楊 梅, 陳啟凡, 吳曉杰

(遼東學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 丹東 118003)

?

鹽酸法浸取硼泥制備精制氯化鎂的研究

楊 梅, 陳啟凡, 吳曉杰

(遼東學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 丹東 118003)

以鹽酸浸取硼泥實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),研究了浸取過(guò)程中的試驗(yàn)條件,最終確定一套經(jīng)濟(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案。首先,通過(guò)X熒光光譜分析對(duì)硼泥的化學(xué)成分進(jìn)行了定量定性分析,明確了其中各種氧化物的成分;其次,研究了鹽酸用量(30、40、50、60、70 mL)、酸浸溫度(50、60、70、80、90、100 ℃)、酸浸時(shí)間(15、25、35、45、55 min)對(duì)硼泥中氧化鎂浸出率的影響。結(jié)果表明:最佳工藝條件為1∶1的鹽酸加入量為50 mL、酸浸時(shí)間為35 min、反應(yīng)的溫度為80 ℃,這種生產(chǎn)工藝的效率最高,氧化鎂的溶出率達(dá)到了96.07%。

鹽酸浸取; 硼泥; 氯化鎂; 廢棄物再利用

0 引 言

硼泥是以硼鎂礦為原料,利用碳?jí)A法生產(chǎn)硼酸、硼砂等硼化工產(chǎn)品時(shí)產(chǎn)生的廢棄物,一般生產(chǎn)1噸硼砂會(huì)產(chǎn)生3～4噸的硼泥。目前我國(guó)硼泥的堆積量已達(dá)2 500萬(wàn)噸以上,并且以每年200萬(wàn)噸的速度增長(zhǎng)。硼泥已成為數(shù)量巨大的二次資源,若不充分利用,不僅是一種浪費(fèi),而且大量堆積的硼泥,會(huì)占用耕地、污染環(huán)境等。目前在遼寧、青海、吉林等地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)大量的堆積,造成很?chē)?yán)重的環(huán)境污染[1]。

硼泥因原料和生產(chǎn)工藝的不同,其物理性質(zhì)和化學(xué)組成會(huì)有些差別。硼泥大多呈淺紅色,表面為疏松的無(wú)規(guī)則顆粒,顆粒較細(xì),有約80%的顆?？梢酝ㄟ^(guò)200目篩,有較好的可塑性,質(zhì)硬但有一定黏性,手感細(xì)膩潤(rùn)滑,其主要化學(xué)組分為MgO(30%～45%)、SiO2(20%～35%)、Fe2O3(10%～20%)、B2O3(1.5%～6%)以及少量CaO、Na2O等[2]。

目前,國(guó)內(nèi)外已對(duì)硼泥利用開(kāi)展了相關(guān)研究,主要研究集中在以下幾個(gè)方面:1)制成鎂鹽產(chǎn)品,例如制成MgCO3、MgO,與傳統(tǒng)的輕質(zhì)的MgCO3生產(chǎn)方式相比,由于原料硼泥為廢棄物,并且符合國(guó)家治理“三廢”的政策,其產(chǎn)品的價(jià)格將具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);2)制磚,硼泥可以和黃土、爐灰按照一定比例混合進(jìn)行燒磚;3)制砌筑砂漿及混凝土,用一定量的硼泥和水泥混合制得的硼泥混合砂漿可以在建筑上取代石灰和部分水泥;4)制微量元素肥料;5)制污水處理劑;6)制燒結(jié)礦的抗粉化劑;7)制微晶玻璃;8)燒制耐火材料[3-14]等方面,硼泥綜合開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵是溶出其中的氧化鎂組分,以生產(chǎn)氫氧化鎂、碳酸鎂等制品[15-18]。本論文將以遼寧省丹東市某化工廠的硼泥為原料,經(jīng)過(guò)鹽酸的浸取和氨水除雜等過(guò)程來(lái)獲得純度較好的氯化鎂。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本研究所用實(shí)驗(yàn)原料為硼泥、鹽酸、氯化銨、30%過(guò)氧化氫,硼泥取自于丹東市某化工廠,其化學(xué)成分是通過(guò)德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的X光射線熒光光譜儀(SRS-3400型)定量分析而得到的結(jié)果,主要化學(xué)組成w(MgO)=52.1%;w(SiO2)=27.8%;w(Al2O3)=4.65%;w(B2O3)=4.5%;w(CaO)=5.69%;w(Na2O)=1.41%;w(K2O)=0.56%;w(TiO2)=0.49%,w(其他)=2.8%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電子分析天平;智能數(shù)顯恒溫水浴鍋;集熱式恒溫加熱磁力攪拌棒;熱電恒溫鼓風(fēng)干燥箱;循環(huán)水真空泵;數(shù)顯精密增力電動(dòng)攪拌棒;三口燒瓶;堿式滴定管;漏斗;鐵架臺(tái);濾紙;pH試紙;玻璃棒;容量瓶;洗耳球;膠頭滴管。

1.3 試驗(yàn)方法

一定量硼泥加入去離子水調(diào)漿,在適宜的酸浸溫度下與鹽酸反應(yīng)一定的時(shí)間,反應(yīng)后的硼泥過(guò)濾、洗滌、干燥、稱(chēng)量,分析濾渣中氧化鎂含量,具體的操作流程見(jiàn)圖1。

圖1 精制氯化鎂的流程工藝圖

根據(jù)濾渣質(zhì)量及氧化鎂含量計(jì)算不同反應(yīng)條件下氧化鎂的溶出率w:

w=(m1w1-m2w2)/(m1w1)×100%

式中:m1、m2為原礦、酸浸渣質(zhì)量;w1、w2為原礦氧化鎂、酸浸渣氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)硼泥與濃鹽酸反應(yīng)的基本原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程,確定鹽酸用量、酸浸溫度、酸浸時(shí)間為影響氧化鎂溶出率的主要因素,為了考察各主要因素對(duì)氧化鎂溶出率的影響,分別就上述因素進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽酸用量對(duì)鎂浸取率的影響

圖2 浸取劑用量對(duì)鎂浸取率的影響

分別取10 g烘干后的硼泥放入圓底燒瓶中,加入去離子水進(jìn)行調(diào)漿,酸浸溫度為80 ℃,酸浸時(shí)間為40 min,分別加入不同體積的1∶1鹽酸,以加酸體積與硼泥質(zhì)量比為X軸,x=3、4、5、6、7,氧化鎂的浸取率為Y軸作圖,考察鹽酸用量對(duì)氧化鎂溶出率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出,隨著鹽酸用量的增加,氧化鎂的浸出率在不斷的增大,但當(dāng)比值增加到5以后,再繼續(xù)增加鹽酸的用量對(duì)鎂的浸取率的影響變化并不大,基本保持不變,因此可以確定當(dāng)鹽酸體積與硼泥的質(zhì)量比值等于5時(shí),浸取效果為最佳。

2.2 酸浸溫度對(duì)鎂浸取率的影響

不同的反應(yīng)溫度可以影響浸取過(guò)程中浸取液對(duì)氧化鎂的浸取率,通過(guò)實(shí)驗(yàn),確定最適合反應(yīng)溫度。分別取10 g烘干后的硼泥放入圓底燒瓶中,加入去離子水進(jìn)行調(diào)漿,分別放入溫度為50、60、70、80、90、100 ℃的水浴鍋中,加入50 mL鹽酸(1∶1),不斷攪拌下反應(yīng)30 min,過(guò)濾后收集濾液,測(cè)量其中鎂的含量,結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)鎂浸取率的影響

由圖可見(jiàn),在其他反應(yīng)條件都相同的情況下,鎂的浸取率會(huì)隨著反應(yīng)溫度升高而增大,從50 ℃到80 ℃增加的趨勢(shì)非常明顯,而當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃之后,增大的速率就很小了,分析認(rèn)為這主要是因?yàn)辂}酸在80 ℃以后活性比較大,能夠破壞MgSiO4的結(jié)構(gòu)使鎂溶解,但隨著鎂離子濃度的不斷增加和鹽酸濃度的不斷降低,使得反應(yīng)很難繼續(xù)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。綜合以上因素考慮,選擇最合適的反應(yīng)溫度應(yīng)為80 ℃。

2.3 酸浸時(shí)間對(duì)鎂浸取率的影響

不同的反應(yīng)時(shí)間可以影響浸取過(guò)程中浸取液對(duì)氧化鎂的浸取率,通過(guò)實(shí)驗(yàn),確定最佳反應(yīng)時(shí)間。分別取10 g烘干后的硼泥放入圓底燒瓶中進(jìn)行調(diào)漿,在80 ℃的水浴條件下加入50 mL鹽酸(1∶1),分別反應(yīng)15、25、35、45、55 min,在反應(yīng)的過(guò)程中不斷的進(jìn)行攪拌,過(guò)濾后收集濾液,測(cè)量其中鎂的含量,結(jié)果如圖4所示。

圖4 酸浸時(shí)間對(duì)鎂浸取率的影響

由圖4可見(jiàn),在其他條件都相同的情況下,氧化鎂的浸取率的大小與時(shí)間存在著明顯的線性關(guān)系,反應(yīng)時(shí)間為15 min時(shí)浸取率為82.23%,時(shí)間為55 min則達(dá)到最大值,但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到35 min后,浸取率的增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩,在35 min和45 min時(shí)候的浸取率并無(wú)明顯變化,所以從降低能源的消耗以及減少反應(yīng)所用的時(shí)間等方面來(lái)綜合考慮,反應(yīng)時(shí)間選擇35 min為最佳。

2.4 浸取液的凈化

在硼泥中含有一定量的氧化鎂、二氧化硅和少量的氧化鐵、氧化鋁以及氧化鈣、氧化錳等的雜質(zhì),經(jīng)過(guò)鹽酸的浸取與過(guò)濾之后,在所得的浸取液中會(huì)含有一定的雜質(zhì)如鐵離子、鋁離子、錳離子等,這些離子將會(huì)對(duì)氯化鎂純度造成一定的影響,所以必須將這些雜質(zhì)除去。向所得到的浸取液中加入一定量的雙氧水,將雜質(zhì)氧化,再通過(guò)氨水來(lái)調(diào)節(jié)溶液的pH值,在pH=2.3～4.7的時(shí)候Fe3+和Al3+開(kāi)始沉淀,進(jìn)行過(guò)濾除去。再繼續(xù)向溶液中加入氨水,控制溶液的pH=7.8～9.8時(shí)Mn4+開(kāi)始沉淀,將所得沉淀濾去,可以得到精制的氯化鎂溶液。

從表1可以看出,Fe2+開(kāi)始沉淀時(shí)pH值較高,并且Mn(OH)2的溶度積KSP=4.5×10-13,Fe2+和Mn2+與Mg(OH)2開(kāi)始沉淀的pH值接近,而Fe3+和Mn4+開(kāi)始沉淀的pH值較低,所以先用雙氧水對(duì)其氧化,采取兩步法除去雜質(zhì),即先調(diào)節(jié)pH=2.3～4.7除去鐵鋁復(fù)合氫氧化物,再調(diào)節(jié)pH=7.8～9.8除去錳雜質(zhì)。

表1 幾種金屬氫氧化物的溶度積以及開(kāi)始沉淀的pH值

3 結(jié) 論

本文以遼寧省丹東市某化工廠產(chǎn)生的硼泥作為研究的原料,采用鹽酸浸出硼泥中氧化鎂組分,最佳工藝條件為1∶1的鹽酸加入50 mL、酸浸時(shí)間為35 min、反應(yīng)的溫度80 ℃,這種生產(chǎn)工藝的效率最高,氧化鎂的溶出率達(dá)到了96.07%

[ 1 ]侯會(huì)麗,孫青,鄭水林,等. 硫酸法浸出硼泥中氧化鎂的試驗(yàn)研究[J]. 非金屬礦, 2013,36(6):16-21.

[ 2 ]楊雪梅,胡珊,王凌剛,等. 利用硼泥制備氫氧化鎂工藝條件研究[J]. 無(wú)機(jī)鹽工業(yè), 2014,46(12):57-60.

[ 3 ]孫彤. 硼泥綜合利用概況與展望[J]. 遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào), 2004,24(4):1-2.

[ 4 ]劉見(jiàn)芬,蔣引珊,方送生. 硼泥的綜合回收利用試驗(yàn)研究[J]. 非金屬礦, 2001,24(3):27-29.

[ 5 ]寧志強(qiáng),翟玉春,顧惠敏,等. 利用硼泥制備氫氧化鎂[J]. 礦冶工程, 2008,28(2):60-62.

[ 6 ]錢(qián)洪偉,薛向欣,劉然,等. 硼泥資源化利用的重要途徑[J]. 化工礦物與加工, 2007,36(9):33-36.

[ 7 ]羅玉萍,王立久. 硼泥耐火材料的研究[J]. 耐火材料, 1994,28(6):331-335.

[ 8 ]李剛,任學(xué)峰,劉素蘭,等. 硼泥基燒結(jié)磚工藝實(shí)驗(yàn)研究[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006,22(5):764-767.

[ 9 ]遼寧省人民政府鎂資源保護(hù)辦公室. 遼寧省硼行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)工作實(shí)施方案[R]. 2006.

[10]袁大偉. 利用硼泥制備磷酸鎂水泥[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2008.

[11]單松高,閻加強(qiáng),陳文,等. 硼泥的性質(zhì)及綜合利用[J]. 山東建材, 1998(2):37-39.

[12]王丕林. 用硼砂廠廢棄硼泥制造磚瓦[J]. 遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技, 1997,17(1):73-74.

[13]周子良,夏天崇. 利用硼泥生產(chǎn)硼鎂磷銨肥的工藝方法:中國(guó):CN1944352[P]. 2007-04-11.

[14]吳敦虎,寧消民,呂福榮. 硼泥處理含氟廢水的研究[J]. 環(huán)境工程, 1995,13(6):3-6.

[15]胡慶福. 鎂化合物生產(chǎn)與應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[16]孫青,侯會(huì)麗,鄭水林,等. 硫酸浸出硼泥制備片狀氫氧化鎂實(shí)驗(yàn)研究[J]. 無(wú)機(jī)鹽工業(yè), 2013,45(11):21-24.

[17]侯會(huì)麗,張廣心,鄭水林,等. 硼泥中氧化鎂組分的鹽酸浸出工藝研究[J]. 無(wú)機(jī)鹽工業(yè), 2014,46(2):61-63.

[18]黃元茂,商靜,張艷鵬,等. 堿熔氨浸聯(lián)合法從硼泥中提取氫氧化鎂[J]. 非金屬礦, 2015,38(6):45-47.

Preparation of refined magnesium oxide from boron sludge by via Hydrochloric acid leaching method

YANGMei,CHENQifan,WUXiaojie

(College of Chemistry and Engineering, Eastern Liaoning University, Dandong 118003, China)

In this paper, magnesium oxide was prepared from boron sludge by based on the experiment of hydrochloric acid leaching method. of boron sludge, Tthe experimental conditions test conditions of the leaching process were optimized studied, and a set of economic and reasonable leaching techniqual process experimental plan was finally developed determined. Magnesium oxide was extracted from boron sludge by via Hydrochloric acid leaching method. Firstly, spectroscopy for the chemical composition including various oxides in boron mud were qualitatively and quantitatively analyzed and chemical composition were analyzed by X-ray fluorescence, clear ingredients which various oxides. Then Secondly, which effect the leaching experimental conditions for rate of magnesium oxide,such as amount of hydrochloric acid(30、40、50、60、70 mL), leaching temperature(50、60、70、80、90、100 ℃), and leaching time (15、25、35、45、55 min) were optimized investigated. The results indicated that The optimum conditions for leaching magnesium oxide from boron sludge were as shown as follows: amount of HCl (1∶1) amount 50 mL, leaching time 35 min, leaching temperature 80 ℃. Under these conditions, the highest leaching efficiency was can be obtained with, and the leaching rate of was 96.07%.

Hydrochloric acid leaching method; boron sludge; magnesium chloride; waste recycling

2015-12-20。

遼寧省教育廳高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2013135)。

楊 梅(1978-),女,遼寧黑山人,遼東學(xué)院副教授,博士; 通信作者:陳啟凡(1964-),女,遼寧鐵嶺人,遼東學(xué)院教授,博士。

1673-5862(2016)02-0144-04

TQ 132.2

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.02.004