河南某硫酸燒渣制備氯化鐵銨的試驗研究①

黃業豪， 李志偉， 孫景敏， 方栩濼， 豆金輝

（1.河南省巖石礦物測試中心，河南 鄭州450012； 2.河南省礦物加工及生物選礦工程技術研究中心，河南 鄭州450012）

硫酸燒渣主要是黃鐵礦焙燒制備硫酸所產生的廢渣［1］，其主要成分為鐵氧化物、硅酸鹽、硫酸鹽等［2］。現有硫酸生產經驗表明，生產每噸硫酸約產生1.0 t 硫酸燒渣。 大量硫酸燒渣長期堆放，不僅污染了環境，而且造成了資源的巨大浪費，因此，對硫酸燒渣進行綜合利用迫在眉睫。

目前國內外對硫酸燒渣進行資源化的方式主要分為以下6 類：制作建筑材料［3-4］、生產鐵系染料［5］、制備鐵鹽［6-7］、用作廢水凈化劑［8］、作為煉鐵原料［9］、回收有色金屬及貴金屬［10-11］。 濕法工藝將硫酸燒渣制備成鐵系產品，具有污染少、浸出率高、產品附加值較高等特色，是近年來研究的熱點。

氯化鐵銨是鐵系鹽類的一種， 其化學式為（NH4）2FeCl5·H2O，呈磚紅色晶體，易溶于水，主要用作有機合成的催化劑，另外在醫療、攝影、制版、試劑等方面也有應用。 利用硫酸燒渣制備氯化鐵銨的相關研究較少，河南省巖石礦物測試中心長期從事固廢資源化方面的研究，創新性地以硫酸燒渣為原料制備出了優級純級別的氯化鐵銨，為氯化鐵銨的制備提供了新的思路。

1 試 驗

1.1 試樣多元素分析

硫酸燒渣試樣化學多元素分析結果見表1。 由表1可知，試樣中主要金屬元素為鐵，TFe 品位為37.88%。

1.2 礦物種類分析

XRD 分析表明，樣品中非金屬礦物主要是石英、斜長石、云母和滑石；鐵主要以赤鐵礦的形式存在，另含少量黃銅礦、斑銅礦、銅藍、方鉛礦、鉛礬、黃鐵礦、輝銀礦等。

表1 試樣多元素分析結果（質量分數）／%

1.3 樣品物相分析

試樣中鐵的物相分析結果見表2。 表2 表明，鐵主要以赤／褐鐵礦的形式存在，可溶性較差，需要酸浸處理。

表2 樣品物相分析結果

1.4 樣品粒度篩析

試樣濕式粒度篩析結果見表3。 由表3 可知，樣品中存在部分可溶物，占4.81%，樣品粒度組成較細（-0.038 mm 粒級占55.76%）。

表3 樣品粒度篩析結果

1.5 試驗設備

試驗所用試驗儀器設備見表4。

表4 試驗儀器及設備一覽表

1.6 試驗方法

浸出試驗：用去離子水配置一定濃度的浸取劑，將硫酸燒渣試樣與浸取劑按照一定比例混合后，選擇磁力攪拌器攪拌一定時間后，用真空過濾機進行過濾，過濾時用去離子水按照“少量多次”的原則清洗5 次，將濾餅烘干稱重，并進行化驗分析，計算浸出率。

濃縮結晶：準確量取一定量的浸出液，磁力攪拌加熱濃縮，自然冷卻后于3～5 ℃的冰箱中放置1 h，過濾除雜；向濾液中添加一定量的氯化銨粉末，加熱攪拌使其溶解，自然冷卻后于3～5 ℃的冰箱中放置1 h，過濾得到氯化鐵銨。

2 實驗結果及討論

2.1 浸出試驗

2.1.1 鹽酸溶液濃度條件試驗

取硫酸燒渣100.0 g，固定液固比10 ∶1，浸出溫度95 ℃，浸出時間40 min，磁力攪拌條件下進行浸出試驗，鹽酸溶液濃度對鐵浸出率的影響見圖1。

圖1 鹽酸溶液濃度對鐵浸出率的影響

由圖1 可知，隨著鹽酸溶液濃度增加，鐵浸出率不斷增加，當鹽酸溶液濃度達到40%后，再提高濃度，鐵浸出率變化不大，因此選擇鹽酸溶液濃度為40%，此時鐵浸出率為96.95%。

2.1.2 浸出時間條件試驗

鹽酸溶液濃度40%，其他條件不變，浸出時間對鐵浸出率的影響見圖2。 由圖2 可知，增加浸出時間有利于提高鐵浸出率，但是當鐵與鹽酸反應充分后，再增加浸出時間，鐵浸出率增加幅度不大，因此選擇浸出時間為30 min，此時鐵浸出率為95.24%。

2.1.3 液固比條件試驗

浸出時間30 min，其他條件不變，液固比對鐵浸出率的影響見圖3。 由圖3 可知，一定范圍內，降低液固比會使鐵浸出率顯著下降；增大液固比雖然有助于提高鐵浸出率，但由于浸出過程需要加熱，因此會增大能耗，同時還會降低處理量。 因此，在保證鐵浸出率較高的前提下，盡量降低液固比，本試驗范圍內，選擇液固比為8 ∶1較為合適，此時鐵浸出率為94.72%。

圖2 浸出時間對鐵浸出率的影響

圖3 液固比對鐵浸出率的影響

2.1.4 浸出溫度條件試驗

液固比8 ∶1，其他條件不變，浸出溫度對鐵浸出率的影響見圖4。

圖4 浸出溫度對鐵浸出率的影響

由圖4 可知，提高浸出溫度有利于鐵的浸出，但是浸出溫度越高，能耗將會越高，綜合考慮，浸出溫度選擇85 ℃較為合適，此時鐵浸出率為91.43%。

2.1.5 最佳浸出條件下綜合試驗

通過單因素試驗，得到適宜的浸出條件為：鹽酸濃度40%，液固比8 ∶1，浸出溫度85 ℃，浸出時間40 min，在此條件下進行浸出試驗，鐵浸出率為91.43%。

2.2 濃縮結晶試驗

為了盡量少引入雜質離子和鹽類，選擇加入氯化銨制備氯化鐵銨，溶液中氯化鐵和氯化銨化學反應方程式為：

取一定量的浸出液（Fe3＋濃度為31.98 mg／mL），進行加熱濃縮-冷卻結晶-過濾除雜，濾液中Fe3＋濃度提升至159.5 mg／mL，改變氯化銨過量系數進行試驗，結果見圖5。

圖5 氯化銨過量系數對產品指標的影響

氯化銨過量系數對氯化鐵銨純度和鐵回收率影響較大，增大氯化銨過量系數，有利于提高鐵回收率，但是結晶中會混入氯化銨，影響產品純度，因此為保證產品純度，選取氯化銨過量系數為0.9，此時鐵回收率為90.38%，（NH4）2FeCl5·H2O 純度為99.85%，符合優級純標準。 對氯化鐵銨產品進行XRD 分析，結果見圖6。 可見產品XRD 圖譜清晰，主要成分為（NH4）2FeCl5·H2O特征峰，證明產品純度較高。

圖6 氯化鐵銨的XRD 圖譜

3 結 論

1） 硫酸燒渣適宜的浸出條件為：鹽酸溶液濃度40%，液固比8 ∶1，浸出溫度85 ℃，浸出時間40 min，此時鐵浸出率為91.43%。

2） 氯化銨過量系數對氯化鐵銨純度和鐵回收率影響較大，適宜的氯化銨過量系數為0.9，此條件下獲得純度為99.85%、鐵回收率為90.38%的氯化鐵銨（（NH4）2FeCl5·H2O）晶體。

3） 本研究為硫酸燒渣的資源化提供了借鑒，為氯化鐵銨的制備提供了新的思路。