胡 震，于海蓮，趙明全

（四川理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢643000）

環(huán)境·健康·安全

酸浸法回收利用非淬水高鎂爐渣中鐵的研究*

胡 震，于海蓮，趙明全

（四川理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢643000）

以非淬水高鎂爐渣為原料，采用硝酸對其進行酸解處理，通過調(diào)節(jié)爐渣濾液中的pH，沉淀回收其中的鐵，并制成Fe2O3產(chǎn)品。采用紅外光譜對Fe2O3進行定性分析，采用X射線熒光光譜儀對爐渣組成和Fe2O3含量進行分析。系統(tǒng)性考察了硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解溫度、酸解時間、pH以及氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對爐渣中Fe回收利用的影響。結(jié)果表明該回收利用工藝是可行的。回收利用非淬水高鎂爐渣中的鐵制備Fe2O3的工藝條件：硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、酸解溫度為60℃、酸解時間為50 min、pH為8.6、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。在以上工藝條件下，爐渣粉末為20 g時Fe2O3產(chǎn)量為0.86 g，F(xiàn)e2O3純度達(dá)到93.6%。

高鎂爐渣；酸浸法；Fe2O3

爐渣作為煉鐵行業(yè)的一種副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 t鐵水大約產(chǎn)生0.29 t爐渣，每年則累計產(chǎn)生9 000萬t爐渣［1］。隨著中國房地產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展以及道橋建設(shè)的推進，針對鋼鐵的需求與日俱增。與此同時，生產(chǎn)中排出的大量爐渣廢棄物長期堆積，不僅是對土地資源的浪費，還對大氣、土壤、農(nóng)作物、水資源乃至人類健康造成嚴(yán)重危害［2-3］。因此，爐渣廢棄物的處理是關(guān)系企業(yè)發(fā)展以及國計民生的重大課題，亟待解決。廣西防城港地區(qū)的爐渣鎂含量較高，不僅嚴(yán)重影響著鋼鐵下游產(chǎn)品的安定性，而且還進一步影響到爐渣的直接應(yīng)用領(lǐng)域，嚴(yán)重制約了非淬水高鎂爐渣的利用前景［4-5］。非淬水高鎂爐渣中的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)按5%計算，每年產(chǎn)生的爐渣中就有450萬t鐵隨廢渣直接排除。所以，充分利用爐渣中的鐵，是冶金企業(yè)節(jié)能降耗、降低成本的重要課題，是一項利國利民的廢棄物資源化研究工作，有利于發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。到目前為止，非淬水高鎂爐渣除了用于鋪路和制造建筑磚以外，有少量關(guān)于從爐渣中回收鎂制備氫氧化鎂［6］、從爐渣中回收硅制備白炭黑的研究報道［7］，以及利用高爐渣制備復(fù)合陶粒，用于吸附廢水中的有害離子［8］。但對爐渣中鐵的回收利用則鮮見報道，筆者利用非淬水高鎂爐渣中的鐵制備精細(xì)化工產(chǎn)品Fe2O3，為高鎂爐渣的綜合利用開辟了一條新途徑。

1 實驗

1.1 原料、試劑與儀器

原料：采用廣西防城港煉鋼爐渣，預(yù)先干燥處理，過篩至粒徑≤250μm，其化學(xué)組成見表1。

表1 爐渣的主要化學(xué)組成 %

試劑：濃硝酸（AR）、氫氧化鈉（AR），重慶川東化工（集團）有限公司化學(xué)試劑廠；過氧化氫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，AR），成都市科龍化工試劑廠。

儀器：QM-QX10型實驗室球磨機、HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋、JHS-1/90型電子恒速攪拌機、AXS S4 Explorer X射線熒光光譜儀、Tensor27型傅立葉變換紅外光譜儀、Start 3C實驗室pH計。

1.2 實驗方法

實驗具體步驟：1）用球磨機將非淬水高鎂爐渣研磨成粉末；2）將配置好的硝酸溶液加入爐渣粉末中，置于水浴鍋中加熱，攪拌使其充分酸解；3）過濾反應(yīng)溶液，收集濾液，向其中加入雙氧水，將Fe2+轉(zhuǎn)化成Fe3+，再加入氫氧化鈉溶液，控制pH=4.8時，過濾除去Al3+；4）再向濾液中加入氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)pH為7.8~8.6，過濾得到Fe（OH）3沉淀，經(jīng)充分洗滌后在650℃下煅燒，得到Fe2O3產(chǎn)品。

1.3 分析測試

采用傅立葉紅外光譜對所得樣品進行分析（實驗條件：采用KBr壓片法，儀器分辨率為4 cm-1，檢測器為MCT，檢測范圍為400～4 000 cm-1）。采用X射線熒光分析了樣品的純度（實驗條件：X射線管為75 μm端窗Rh靶光管，真空條件下無標(biāo)樣檢測各種元素及其含量）。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1為實驗制備樣品的紅外光譜圖。由圖1可見，在1 633 cm-1和3 436 cm-1處有2個吸收峰，分別為—OH的彎曲振動和伸縮振動引起的吸收峰，是樣品粉末吸附了微量的水所致。在1 385 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰應(yīng)歸于NO3-，這主要是因為產(chǎn)品經(jīng)酸解、洗滌后，還殘留少量硝酸所致。在480 cm-1和567 cm-1處出現(xiàn)了比較強的吸收峰，是Fe—O鍵的伸縮振動引起的，屬于Fe2O3的特征吸收峰。由此可知，實驗制得的產(chǎn)品為Fe2O3。

圖1 產(chǎn)品的紅外光譜圖

2.2 各因素對非淬水高鎂爐渣中Fe回收利用的影響

2.2.1 硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與酸解溫度

在爐渣粉末為20 g、酸解時間為60 min、酸解溫度為50℃、pH=8.3、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的條件下，考察了硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Fe2O3產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著硝酸濃度升高，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量開始快速增大；當(dāng)硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)升至60%時，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量達(dá)到最大；再進一步提升硝酸濃度，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量反而有所減小。這是因為當(dāng)硝酸從較低濃度逐漸升高過程中，會提供更多的硝酸組分，酸解體系中的活化分子相應(yīng)增加，反應(yīng)速率加快，硝酸的酸解能力提高，不斷將非淬水爐渣中的單質(zhì)鐵酸解出來，也直接影響到了后面的沉淀環(huán)節(jié)，所以Fe2O3產(chǎn)量曲線呈上升趨勢。但在硝酸濃度較低時，爐渣的酸解速率較低，酸解所需時間較長，也不利于該工藝的實際應(yīng)用。當(dāng)硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過60%以后，由于該酸解體系是一個放熱反應(yīng)，硝酸濃度越高，生成的膠體狀硅酸快速地包覆在未反應(yīng)的爐渣顆粒表面，阻止了內(nèi)部爐渣顆粒進一步反應(yīng)，導(dǎo)致一部分爐渣未能被酸解，所以Fe2O3產(chǎn)量反而減小。綜合考慮酸解速率和Fe2O3產(chǎn)量，實驗選擇適宜的硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。

在爐渣粉末為20 g、酸解時間為60 min、硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、pH=8.3、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的條件下，考察了酸解溫度對Fe2O3產(chǎn)量的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，酸解溫度從30℃升至60℃時，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量隨酸解溫度的升高而增大；當(dāng)溫度高于60℃后，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量略有減少。這是因為酸解溫度升高，酸解體系的反應(yīng)速率增大，有利于爐渣顆粒被溶解，使得單質(zhì)Fe更容易被酸解出來，從而提高了Fe2O3產(chǎn)量，也有利于縮短酸解時間。由于該酸解過程是一個放熱反應(yīng)，有助于酸解體系的溫度升高，加速了酸解體系中硝酸的揮發(fā)，令硝酸的量減少，進一步導(dǎo)致Fe2O3產(chǎn)量減小。綜合考慮Fe2O3的產(chǎn)量和酸解時間，實驗選擇適宜的酸解溫度為60℃。

圖2 硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Fe2O3產(chǎn)量的影響

圖3 酸解溫度對Fe2O3產(chǎn)量的影響

2.2.2 酸解時間與pH

在爐渣粉末為20 g、硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、酸解溫度為60℃、pH=8.3、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的條件下，考察了酸解時間對Fe2O3產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著酸解時間的延長，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量曲線迅速提升，這主要是在較長的時間里反應(yīng)物得以充分反應(yīng)，且反應(yīng)徹底；但是隨著酸解時間進一步延長，硝酸在較高溫度條件下，揮發(fā)量也在增大，與之相對其實際利用率則降低，同時生成的鐵離子不斷向硅酸膠體內(nèi)擴散，不利于積聚在酸液中，從而降低了Fe2O3產(chǎn)量。綜合考慮，實驗選擇適宜的酸解時間為50 min。

圖4 酸解時間對Fe2O3產(chǎn)量的影響

圖5 pH對Fe2O3產(chǎn)量的影響

在爐渣粉末為20 g、酸解時間為50 min、酸解溫度為60℃、硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的條件下，考察了pH對Fe2O3產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可知，當(dāng)pH從7.8增至8.6期間，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量逐漸增大，說明較高的pH有利于提高氫氧根的反應(yīng)活性，濾液中的Fe3+逐漸被沉淀，而當(dāng)pH增至8.8時，F(xiàn)e2O3的產(chǎn)量急劇增大，說明濾液中Fe3+在被沉淀完全的基礎(chǔ)上，濾液中的鎂離子也開始被沉淀出來了，其中一部分以Mg（OH）2沉淀析出且混入Fe（OH）3沉淀物中，經(jīng)煅燒后殘留在Fe2O3產(chǎn)品中，導(dǎo)致Fe2O3產(chǎn)量急劇增大。綜合考慮，實驗選擇適宜的pH為8.6。

2.2.3 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在爐渣粉末為20 g、酸解時間為50 min、酸解溫度為60℃、pH=8.6、硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的條件下，考察了氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Fe2O3產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可知，隨著氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量有所減小。這主要是由于氫氧化鈉的濃度較低時，每一次向爐渣濾液中加入氫氧化鈉的量較少，能夠有效地與Fe3+反應(yīng)，形成氫氧化鐵；如果提高氫氧化鈉的滴加濃度，氫氧化鈉在短時間內(nèi)快速地與Fe3+反應(yīng)，生成的沉淀會包覆在未反應(yīng)的Fe3+表面，阻止濾液中的Fe3+與氫氧化鈉進一步反應(yīng)，從而降低了Fe3+的利用率。由此可知，F(xiàn)e2O3產(chǎn)量有所減小，但其減小幅度不大。由于氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，溶液的反應(yīng)速率較低，因此在結(jié)合反應(yīng)速率和Fe2O3產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，實驗選擇適宜的氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

圖6 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Fe2O3產(chǎn)量的影響

2.3 Fe2O3產(chǎn)品的純度分析

采用X射線熒光分析儀分析了所制備的Fe2O3產(chǎn)品的純度，結(jié)果表明，F(xiàn)e2O3產(chǎn)品的純度達(dá)到了93.6%，產(chǎn)品中還含有少量的硅、鎂、鈣和硝酸根，還有待進一步提純。

3 結(jié)論

實驗系統(tǒng)性考察了硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解溫度、酸解時間、pH以及氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對爐渣中Fe回收利用的影響，結(jié)果表明，采用酸浸法酸解非淬水高鎂爐渣，將其中的Fe制備成Fe2O3產(chǎn)品的工藝是可行性的。實驗得到回收利用非淬水高鎂爐渣中的鐵制備Fe2O3工藝條件：硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、酸解溫度為60℃、酸解時間為50 min、pH為8.6、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。在此工藝條件下，在爐渣粉末為 20 g時 Fe2O3的產(chǎn)量為 0.86 g，產(chǎn)品純度可達(dá)93.6%。

［1］ 湯優(yōu)優(yōu)，涂玉國，雷霆，等.某高爐渣綜合利用試驗研究［J］.礦產(chǎn)保護與利用，2011（3）：34-37.

［2］ 霍紅英，劉國欽，鄒敏，等.非水淬高鈦型高爐渣的綜合利用研究［J］.濕法冶金，2010，29（1）：44-47.

［3］ 甘雪萍，戴曦，張傳福.高鎂爐渣性能研究進展［J］.有色金屬，2001，53（1）：67-69.

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［7］ 于海蓮，胡震.酸浸法高鎂爐渣制備白炭黑的研究［J］.無機鹽工業(yè)，2014，46（7）：53-55.

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Study on recycling and utilizing of Fe in air-cooled high magnesium slag by acid leaching method

Hu Zhen，Yu Hailian，Zhao Mingquan
（School of Chemical Engineering，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

The air-cooled high magnesium slag was acid-leached in order to recycle and utilize its Fe by nitric acid.The Fe in slag was precipitated and produced to ferric oxide through regulating the pH in filtrate solution of slag.FT-IR was used to perform qualitative analysis for product，XFS was used to carry on quantitative analysis for slag and product，the influences of all affect factors，such as mass fraction of nitric acid，acid leaching temperature，acid leaching time，pH，and mass fraction of sodium hydroxide on recycling and utilizing Fe from high magnesium slag were discussed systematically.Results showed that the process on recycling and utilizing Fe from air-cooled high magnesium slag by acid leaching method was feasible；The optimum process conditions were that mass fraction of nitric acid was 60%，acid leaching temperature was 60℃，acid leaching time was 50 min，pH was 8.6，and mass fraction of sodium hydroxide was 20%.Under the optimum process conditions the yield of ferric oxide was 0.86 g per 20 g high magnesium slag，and its purity reached 93.6%.

high magnesium slag；acid leaching method；ferric oxide

TQ138.11

A

1006-4990（2017）08-0052-03

2017-02-12

胡震（1980— ），男，碩士，副教授，碩導(dǎo)，主要從事功能材料及廢棄物資源化的研究，已公開發(fā)表20篇論文。

于海蓮

四川省教育廳科學(xué)研究資助項目（2012ZB286）、四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201410622044）。

聯(lián)系方式：yhl19791027@126.com