碳酸鍶渣中鍶的鹽酸-氯化銨浸取工藝研究

金建華，周成財，馮占明

（青海民族大學化學化工學院，青海西寧810007）

鍶及其鍶鹽是重要的無機化工產(chǎn)品，因有獨特的物理及化學性能，在電子、化工、軍工、建材、有色金屬、航空航天、輕工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，有很好的市場前景［1-2］。天青石（主要成分硫酸鍶）在中國儲量豐富，約占世界總儲量的一半，居世界首位。其中青海省柴達木盆地大風山天青石礦是世界罕見的特大型礦床，其儲量高，約占全國總儲量的80%。當前，中國天青石礦主要用碳還原法生產(chǎn)碳酸鍶，該法生產(chǎn)工藝較成熟，生產(chǎn)設(shè)備簡單，所需材料品種較少且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，但礦石中鍶利用率較低，通常在75%以下。青海天青石礦生產(chǎn)碳酸鍶規(guī)模為3×104t/a，與此同時每年也會產(chǎn)生8×104t以上碳酸鍶廢渣。據(jù)統(tǒng)計，中國鍶渣累計量已達4 500萬t。鍶渣產(chǎn)于碳酸鍶生產(chǎn)的浸取工藝，是浸取后未反應(yīng)的礦石和煤的混合物。目前，鍶渣主要用于鋪路、生產(chǎn)建筑水泥材料等［3-4］，雖然從一定程度上緩解了環(huán)境污染、安全隱患和土地占用等問題，但鍶渣中的鍶卻未得到妥善回收利用，造成鍶資源浪費，急需研究一種有效地從工業(yè)鍶渣提取鍶的方法。筆者立足地區(qū)現(xiàn)有資源，以鹽酸-氯化銨為浸取劑，探究了碳酸鍶鍶渣浸取鍶工藝，并采用3因素3水平的Box-BehnKen響應(yīng)面分析法對鍶浸取工藝進行了優(yōu)化［5-6］，確定了碳酸鍶鍶渣浸取鍶的最優(yōu)工藝條件，以期為鍶資源的回收利用提供參考。

1 實驗內(nèi)容

1.1 原料與儀器

原料：實驗所用工業(yè)鍶渣取自青海某鍶鹽廠，其成分和含量見表1。

表1 碳酸鍶廢渣主要化學組成 %

試劑：鹽酸，四川西隴化工有限公司生產(chǎn)；氯化銨，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；乙二胺四乙酸二鈉，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；氨水，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；鉻黑T，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；甲基紅，廣東汕頭新寧化工廠生產(chǎn)。所有試劑均為分析純。

儀器：DF-101s水浴恒溫磁力攪拌器；雷磁PHS-3B型數(shù)顯pH計；BS22-4S型精密電子分析天平。

1.2 實驗原理

在工業(yè)鍶渣中加入作為浸取劑的鹽酸與氯化銨混合溶液，主要化學反應(yīng)式：

1.3 實驗方法

在粒徑約為0.075 mm的工業(yè)鍶渣中，加入一定物質(zhì)的量比的鹽酸-氯化銨水溶液，啟動水浴恒溫磁力攪拌器，調(diào)至預(yù)定溫度并恒溫，在攪拌下反應(yīng)一段時間后，過濾，得到含鍶溶液。采用EDTA容量法測定出溶液中的鍶含量，從而計算出鍶的浸取率。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面分析法優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)前期單因素實驗的結(jié)果，本研究以鍶浸取率（Y）作為響應(yīng)指標，選取HCl與NH4Cl物質(zhì)的量比、浸取時間、浸取溫度等3個因素進行響應(yīng)面分析法中Box-BehnKen實驗設(shè)計，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 3水平3因素響應(yīng)面設(shè)計

表3 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

2.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化模型建立及方差分析

通過Design-Expert8.0.8軟件對表3數(shù)據(jù)做二次回歸擬合，擬合得到鍶浸取率與HCl和NH4Cl物質(zhì)的量比、浸取時間、浸取溫度的二次多項式回歸模型，而后對構(gòu)建的摸型做方差分析，結(jié)果如表4所示：

表4 二次多項式模型方差分析

通過方差分析（ANOVA），二次多項式模型F=48.72，模型P＜0.000 1，表明該模型具有統(tǒng)計顯著性。實驗中，HCl與NH4Cl物質(zhì)的量比、浸取時間、浸取溫度對Y值影響顯著（P＜0.05），交互項AB、AC、BC影響顯著（P＜0.05），二次項A2、B2、C2對Y值的影響極顯著（P＜0.01）。一次項對Y值的影響順序從強到弱為B、A、C，即浸取時間、鹽酸與氯化銨物質(zhì)的量比、浸取溫度。

圖1為鍶浸取率實驗值與預(yù)測值的比較。從圖1可以看出，鍶浸取率實驗值與預(yù)測值非常接近，基本處于一條直線上，實驗結(jié)果說明實驗值與預(yù)測值擬合效果好。

圖1 鍶浸取率實驗值與預(yù)測值比較

表5為模型的可信度分析表。從表5可知，模型的決定系數(shù)R2為0.984 3，校正決定系數(shù)Radj為0.964 1，變異系數(shù)為0.56，表明該模型可較好地預(yù)測鍶的浸取率。表6為模型置信度分析表。從表6可知，模型擬合實驗數(shù)據(jù)顯著、重復(fù)性好。

表5 模型的可信度分析

表6 二次方模型置信度分析

圖2～4為各因素之間交互作用對鍶浸取率的影響。從圖2～4可知，HCl與NH4Cl物質(zhì)的量比、浸取時間、浸取溫度這3個因素兩兩之間交互作用的響應(yīng)曲面傾斜度大，等高線呈橢圓且線間距離較密集，表明3個因素之間存在明顯的交互作用，這與方差分析結(jié)果相符。

圖2 鹽酸與氯化銨物質(zhì)的量比和浸取溫度對鍶浸取率影響的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖3 鹽酸與氯化銨物質(zhì)的量比和時間對鍶浸取率影響的響應(yīng)曲面及等高線圖

圖4 時間和溫度對鍶浸取率影響的響應(yīng)曲面及等高線圖

2.3 鍶浸取率優(yōu)化工藝條件及實驗驗證

通過響應(yīng)面分析法得到的優(yōu)化工藝條件：鹽酸與氯化銨物質(zhì)的量比為4.32、浸取時間為104 min、浸取溫度為33℃，鍶浸取率的理論預(yù)測值為95.32%。在上述工藝條件下，實驗驗證結(jié)果見表7。

表7 驗證鍶浸取率實驗結(jié)果

由表7可知，重復(fù)實驗4次，所得到的鍶浸取率平均值為95.15%，標準偏差為0.146 2，相對標準偏差為0.153 7%，表明建立的響應(yīng)面優(yōu)化分析法精密度高，重復(fù)性好，實驗值與理論預(yù)測值95.32%基本吻合，也進一步闡明了響應(yīng)面優(yōu)化方法的可靠性。

3 結(jié)論

1）本實驗是在前期單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用3因素3水平的Box-BehnKen響應(yīng)面分析法對碳酸鍶鍶渣鹽酸-氯化銨鍶浸取工藝進行了優(yōu)化，確定出最優(yōu)浸取鍶工藝條件。在鹽酸與氯化銨物質(zhì)的量比為4.32、浸取時間為104 min、浸取溫度為33℃的最優(yōu)工藝條件下，重復(fù)實驗4次，所得到的鍶浸取率平均值為95.15%，標準偏差為0.146 2，相對標準偏差為0.153 7%，表明建立的響應(yīng)面優(yōu)化分析法精密度高，重復(fù)性好，實驗值與理論預(yù)測值95.32%基本吻合，也進一步闡明了響應(yīng)面優(yōu)化方法的可靠性。2）通過研究可知，所選因素對鍶浸取率影響由大到小順序為：浸取時間、鹽酸-氯化銨物質(zhì)的量比、浸取溫度。浸取時間和鹽酸-氯化銨物質(zhì)的量比是影響鍶浸取率的主要因素，該研究以期為鍶渣中鍶資源的回收利用提供參考。