響水化率及水化反應速度的重要因素，溫度的高低決定了反應速率的快慢。試驗選擇水化反應的反應溫度分別為：50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、95 ℃，固定其他試驗條件：原料粒度-0.074 mm，反應體系固液比為1∶49，反應時間為1 h。準確稱取10 g輕燒氧化鎂試樣，在相應溫度的恒溫水浴鍋中進行水化反應，并不斷攪拌。反應溫度與水化率的關系曲線如圖3所示。

圖3　反應溫度對水化率的影響Fig.3　Influence of reaction temperature on hydration rate

圖4　反應時間對水化率的影響Fig.4　Influence of reaction time on hydration rate

由圖3可以看出，隨著反應溫度的升高，輕燒鎂粉的水化率逐漸增大，當溫度到達80 ℃時，水化率達到最高，為92.1 %；當反應溫度高于80 ℃時，水化率基本保持不變。分析認為，溫度越高，水化速率也越快，同時溫度越高，分子運動越劇烈，顆粒表面生成的氫氧化鎂微晶層向液相中擴散的也越快，漿液中水分子穿過顆粒表面的氫氧化鎂微晶層與內部的氧化鎂分子接觸的阻力也就越小，水化速率便越快，水化程度越完全，水化率也越高。當反應溫度高于80 ℃時，水化反應基本完全，升高溫度，水化率基本不變，而溫度越高，能耗也越大，因此試驗選擇反應溫度為80 ℃進行水化反應。

3.4反應時間對水化試驗的影響分析

反應時間的長短取決于水化反應速率的快慢，選擇恰當的反應時間可以在保證水化率的同時，提高水化產率。固定水化試驗的反應條件：原料粒度為-0.074 mm，反應體系固液比為1∶49、反應溫度為80 ℃，反應的時間分別為：20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、90 min，進行水化反應。按照以上條件進行水化反應，所得反應時間與水化率的關系曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著反應時間延長，輕燒鎂粉的水化率逐漸升高，水化時間為50 min時，水化率達到92%，繼續延長水化時間，水化率提高不再明顯。由此可知，有一小部分氧化鎂顆粒不能水化為氫氧化鎂沉淀，根據文獻[4-6]分析，這一小部分應為活性比較低的氧化鎂，在該試驗條件下，這部分氧化鎂不能與水反應生成氫氧化鎂，繼續延長水化時間，作用不大。因此，試驗反應時間選擇50 min為最佳水化時間。

3.5水化產物分析

將水化產物經過濾、無水乙醇洗滌完畢后，在110 ℃下烘干，產物為白色粉末狀。采用日本生產的DX-2000X-射線衍射分析儀在2θ=10°～90°范圍內掃描對輕燒鎂粉的水化產物進行分析，測出水化產物的XRD圖譜，檢測所得數據與氫氧化鎂卡片(PDF#44-1482)數據核對，樣品出現峰值的晶面(001)、(100)、(101)、(102)、(110)、(111)、(103)、(201)與Mg(OH)2晶體的峰值晶面完全相同，因此可以確定水化產物為氫氧化鎂。水化產物XRD圖譜與氫氧化鎂卡片(PDF#44-1482)圖譜對比如圖5所示。

3.6正交試驗設計

為了考察原料粒級、反應濃度、反應溫度和反應時間對輕燒氧化鎂粉水化率的影響趨勢并選出最優試驗方案，設計了四因素三水平正交試驗，以水化率為試驗的結果指標，采用直觀分析法處理試驗數據。正交試驗設計因素水平表見表2，試驗結果見表3。

表2　四因素三水平表

綜合表2，及表3分析，通過直觀觀察可得優方案為①：A3B2C3D3；正交試驗7號試驗方案②為：A3B1C3D2；通過單因素試驗所得優方案③為：A2B2C2D2。經過實際試驗所得方案①、②、③的水化率分別為92.5 %，92.3 %，92.0 %，通過試驗結果分析可得，優方案①為輕燒鎂粉水化試驗的最佳試驗條件，但由于三種方案的試驗結果差別很小，結合磨礦能耗、水化產率及試驗用水量綜合分析，最后選擇單因素優方案A2B2C2D2為實際最佳試驗條件。

表3　正交試驗結果及分析表

續表

4　結　論

通過上述研究，可以得出以下結論。

(1)隨著反應原料粒級的減小，水化率逐漸提高，當粒級小于0.074 mm時，將對水化率不產生影響；

(2)隨著反應溫度的升高，水化率逐漸增大，當反應溫度高于90 ℃時，水化率基本保持不變；隨著反應濃度的增加，輕燒鎂粉的水化率逐漸降低；

(3)當反應體系固液比為1∶49時，水化率最大，同時，隨著反應時間延長，水化率逐漸升高，當水化時間超過60 min時，水化率提高不再明顯；

(4)試驗結果表明，在低品位菱鎂礦粒級-0.074 mm、反應物料固液比1∶49、反應溫度80 ℃、反應時間50 min條件下，低品位菱鎂礦的水化率高達92.0%。

[1] 石建軍,李銀文,王鵬,等.中國菱鎂礦選礦現狀分析[J].輕金屬,2011,(S1):51-53.

[2] 吳萬伯.談菱鎂礦的綜合開發與利用[J].礦產保護與利用,1994,(1):15-18.

[3] 李志鋒.遼寧低品位菱鎂礦的綜合開發利用研究[J].國土資源,2008,(1):78-79.

[4] 崔鑫,鄧敏.氧化鎂制備方法、活性與水化測定方法綜述[J].硅酸鹽通報,2008,27(1):136-141．

[5] 盧小琳,高培偉.用液相電導法研究氧化鎂的水化活性[J].南京航空航天大學學報,2008,40(3):404-406．

[6] 馮剛,孫慶國.水合氯化鎂焙燒得到的氧化鎂的水化研究[J].無機鹽工業,2008,40(4):15-18．

Hydration Experiment of Low-grade Magnesite

YANPing-ke,ZHAOYong-shuai,GAOYu-juan,WANGLai-gui,ZHANGXu

(College of Mining,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

Aimed at the low utilization rate of low grade magnesite in china, the writer puts forward the assumption to exploit it. In the article, low grade magnesite from Haicheng Liaoning Province is researched on hydration test. And hydration rate as well as phase change of Mg2+are the targets for observing influencing factors in hydration process. Result shows that hydration rate of low grade magnesite is up to 92.0% with grain size -0.074 mm, reactants liquid to solid ratio 1∶49,temperature 80 ℃ degree, reaction time for 50 min. The experiment will provide test basis for the subsequent purification of low grade magnesite.

low grade magnesite;hydration rate;influencing factors

國家自然科學青年基金(51004064,51204091);遼寧省高等學校優秀人才支持計劃項目(LJQ2014035)

閆平科(1975-)，男，博士，副教授.主要從事礦產資源總合理利用及礦物材料制備方面的教學及研究工作.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1096-05