楊永德，吳晶晶，朱容鋒，李延偉，姚金環(huán)

(桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

選礦尾礦中含有大量有價(jià)金屬，但卻未得到很好利用[1-2]。近年來，關(guān)于礦渣或尾礦的資源化利用研究越來越多，如用有色金屬尾礦(錫礦尾礦、碳酸錳尾礦、電解錳尾礦)制備分子篩[3],直接用鐵礬渣浸出液制備高性能鋰離子電池負(fù)極材料ZnFe2O4[4]，用錫尾礦制備水泥熟料[5]，用尾礦、甘蔗秸稈制備肥料[6]，用釩鈦磁鐵礦尾礦制備高強(qiáng)度混凝土[7]等。某錫礦通過地下開采，有大量尾礦堆積[8]，尾礦中含大量鐵，但鐵含量未達(dá)煉鐵要求。錫尾礦中錫、鐵等有價(jià)金屬的回收主要采用浮選[9-10]、重選[11]或浮選-重選聯(lián)合工藝[12-14],但這些工藝較復(fù)雜，金屬回收率不足60%。采用焙燒—凝聚—磁選工藝從脈型錫尾礦中回收錫、鐵，可獲得品位為86.16%的鐵精礦和63.80%的錫精礦[15]。對(duì)尾礦進(jìn)行浸出，再從浸出液中回收有價(jià)金屬是尾礦資源化利用的一種重要方法[16-18]。但有關(guān)錫尾礦的相關(guān)研究卻鮮見報(bào)道。

試驗(yàn)研究了用硫酸溶液從廣西某錫尾礦中浸出鐵，以期對(duì)大量堆存的錫尾礦得到開發(fā)利用提供一種新思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

X’Pert3Power多功能X-射線衍射儀，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，80-2B電動(dòng)離心機(jī)，BSA系列電子天平，精密電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，SU5000型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.2 試驗(yàn)原料

錫尾礦，取自廣西某錫礦廠，SEM照片見圖1，主要成分見表1。尾礦中，Si、Al、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；顆粒形狀不規(guī)則，大顆粒表面有少許小顆粒附著。

硫酸溶液，分析純。

a—5 000倍；b—20 000倍。

表1 錫尾礦的主要成分 %

1.3 試驗(yàn)原理與方法

錫尾礦與硫酸溶液的反應(yīng)屬于液固反應(yīng)，影響浸出的主要因素有硫酸濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、液固體積質(zhì)量比等。尾礦中的鐵以Fe2O3形式存在，與硫酸反應(yīng)形成Fe3+轉(zhuǎn)入溶液；其他金屬元素，如Al、Mg等也會(huì)不同程度被浸出生成相應(yīng)的硫酸鹽。

(1)

一定條件下，在250 mL三口燒瓶中加入硫酸溶液并放入磁子。三口燒瓶置于DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器內(nèi)，加熱到設(shè)定溫度后加入5 g原料。攪拌浸出一定時(shí)間后取下，并進(jìn)行離心分離。取浸出液測定其中鐵質(zhì)量濃度，計(jì)算鐵浸出率。

鐵質(zhì)量濃度采用氧化還原滴定法測定[19]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵浸出率的影響

試驗(yàn)條件：錫尾礦質(zhì)量5 g，硫酸濃度1.5 mol/L，液固體積質(zhì)量比4 mL/g，反應(yīng)溫度50 ℃。反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵浸出率的影響

由圖2看出：隨反應(yīng)進(jìn)行，鐵浸出率逐漸提高；反應(yīng)60 min后，鐵浸出率變化不大。

2.2 硫酸濃度對(duì)鐵浸出率的影響

試驗(yàn)條件：尾礦質(zhì)量5 g，液固體積質(zhì)量比4 mL/g， 反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min。硫酸濃度對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 硫酸濃度對(duì)鐵浸出率的影響

由圖3看出：隨硫酸濃度升高，鐵浸出率提高；硫酸濃度升至1.5 mol/L后，鐵浸出率提高幅度不大。隨硫酸濃度升高，溶液中氫離子濃度提高，促使浸出反應(yīng)向右進(jìn)行，有利于鐵的浸出[20]。

2.3 液固體積質(zhì)量比對(duì)鐵浸出率的影響

試驗(yàn)條件：尾礦質(zhì)量5 g，硫酸濃度1.5 mol/L，反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min。液固體積質(zhì)量比對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 液固體積質(zhì)量比對(duì)鐵浸出率的影響

由圖4看出，隨液固體積質(zhì)量比從4 mL/g增大到10 mL/g，鐵浸出率提高幅度不大?？梢姡汗腆w積質(zhì)量比對(duì)鐵浸出率影響較小。

2.4 反應(yīng)溫度對(duì)鐵浸出率的影響

試驗(yàn)條件：尾礦質(zhì)量5 g，液固體積質(zhì)量比4 mL/g， 硫酸濃度1.5 mol/L，反應(yīng)時(shí)間60 min。反應(yīng)溫度對(duì)鐵浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)鐵浸出率的影響

由圖5看出：隨反應(yīng)溫度升高，鐵浸出率明顯提高；溫度升至70 ℃時(shí)，鐵浸出率達(dá)99.0%，鐵基本浸出完全。溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，溶液黏度降低，擴(kuò)散阻力減小，有利于加快尾礦顆粒表面反應(yīng)速率，對(duì)浸出反應(yīng)有利[21]。

2.5 正交試驗(yàn)

以反應(yīng)溫度、硫酸濃度、液固體積質(zhì)量比、反應(yīng)時(shí)間4因素，設(shè)計(jì)4因素4水平正交試驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平及結(jié)果見表2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果見表3?？梢钥闯觯焊饕蛩貙?duì)鐵浸出率的影響順序?yàn)榉磻?yīng)溫度>硫酸濃度>液固體積質(zhì)量比>反應(yīng)時(shí)間；各因素之間存在一定交互作用。根據(jù)ki(i=1,2,3,4)確定最佳浸出條件為：反應(yīng)溫度90 ℃，硫酸濃度3.5 mol/L，液固體積質(zhì)量比10 mL/g，反應(yīng)時(shí)間120 min。該條件下，鐵浸出率接近100%。但綜合考慮正交試驗(yàn)結(jié)果和能耗、酸用量及后續(xù)鐵回收過程中堿的用量等因素，確定最佳浸出條件為：反應(yīng)溫度70 ℃，硫酸濃度1.5 mol/L，液固體積質(zhì)量比4 mL/g，反應(yīng)時(shí)間90 min。此條件下，鐵浸出率為99.3%。

表2 正交試驗(yàn)因素水平及結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：用硫酸從錫尾礦中浸出鐵是可行的；反應(yīng)時(shí)間、硫酸濃度、液固體積質(zhì)量比、反應(yīng)溫度對(duì)鐵浸出率都有影響，其中反應(yīng)溫度和硫酸濃度的影響較為顯著，液固體積質(zhì)量比和反應(yīng)時(shí)間的影響相對(duì)較小。從節(jié)能、耗酸量及后續(xù)沉鐵角度考慮，確定適宜浸出條件為反應(yīng)溫度70 ℃、硫酸濃度1.5 mol/L、液固體積質(zhì)量比4 mL/g、反應(yīng)時(shí)間90 min， 此條件下，鐵浸出率約為99%。