楊鳳玲，侯貴華

(鹽城工學(xué)院 江蘇省生態(tài)環(huán)境材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鹽城 224051)

利用高硅鐵尾礦制備氧化鐵及二氧化硅微粉

楊鳳玲，侯貴華

(鹽城工學(xué)院 江蘇省生態(tài)環(huán)境材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鹽城 224051)

采用酸浸法處理高硅鐵尾礦，制備工業(yè)原料Fe2O3和SiO2微粉。最佳工藝條件為:反應(yīng)溫度100℃，反應(yīng)時(shí)間90 min，鐵尾礦中位粒徑6.19 μm，鹽酸體積分?jǐn)?shù)60%。在上述最佳條件下，制備的SiO2產(chǎn)率(所得產(chǎn)品中SiO2的質(zhì)量占原鐵尾礦中SiO2質(zhì)量的比例，下同)達(dá)98.2%，品質(zhì)達(dá)到Y(jié)B/T 115—2004《不定形耐火材料用二氧化硅微粉》中SF96牌號(hào)的要求;制備的Fe2O3產(chǎn)率為78.8%，品質(zhì)符合GB1863—89《氧化鐵紅顏料》的要求。

高硅鐵尾礦;分離;二氧化硅;氧化鐵;綜合利用

鐵尾礦是鋼鐵工業(yè)排放的固體廢棄物。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)累計(jì)堆存的鐵尾礦已高達(dá)5×109t左右，而且隨著鐵礦產(chǎn)能的不斷提高，鐵尾礦堆存量正以5×108t/a的速率增長(zhǎng)［1］。鐵尾礦的堆存既占用耕地、污染環(huán)境，又需投入大量的資金去維護(hù)。目前，我國(guó)鐵尾礦的綜合利用率僅為7%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家60%的利用率［2］，因此研究鐵尾礦的綜合利用十分重要［3－6］。高硅鐵尾礦主要由硅質(zhì)和鐵質(zhì)成分組成，其中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)70%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為17%，雜質(zhì)含量低。另一方面，F(xiàn)e2O3和SiO2微粉均是重要的工業(yè)原料，它們的常規(guī)制備方法工藝復(fù)雜、能耗大、成本高。

本工作以高硅鐵尾礦為原料，采用簡(jiǎn)單的酸處理工藝，將其中的硅和鐵分離，制備工業(yè)原料Fe2O3和SiO2微粉，從而為高硅鐵尾礦的綜合利用提供有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

實(shí)驗(yàn)用試劑均為分析純。

實(shí)驗(yàn)用高硅鐵尾礦取自遼寧某鋼鐵集團(tuán)公司，主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，鐵尾礦中SiO2和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70.38%和17.25%，總和達(dá)87.63%。由此可見(jiàn)，將SiO2和Fe2O3分離出來(lái)后，少量含Al2O3的廢渣可再分離利用，由鐵尾礦制備Fe2O3和SiO2的工藝不會(huì)產(chǎn)生二次工業(yè)廢渣。

表1 鐵尾礦的主要化學(xué)組成 w，%

QM－3SP2型行星式球磨機(jī):南京大學(xué)儀器廠;QANTA 200型掃描電子顯微鏡(SEM):美國(guó)Fei公司;ADVANT’XP型X射線熒光光譜儀:瑞士ARL公司;BT－9300S型激光粒度分析儀:丹東百特儀器有限公司;Y500型X射線衍射(XRD)儀:丹東射線集團(tuán)公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將高硅鐵尾礦置于行星式球磨機(jī)中粉磨一定時(shí)間后置于反應(yīng)容器中(當(dāng)設(shè)定的反應(yīng)溫度低于100℃時(shí)，用帶有回凝冷卻管的錐形瓶作為反應(yīng)裝置;反應(yīng)溫度大于等于100℃時(shí)，用帶聚四氟乙烯襯里的反應(yīng)罐作為反應(yīng)器)，按照V(鹽酸)∶m(鐵尾礦)為4的比例加入一定體積分?jǐn)?shù)的鹽酸［7－11］。反應(yīng)一段時(shí)間后，進(jìn)行過(guò)濾分離。

將濾餅洗至中性后烘干，研磨成粉末。在濾液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%的濃氨水，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)后得到氫氧化鐵膠體前驅(qū)物。將其轉(zhuǎn)入反應(yīng)罐中，在一定溫度下進(jìn)行水熱反應(yīng)。將反應(yīng)粗產(chǎn)物過(guò)濾、洗滌后，于105℃干燥2 h得Fe2O3粗產(chǎn)物。將其于800～850 ℃煅燒2 h，冷卻后粉碎，得到 Fe2O3產(chǎn)品［12］。

1.3 分析方法

采用SEM觀察試樣的微觀形貌;采用鐵礦石化學(xué)成分分析法測(cè)定濾液中的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)［13］;采用X射線熒光光譜儀分析酸浸渣中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);采用激光粒度分析儀測(cè)定試樣的中位粒徑;采用XRD儀分析Fe2O3產(chǎn)品的礦物組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦的組成和顯微結(jié)構(gòu)

鐵尾礦中α－石英和赤鐵礦的分布情況對(duì)鐵尾礦分離制備SiO2和Fe2O3的方法選擇至為重要。鐵尾礦的SEM照片見(jiàn)圖1。

圖1 鐵尾礦的SEM照片

由圖1a和圖1c可見(jiàn):α－石英呈暗色，而赤鐵礦呈白色;少量的赤鐵礦存在于石英粒子的表層，且兩者界面無(wú)明顯的間隙。由此可見(jiàn)，赤鐵礦與石英粒子相互膠結(jié)得較緊密，會(huì)對(duì)分離造成一定困難。由圖1b可見(jiàn)，赤鐵礦粒子突出于α－石英的表面。這可能是由于α－石英硬度高、易磨性差，而赤鐵礦易磨性好，所以在破碎時(shí)α－石英潰裂，暴露出了內(nèi)部的赤鐵礦。因此，可以采取機(jī)械研磨的方法增大鐵尾礦的比表面積，使內(nèi)部赤鐵礦更多地暴露出來(lái)，從而提高鐵尾礦酸浸的分離效果。

2.2 鹽酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在反應(yīng)溫度為100℃、反應(yīng)時(shí)間為120 min、鐵尾礦中位粒徑為6.19 μm的條件下，鹽酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn):隨鹽酸體積分?jǐn)?shù)的增加，濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大;當(dāng)鹽酸體積分?jǐn)?shù)大于40%時(shí)，濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加趨緩;當(dāng)鹽酸體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值。

圖2 鹽酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在反應(yīng)時(shí)間為 120 min、鐵尾礦中粒徑為6.19 μm、鹽酸體積分?jǐn)?shù)為60%的條件下，反應(yīng)溫度對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn):隨反應(yīng)溫度的升高，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加;當(dāng)反應(yīng)溫度升至100℃以上時(shí)，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨于平緩。這是因?yàn)?，隨反應(yīng)溫度的升高，粒子運(yùn)動(dòng)速率加快，反應(yīng)速率增加，分離效果明顯提高;但是當(dāng)反應(yīng)溫度升至一定程度時(shí)，由于α－石英與赤鐵礦之間膠結(jié)得比較緊密，繼續(xù)升高反應(yīng)溫度對(duì)兩者的分離促進(jìn)作用不再顯著。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在反應(yīng)溫度為100℃、鐵尾礦中位粒徑為6.19 μm、鹽酸體積分?jǐn)?shù)為60%的條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn):隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于90 min時(shí)，濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.5 鐵尾礦中位粒徑對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在反應(yīng)溫度為100℃、反應(yīng)時(shí)間為90 min、鹽酸體積分?jǐn)?shù)為60%的條件下，鐵尾礦中位粒徑對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn):隨著鐵尾礦中位粒徑的增加，濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小;當(dāng)鐵尾礦中位粒徑為6.19 μm時(shí)，濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，可達(dá)18.05%。

這是因?yàn)闇p小固體顆粒的粒徑，既可增加固液傳質(zhì)表面積，又可縮短酸液和鐵離子擴(kuò)散的路徑，減小相對(duì)擴(kuò)散阻力，從而提高分離效率。因此，適當(dāng)減小固體顆粒的粒徑有利于分離效率的提高。但當(dāng)固體顆粒粒徑過(guò)小時(shí)，粒子易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，增加固液分離的難度，導(dǎo)致分離效率下降。

圖5 鐵尾礦中位粒徑對(duì)濾液中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.6 酸浸渣的分析

鐵尾礦分離后酸浸渣的化學(xué)組成見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，酸浸渣中 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)96.66%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)低至0.08%。酸浸渣的中位粒徑為6.48 μm，品質(zhì)基本符合我國(guó)黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 115—2004《不定形耐火材料用二氧化硅微粉》［14］中 SF96牌號(hào)的要求，可直接作為 SiO2微粉應(yīng)用于不定形耐火材料工業(yè)。

表2 鐵尾礦分離后酸浸渣的化學(xué)組成 w，%

在上述最佳實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)鐵尾礦進(jìn)行硅鐵分離，SiO2的產(chǎn)率(所得酸浸渣中SiO2的質(zhì)量占原鐵尾礦中SiO2質(zhì)量的比例，下同)可達(dá)98.2%。

2.7 Fe2O3鐵產(chǎn)品的分析

Fe2O3產(chǎn)品的XRD譜圖見(jiàn)圖6。

圖6 Fe2O3產(chǎn)品的XRD譜圖

由圖6可見(jiàn)，F(xiàn)e2O3產(chǎn)品的主要成分為Fe2O3，其他雜質(zhì)含量較少。Fe2O3產(chǎn)品中Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)85%，品質(zhì)滿足 GB1863—89《氧化鐵紅顏料》［15］的要求，可直接應(yīng)用于涂料、油漆和建筑等工業(yè)。在上述最佳條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)e2O3的產(chǎn)率可達(dá)78.8%。

3 結(jié)論

a)采用酸浸法處理高硅鐵尾礦，將其中的硅和鐵分離，制備工業(yè)原料Fe2O3和SiO2微粉。最佳工藝條件為:反應(yīng)溫度100℃，反應(yīng)時(shí)間90 min，鐵尾礦中位粒徑6.19 μm，鹽酸體積分?jǐn)?shù)60%。

b)最佳工藝條件下，酸浸法分離鐵尾礦后通過(guò)水熱反應(yīng)得到Fe2O3產(chǎn)品，F(xiàn)e2O3的產(chǎn)率為78.8%。該產(chǎn)品中 Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%，其品質(zhì)符合GB1863—89《氧化鐵紅顏料》的要求，可直接應(yīng)用于涂料、油漆和建筑等工業(yè)。

c)最佳工藝條件下，鹽酸分離鐵尾礦制備SiO2的產(chǎn)率可達(dá)98.2%。酸浸渣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)96.66%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)低至0.08%。酸浸渣的中位粒徑為6.48 μm，品質(zhì)達(dá)到 YB/T 115—2004《不定形耐火材料用二氧化硅微粉》中SF96牌號(hào)的要求。

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Preparation of Iron Oxide and Silica Powders from High Silicon Iron Tailings

Yang Fengling，Hou Guihua

(Key Laboratory for Ecological Environment Materials of Jiangsu Province，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China)

High silicon iron tailings were treated by acid leaching process to prepare Fe2O3and SiO2powders，which can be used as industrial materials.The optimum process conditions are as follows:reaction temperature 100 ℃，reaction time 90 min，median diameter of iron tailings 6.19 μm，volume fraction of hydrochloric acid 60%.Under these conditions，the yield of SiO2product(the mass ratio of SiO2in the product to that in the iron tailings)is 98.2%，and its quality can meet the standard of YB/T 115－2004 for sign SF96;the yield of Fe2O3product is 78.8%，and its quality can meet the standard of GB1863－89.

high silicon iron tailings;separation;silica;iron oxide;comprehensive utilization

TD98

A

1006－1878(2011)03－0248－04

2010－11－03;

2011－01－04。

楊鳳玲(1978—)，女，江蘇省寶應(yīng)縣人，碩士，講師，主要從事固體廢物資源化與生態(tài)環(huán)境材料等方面的研究工作。電話13961973690，電郵 yangfl1978@sina.com。

江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(08KJA43009);江蘇省生態(tài)環(huán)境材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(XKY2010010)。

(編輯 王 馨)