熊澤威,劉家輝,李義兵,朱 杰,鄭繼明,肖 超,羅 鯤
(桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)
根據(jù)黃鈉鐵礬除鐵原理,探索在黃鈉鐵礬除鐵過程中影響銦沉淀的主要因素,以便更好地為提取和回收銦提供技術(shù)支持。
硫酸鐵,碳酸鈉,硫酸,重鉻酸鉀,二苯胺磺酸鈉,西隴化工股份有限公司;硫酸銦,用99%銦片溶解;黃鈉鐵礬晶種,自制。
電子分析天平,BS224S型,北京Sartorius公司;電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,Optima8000型,美國PerkinElmer公司;場發(fā)射掃描電鏡,S-4800型,日本高新技術(shù)公司;集熱式磁力加熱攪拌器,DF-101S型,金壇市醫(yī)療儀器廠;循環(huán)水真空泵,QM-3SP2型,南京大學(xué)儀器廠;鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱,DHG-9076A型,上海精宏實驗設(shè)備公司。
試驗原理:In3+、Fe3+性質(zhì)相似,在黃鈉鐵礬形成過程中,In3+可部分取代Fe3+而沉淀,隨溶液pH升高,取代率升高。溫度高于70 ℃時,黃鈉鐵礬沉淀速度加快,但溫度在70~150 ℃范圍內(nèi)則不影響銦和鐵的相對沉淀及黃鈉鐵礬的成分。黃鈉鐵礬沉淀速度在98 ℃時進一步加快,且反應(yīng)約6 h時接近穩(wěn)態(tài)(無晶種)。最初的黃鈉鐵礬沉淀中,相對于鐵來說銦含量較高。溶液中Fe3+質(zhì)量濃度對黃鈉鐵礬的形成及成分影響明顯,特別是從低濃度Fe3+溶液中沉淀黃鈉鐵礬時,沉淀物中銦含量明顯增加。因此,可以通過控制氧化—沉淀反應(yīng)控制,黃鈉鐵礬生成量,進而控制黃鈉鐵礬中銦的含量。
試驗方法:在500 mL錐形瓶中,加入一定量硫酸鐵、碳酸鈉和晶種(黃鈉鐵礬),再加入50 mL銦溶液,用稀硫酸調(diào)溶液pH至1~2。溶液在常溫和95 ℃水浴中反應(yīng)一段時間后,過濾,取5 mL濾液測定離子濃度。濾渣干燥后,用紅外光譜、掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對其形貌及結(jié)構(gòu)進行表征。
用重鉻酸鉀容量滴定法測定溶液中鐵離子質(zhì)量濃度,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法測定溶液中銦離子質(zhì)量濃度。
試驗條件:硫酸鐵質(zhì)量濃度20 g/L,碳酸鈉質(zhì)量濃度6 g/L,黃鈉鐵礬晶種質(zhì)量濃度6 g/L,銦離子質(zhì)量濃度60 mg/L,反應(yīng)時間3 h。常溫及95 ℃下形成的黃鈉鐵礬的SEM照片如圖1所示,紅外光譜分析曲線如圖2所示。
圖1 黃鈉鐵礬的SEM照片
低溫下,黃鈉鐵礬結(jié)晶速度慢,晶核緩慢長大,晶型比較飽滿[25-26]。室溫下(圖1(a))形成的黃鈉鐵礬(放大2萬倍)呈不規(guī)則棱形,菱面清晰飽滿。但對于工業(yè)生產(chǎn)來說,反應(yīng)速度慢不利于大規(guī)模生產(chǎn)。95 ℃(圖1(b))條件下形成的黃鈉鐵礬依然為不規(guī)則棱形,呈簇狀,菱邊尖細,比表面積較大,與低溫條件下的晶型差異明顯。這個表觀形貌也進一步說明黃鈉鐵礬晶體具有較好的吸附能力。
由圖2看出:常溫及95 ℃條件下反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜相似,差異不大;在3 500~3 200 cm-1之間均出現(xiàn)1個寬的吸收峰,此為分子間氫鍵O—H伸縮振動峰;同時也說明溫度在25~95 ℃之間,該反應(yīng)機制沒有發(fā)生變化,其中硫酸鹽譜帶在940~1 300 cm-1之間,水彎曲和拉伸譜帶可分別在1 600 cm-1和3 350 cm-1處找到[27]。
圖2 反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜圖譜
試驗條件:硫酸鐵質(zhì)量濃度20 g/L,碳酸鈉質(zhì)量濃度6 g/L,黃鈉鐵礬晶種質(zhì)量濃度6 g/L,反應(yīng)溫度95 ℃。銦沉淀率隨反應(yīng)時間的變化規(guī)律如圖3所示。
圖3 反應(yīng)時間對銦沉淀的影響
由圖3看出,在不同銦離子初始質(zhì)量濃度條件下,隨反應(yīng)時間延長,銦沉淀率逐漸升高,即使銦離子初始質(zhì)量濃度較低(低于1 mg/L),銦也能隨鐵的沉淀同步沉淀。
2.3.1Fe3+質(zhì)量濃度對銦沉淀的影響
試驗條件:反應(yīng)溫度95 ℃,黃鈉鐵礬晶種質(zhì)量濃度10 g/L,碳酸鈉質(zhì)量濃度6 g/L,銦離子質(zhì)量濃度60 mg/L。Fe3+質(zhì)量濃度對銦沉淀的影響試驗結(jié)果如圖4所示。
—■—反應(yīng)1 h;—●—反應(yīng)2 h;—▲—反應(yīng)3 h;—◆—反應(yīng)4 h。
由圖4看出:隨反應(yīng)時間延長,銦沉淀率提高;在同一反應(yīng)時間條件下,隨溶液中初始Fe3+質(zhì)量濃度升高,銦總沉淀率提高。黃鈉鐵礬沉淀率隨Fe3+質(zhì)量濃度升高而提高,而銦以類質(zhì)同象形式進入到黃鈉鐵礬晶格中,也隨黃鈉鐵礬的沉淀而沉淀,因此,銦沉淀率也隨Fe3+質(zhì)量濃度升高而提高。
2.3.2離子質(zhì)量濃度對反應(yīng)產(chǎn)物的影響
試驗條件:反應(yīng)溫度95 ℃,黃鈉鐵礬晶種質(zhì)量濃度10 g/L,碳酸鈉質(zhì)量濃度6 g/L,反應(yīng)時間3 h。Fe3+、In3+質(zhì)量濃度對反應(yīng)產(chǎn)物的影響試驗結(jié)果如圖5所示。
a—ρ(Fe3+)=2 g/L,ρ(In3+)=60 mg/L;b—ρ(Fe3+)=15 g/L,ρ(In3+)=60 mg/L;c—ρ(Fe3+)=10 g/L,ρ(In3+)=60 mg/L;d—ρ(Fe3+)=10 g/L,ρ(In3+)=100 mg/L。
由圖5看出,不同In3+、Fe3+質(zhì)量濃度條件下所得產(chǎn)物的主要成分是黃鈉鐵礬,不存在其他雜相,也沒有發(fā)現(xiàn)與銦相關(guān)的特征衍射峰。這可能是由于銦元素以類質(zhì)同象形式進入到黃鈉鐵礬晶格中緣故。
試驗條件:反應(yīng)溫度95℃,碳酸鈉質(zhì)量6 g/L,銦離子質(zhì)量濃度60 mg/L,硫酸鐵質(zhì)量濃度20 g/L。黃鈉鐵礬晶種質(zhì)量濃度對銦沉淀的影響試驗結(jié)果如圖6所示。
—■—反應(yīng)1 h,銦;—●—反應(yīng)1 h,鐵;—▲—反應(yīng)2 h,銦;—▼—反應(yīng)2 h,鐵;—◆—反應(yīng)3 h,銦;—?—反應(yīng)3 h,鐵;—?—反應(yīng)4 h,銦;—★—反應(yīng)4 h,鐵。
由圖6看出:黃鈉鐵礬晶種對銦、鐵沉淀率都有顯著影響,其中對銦的沉淀影響更大;隨晶種質(zhì)量濃度升高,銦、鐵沉淀率提高,銦沉淀率最高達80.88%,此時鐵沉淀率為55.56%。晶種的作用是誘導(dǎo)結(jié)晶,促進黃鈉鐵礬結(jié)晶并長大,而黃鈉鐵礬的形成又促使銦、鐵沉淀。為保持最佳銦沉淀率,選擇黃鈉鐵礬晶種質(zhì)量濃度為10 g/L左右。
當(dāng)銦、鐵同時存在時,銦在黃鈉鐵礬沉淀過程中,會以類質(zhì)同象形式進入到黃鈉鐵礬晶格中,伴隨鐵礬晶體的形成而沉淀,實現(xiàn)銦、鐵共沉淀。表征結(jié)果說明,較高溫度下快速反應(yīng)形成的黃鈉鐵礬晶體為簇型,多孔,比表面積較大。銦在沉淀過程中的行為與鐵礬形成行為趨勢一致,即溫度升高、初始鐵離子質(zhì)量濃度增大、反應(yīng)時間延長都有利于銦的沉淀。