師兆忠，占桂榮

（開(kāi)封大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河南開(kāi)封 475004）

環(huán)境·健康·安全

硫酸浸取硫鐵礦燒渣工藝條件的優(yōu)化*

師兆忠，占桂榮

（開(kāi)封大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河南開(kāi)封 475004）

對(duì)硫酸浸取硫鐵礦燒渣反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了影響浸取反應(yīng)的影響因素。主要考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、硫酸濃度及硫酸用量過(guò)量系數(shù)對(duì)鐵浸出率的影響，通過(guò)4因素4水平正交試驗(yàn)得出各種影響因素的極差值依次為：反應(yīng)溫度（0.212）、時(shí)間（0.075 5）、過(guò)量系數(shù)（0.062 5）、濃度（0.057 7），其中溫度影響最為顯著。優(yōu)化的工藝條件溫度為100℃、時(shí)間為3 h、過(guò)量系數(shù)為1.05、濃度為8 mol/L，實(shí)際操作中由于溫度在100℃時(shí)不便于控制，可以采用微加壓更有利于浸出率的提高。

硫鐵礦燒渣；硫酸；正交試驗(yàn)；浸取

硫鐵礦燒渣是以硫鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸時(shí)產(chǎn)生的殘?jiān)?，其主要成分為氧化鐵和四氧化三鐵。中國(guó)每年平均排放硫鐵礦燒渣約1×107t，由于其含有硫等雜質(zhì)及氧化鐵品位偏低等原因，故硫鐵礦燒渣很難直接用作煉鐵的原料，其主要用于顏料和凈水劑的生產(chǎn)。目前，關(guān)于硫鐵礦燒渣的利用研究很多［1-7］。筆者在參考前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化影響浸出反應(yīng)的工藝條件，研究了硫酸浸取硫鐵礦燒渣的反應(yīng)過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及原料

硫酸 （AR），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%；蒸餾水；鹽酸（AR），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%；氯化亞錫溶液，50 g/L；甲基橙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的水溶液；二苯胺磺酸鈉，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的水溶液；硫磷混酸：將150 mL濃硫酸緩慢加入700 mL蒸餾水中，冷卻后，加入150 mL磷酸，搖勻。

硫鐵礦燒渣（安徽銅陵化學(xué)工業(yè)集團(tuán)公司），主要化學(xué)組成為：w（Fe）=48.94%、w（酸不溶物）= 13.9%、w（Al2O3）=0.64%、w（Cu）=0.35%、w（S）= 1.3%、w（CaO）=3.6%。粒度分布見(jiàn)表1。

表1 硫鐵礦燒渣粒度分布

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱(chēng)取30 g硫鐵礦燒渣放入250 mL三頸瓶中，按照化學(xué)計(jì)量關(guān)系加入一定濃度的硫酸，以400 r/min的速率攪拌［8］，控制反應(yīng)在一定溫度下進(jìn)行。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)物料用布氏漏斗抽濾，用蒸餾水洗凈，將濾餅置于干燥箱中，于110℃±2℃下干燥2 h。冷卻至室溫，稱(chēng)量濾餅質(zhì)量，分析總鐵含量，按下式計(jì)算鐵的浸出率（%）：

式中，m燒渣為硫鐵礦燒渣的質(zhì)量，g；w（Fe）燒渣為硫鐵礦燒渣中總鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m濾餅為濾餅質(zhì)量，g；w（Fe）濾餅為濾餅中總鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.3 分析方法［9］

準(zhǔn)確稱(chēng)取1g左右硫鐵礦燒渣（精確至0.000 2 g）置于 250 mL燒杯中，加少量蒸餾水潤(rùn)濕，再加20 mL濃鹽酸，蓋上表面皿，加熱至微沸，保持1min，冷卻后，轉(zhuǎn)移至250mL容量瓶中，吸取25.00 mL清液于250 mL錐形瓶中，加入8 mL濃鹽酸，加熱至微沸，趁熱滴加6滴甲基橙，然后逐滴加入氯化亞錫，同時(shí)劇烈搖動(dòng)至紅色剛剛褪去，迅速用流水冷卻錐形瓶，加入50 mL蒸餾水和20 mL硫磷混酸，加入4滴二苯胺磺酸鈉指示劑，用濃度為0.05 mol/L的K2Cr2O7溶液滴定至溶液呈穩(wěn)定的紫紅色為止，同時(shí)做平行樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響浸出率的因素優(yōu)化

硫酸浸取硫鐵礦燒渣反應(yīng)屬于液固相反應(yīng)，影響因素主要包括液固質(zhì)量比（簡(jiǎn)稱(chēng)液固比）、攪拌速度、硫酸濃度、硫酸過(guò)量系數(shù)、溫度、時(shí)間。文獻(xiàn)［8］、［10］分別對(duì)攪拌速度和液固比進(jìn)行了研究，并得到適宜的工藝條件（400 r/min、液固比小于4.7）。因此，筆者以浸出率為考察指標(biāo)，對(duì)硫酸濃度、硫酸過(guò)量系數(shù)、溫度、時(shí)間4個(gè)因素采用L16（44）正交試驗(yàn)進(jìn)行研究，正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析見(jiàn)表2。

由表2可知，對(duì)浸出率影響因素大小順序依次為：溫度（0.212）>浸取時(shí)間（0.075 5）>硫酸過(guò)量系數(shù)（0.062 5）>硫酸濃度（0.057 7）。除溫度影響較為顯著外，其他3個(gè)因素影響相近，得到優(yōu)化的工藝條件：溫度為100℃、浸取時(shí)間為3 h、硫酸過(guò)量系數(shù)為1.05、硫酸濃度為8 mol/L，實(shí)際操作中由于溫度在100℃時(shí)不便于控制，通過(guò)微加壓可有助于浸出率的提高。

2.2 各因素對(duì)浸出率的影響

2.2.1不同溫度下反應(yīng)時(shí)間和濃度對(duì)浸出率的影響

1）反應(yīng)時(shí)間。硫酸過(guò)量系數(shù)為1.05，濃度為6 mol/L（濃度高且反應(yīng)時(shí)間偏短時(shí)，料漿物性差，不易過(guò)濾），溫度依次為60、70、80、90℃，選擇反應(yīng)時(shí)間分別為60、90、120、150、180 min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，浸出率變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)溫度一定時(shí)，反應(yīng)前期浸出速度較快，150 min后反應(yīng)速率趨緩；當(dāng)其他反應(yīng)條件一定時(shí)，隨著溫度升高，浸出率明顯增加。

表2 L16（44）正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

2）硫酸濃度。硫酸過(guò)量系數(shù)為1.05，反應(yīng)時(shí)間為2 h，溫度依次為60、70、80、90、100℃，選擇濃度分別為5、6、7、8 mol/L進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，浸出率變化趨勢(shì)如圖2。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著硫酸濃度升高，浸出率增加，且基本呈均勻增加態(tài)勢(shì)。但考慮到反應(yīng)料漿的物性，應(yīng)適當(dāng)控制硫酸濃度。

2.2.2 不同濃度和時(shí)間下溫度對(duì)浸出率的影響

1）硫酸濃度。硫酸過(guò)量系數(shù)為1.05，反應(yīng)時(shí)間為2 h，硫酸濃度依次為5、6、7、8 mol/L，分別在60、70、80、90℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)硫酸濃度一定時(shí)，浸出率隨著溫度的升高而增加，且增幅較大，說(shuō)明溫度對(duì)浸取反應(yīng)影響較大；與2.2.1（1）節(jié)結(jié)論一致；同一溫度下，隨著硫酸濃度增加，浸出率呈上升趨勢(shì)，但幅度明顯小于溫度的影響。

2）反應(yīng)時(shí)間。硫酸過(guò)量系數(shù)為1.05，硫酸濃度為8 mol/L，反應(yīng)時(shí)間依次為1、1.5、2、2.5、3 h，分別在60、70、80、90℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，在硫酸濃度一定時(shí)，浸出率隨著溫度的升高而增加，且浸出率增幅較大，說(shuō)明溫度對(duì)浸取反應(yīng)影響較大；溫度一定時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加浸出率小幅增加，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)3 h時(shí)，浸出率增加不明顯。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)影響硫酸浸取硫鐵礦燒渣浸出率因素進(jìn)行正交試驗(yàn)表明：反應(yīng)溫度的影響最顯著，硫酸濃度、反應(yīng)時(shí)間、過(guò)量系數(shù)對(duì)浸出率的影響依次減弱。

2）優(yōu)化的工藝條件：溫度為100℃、時(shí)間為3 h、過(guò)量系數(shù)為1.05、硫酸濃度為8 mol/L，實(shí)際操作中可以采用加壓方式提高溫度，有利于浸出率的提高。

［1］陳永亮，陳吉春.以硫鐵礦燒渣制備聚合硫酸鐵的新工藝［J］.資源環(huán)境與工程，2006，20（4）：467-469，481.

［2］龔竹青，龔勝，周波，等.硫鐵礦燒渣制取海綿鐵的工藝研究［J］.礦冶工程，2006，26（4）：45-48，55.

［3］楊華明，占?jí)巯?，李建?硫鐵礦燒渣提純制鐵精礦的試驗(yàn)研究［J］.化工礦物與加工，2002（3）：4-6，28.

［4］李保民，周淑文，劉春梅，等.利用硫鐵礦燒渣生產(chǎn)氧化鐵紅的研究［J］.煤炭加工與綜合利用，1996，（1）：34-37.

［5］張順利，馬同森，吳志申，等.硫鐵礦燒渣制備氧化鐵黃和氧化鐵紅［J］.化學(xué)研究，1999，10（1）：47-50.

［6］商志民，宋保山，李留記.硫鐵礦燒渣制磚的試驗(yàn)［J］.硫酸工業(yè)，1989（4）：51-56.

［7］侯長(zhǎng)軍，霍丹群，朱德華.硫鐵礦廢渣酸浸制硫酸亞鐵還原工藝［J］.四川化工，1996（1）：13-15.

［8］師兆忠.硫酸氫銨分解磷礦石動(dòng)力學(xué)研究［J］.化學(xué)工程，2009，37（6）：33-36.

［9］余振寶，姜桂蘭.分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：61.

［10］楊聲海，唐謨堂，張凱，等.高硅硫鐵礦燒渣浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué)機(jī)理［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32（6）：583-586.

Study on optimization of leaching conditions of pyrite cinder with sulphuric acid

Shi Zhaozhong，Zhan Guirong
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Kaifeng University，Kaifeng 475004，China）

An experimental study on leaching reaction between pyrite cinder and sulfuric acid was carried out.Effects of reaction temperature and time，sulphuric acid concentration and excess coefficient on Fe leaching rate were investigated.On the basis of orthogonal experiments of four factors and three levels，the range values of various factors followed by reaction temperature（0.212），reaction time（0.075 5），excess coefficient（0.062 5），and concentration（0.057 7），of which the temperature was the most impactive factor.The optimized conditions were：reaction temperature of 100℃，reaction time of 3 h，excess coefficient of 1.05，and sulphuric acid concentration of 8 mol/L.As it was difficult to operate at 100℃in actual operation，micro-pressure could be applied to improve the leaching rate.

pyrite cinder；sulphuric acid；orthogonal experiment；leaching

TQ138.11

A

1006-4990（2012）11-0042-03

河南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2008C530001）。

2012-05-13

師兆忠（1968— ），男，教授，博士，主要從事無(wú)機(jī)化工礦物加工工藝及固體廢棄物處理研究工作。

聯(lián)系方式：haike1015@sina.com