当前位置:首页 期刊杂志

低品位软锰矿高压低浓度碱浸预脱硅

时间:2024-09-03

冯雅丽,郭成林,李浩然

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2.中国科学院过程工程研究所生化国家重点实验室,北京 100080)

0 前言

我国锰矿资源主要为碳酸锰矿和氧化锰矿,虽然总体储量丰富,但高品位锰矿仅占6.4%[1]。随着近年来对锰资源需求的不断增长以及富矿资源的日益匮乏,尤其是大量低品位氧化锰矿资源亟待开发利用[2]。我国低品位软锰矿具有高硅、高铁、高磷及嵌布粒度细等特点,传统物理选矿方法难对其高效回收利用,传统的洗矿、重选工艺越来越难以满足矿石分选要求,而单一的强磁选、浮选工艺对于低品位氧化矿的分选效果也不理想,联合流程复杂难操作[3-4]。尽管随着各种高性能磁选机、浮选机的研制成功,品位及回收率虽然有所提升,但是对于细粒锰矿的选矿效果仍然较差,很大程度上造成了锰矿物的损失[5]。针对原矿中含有大量硅质脉石的特点,采用碱浸法将其脱除,可在有效提高原矿品位的同时制得硅酸钠溶液(水玻璃)[6]。目前碱浸脱硅方法多在常压下进行,但常压碱浸获得水玻璃模数普遍偏低,且常压低浓度碱浸浸出周期长,浸出率低;常压高浓度碱浸易结痂,矿浆粘稠难过滤,对设备要求高[7-9]。本实验在高温高压下利用低浓度碱浸进行脱硅预处理,通过正交实验及单因素实验对高压碱浸工艺进行优化,可在获得较高脱硅率的同时制得较高模数的水玻璃溶液,从而提高氢氧化钠利用率并获得附加产品,提高原矿综合利用率。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所用软锰矿取自贵州某锰矿,其主要化学成分及X射线衍射分析分别见表1和图1。

表1 原矿主要化学组成(质量分数)/%

图1 低品位软锰矿的XRD

由表1和图1可以看出:该矿石中的锰以MnO2形式存在,含有部分赤铁矿,主要脉石矿物为石英。

1.2 实验方法

将烘干后软锰矿经锤式破碎机破碎至<8 mm后,再经棒磨机磨细至<0.074 mm占80%,取40 g物料加入高压釜,并往高压釜中加入分析纯NaOH,用去离子水稀释至设定浓度。

高压釜炉体加热到指定温度后,将高压釜釜体放入炉体中开始计时,反应指定时间后从取料口取料,反应完成后通冷凝水冷却,为保证各实验点间具有可比性,控制冷凝水流量以使每次实验的高压釜降温速率相同,降至室温,过滤,测定浸出液中水玻璃模数[10-11],并用硅钼蓝分光光度法测定滤液中的Si含量[12],计算 SiO2浸出率。

2 结果与讨论

低品位软锰矿高压碱浸过程主要化学反应:

式中 n——硅酸钠模数,SiO2与Na2O含量比。

在碱浸脱硅过程中,所生成硅酸钠(Na2O·nSiO2)模数越高,则浸出单位SiO2所消耗NaOH量越少,NaOH利用率越高,分综合模数及脱硅率两个指标,实验采用加权值来评价工艺条件,加权值=脱硅率/2+(模数/3)×50,该加权值越大则NaOH利用率越高,浸出效果越好。

2.1 正交实验

为探究低品位软锰矿高压碱浸脱硅过程中各因素对脱硅率的影响,通过4因素4水平L16(44)正交实验,考察了浸出温度、NaOH浓度、液固比、反应时间对水玻璃模数、SiO2浸出率及加权值的影响,并确定了最佳浸出条件,正交实验方案及结果分析见表2。

表2 正交实验方案及结果分析

根据表2中各因素均值和极差,各因素对模数影响主次顺序为NaOH浓度>浸出温度>反应时间>液固比,最佳条件为A4B2C1D3;各因素对SiO2浸出率影响大小顺序为NaOH浓度>液固比>反应时间>浸出温度,最佳条件为A4B4C4D3;综合考虑脱硅率及模数的影响选定最佳条件为A4B3C3D3,即浸出温度190℃,NaOH 浓度15%、液固比2.5∶1,反应时间4 h。

2.2 单因素实验

2.2.1 浸出温度的影响

在NaOH初始浓度15%、液固比2.5∶1,反应4 h条件下,考察浸出温度对SiO2浸出率及模数的影响,结果如图2所示。

图2 浸出温度对SiO2浸出率及水玻璃模数的影响

由图2可以看出:随温度升高,SiO2浸出率及模数均有上升趋势,温度升高使更多分子越过势垒成为活化分子,且加剧分子热运动,增大了扩散速率,从而促进SiO2的浸出。温度从140℃升高到190℃,SiO2浸出率仅提高14.8%,说明温度对SiO2浸出作用较小,与正交实验结果吻合。浸出温度170℃时,所得浸液中水玻璃模数为1.95,继续提高温度,模数升高较小,根据浸出率及模数加权值综合考虑温度对SiO2浸出率及模数的影响,选择浸出温度170℃为最佳实验温度。

2.2.2 NaOH 初始浓度的影响

在浸出温度170℃,液固比2.5∶1,反应4 h条件下,考察NaOH初始浓度对SiO2浸出率及模数的影响,结果如图3所示。

图3 NaOH初始浓度对SiO2浸出率及水玻璃模数的影响

由图3可以看出:随NaOH初始浓度升高,SiO2浸出率增大,而生成硅酸钠的模数降低,在NaOH初始浓度>15%时脱硅曲线趋于平缓,模数保持下降趋势。这是由于NaOH浓度升高使体系中OH-活性增大,利于脱硅反应的传质过程,从而促进SiO2浸出;NaOH浓度升高必然使溶液中NaOH量增加,软锰矿用量一定即SiO2量不变时,当NaOH量增加则分子式Na2O·nSiO2中模数n就会下降。在NaOH浓度15%时,SiO2浸出的加权值最大,NaOH利用率最高。

2.2.3 液固比的影响

在浸出温度170℃、NaOH初始浓度15%,反应4 h条件下,考察液固比对SiO2浸出率及模数的影响,结果如图4所示。

图4 液固比对SiO2浸出率及水玻璃模数的影响

由图4可以看出:随液固比增大,SiO2浸出率升高,浸液中水玻璃模数降低。这是由于增大液固比在一定范围内可降低矿浆粘度,提高矿浆的流动性,增加游离OH-量,一定程度上增加了与SiO2接触几率,从而改善传质、传热性能,利于SiO2溶出,当液固比增加到2.5∶1时,矿浆传质传热不再受阻,继续增加液固比SiO2浸出率增幅变小;因NaOH初始浓度相同,增大液固比会使体系中NaOH量增加,也导致分子式Na2O·nSiO2中模数n下降。对浸出率及模数加权平均,在液固比2.5∶1时达到最大值。

2.2.4 反应时间的影响

在浸出温度170℃、NaOH初始浓度15%,液固比2.5∶1时,考察反应时间对SiO2浸出率及模数的影响,结果如图5所示。

图5 反应时间对SiO2浸出率及水玻璃模数的影响

由图5可以看出:随反应时间增加,SiO2浸出率增大,所生成硅酸钠的模数增加。在反应前4 h浸出率增速较快,4 h后继续延长时间对SiO2的浸出率影响不大,所生成硅酸钠模数与SiO2浸出率趋势相同。

3 结论

对低品位软锰矿进行高压碱浸,可在低浓度NaOH溶液中有效脱除原矿中SiO2的同时获得较高模数硅酸钠,从而提高NaOH利用率。通过正交实验及单因素实验得到优化工艺条件为:浸出温度170℃,NaOH 初始浓度 15%,液固比 2.5∶1,浸出4 h,在此条件下SiO2浸出率81.4%,同时可得模数为1.95的硅酸钠溶液。

[1]徐昱,王建平,吴景荣,等.我国锰资源存在的问题及可持续开发对策[J].矿业研究与开发,2013(3):111-115.

[2]Cai Zhenlei,Feng Yali,Li Haoran,et al.Co-recovery of manganese from low-grade pyrolusite and vanadium from stone coal using fluidized coupling technology[J].Hydrometallurgy,2013(131):40-45.

[3]张风平,徐本军.我国氧化锰矿石选矿工艺研究现状[J].湿法冶金,2014(2):79-81.

[4]朱超英,易峦,解振朝,等.某难选锰矿选矿工艺试验研究[J].金属材料与冶金工程,2014(2):50-54.

[5]杨志超.菱锰矿浮选及制备四氧化三锰的研究[D].北京:北京科技大学,2014.

[6]Xiao Qinggui,Chen Yin,Gao Yiying,et al.Leaching of silica from vanadium-bearing steel slag in sodium hydroxide solution[J].Hydrometallurgy,2010(104):216-221.

[7]杨波,王京刚,张亦飞,等.常压下高浓度NaOH浸取铝土矿预脱硅[J].过程工程学报,2007,7(5):922-927.

[8]王佳东,申晓毅,翟玉春.碱溶粉煤灰提硅工艺条件的优化[J].矿产综合利用,2010(4):42-43.

[9]陈超,韦萍,栗海锋,等.常压碱溶法提取软锰矿酸浸渣中的硅[J].无机盐工业,2012,44(9):36-38.

[10]汪华方,樊自田.水玻璃模数快速测定方法的改进[J].理化检验(化学分册),2008(1):47-49.

[11]徐冬梅,仝宇,田维亮,等.水玻璃组成快速测定方法改进[J].广东化工,2010(2):126-127.

[12]李海燕,孙宝莲,禄妮,等.加压氧化钼精矿浸出液中硅的测定[J].稀有金属材料与工程,2011,40(2z):124-126.

免责声明

我们致力于保护作者版权,注重分享,被刊用文章因无法核实真实出处,未能及时与作者取得联系,或有版权异议的,请联系管理员,我们会立即处理! 部分文章是来自各大过期杂志,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!