鹽酸浸出赤泥分離有價金屬的工藝研究

姜平國，廖春發

(1.北京科技大學冶金與生態工程學院，北京 100083；2.江西理工大學材料與化學工程學院，江西 贛州 341000)

目前，赤泥的堆存已成為制約企業發展的瓶頸，赤泥的堆放對生態環境和人類的生活也存在潛在的嚴重威脅。赤泥中含有豐富的有價元素，特別是由二組份富礦熟料燒成工藝產生的赤泥[1]，由于赤泥產出率由高鈣配方的38%降為14%～20%，有價金屬得到了很大程度的富集，其中赤泥中鈧、鈦、鐵、鋁含量提高一倍以上，具有較好的提取價值。尤其在金屬礦產資源日益減少、趨向枯竭和倡導節能減排，發展循環經濟，建設節約型社會的情況下，從赤泥中綜合回收各有價金屬，具有重要現實意義。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗用的赤泥成分分析結果如表1所示。

從赤泥的成分和物相[2]可以看出，由于Fe、Ca、Na多是以堿性氧化物的形式存在，而Si是以SiO2和硅酸鹽的形式存在。我們在提取赤泥中的Fe、Al、Sc、Ti、Na等主要的元素方面做了大量的研究，選用鹽酸浸出赤泥，易溶解Fe、Ca、Na、Sc的氧化物，而 Ti和Si很少溶于稀鹽酸。赤泥中Fe、Na、K等元素占赤泥總量27%以上，Ti在浸出渣中含量會大幅提高。因此，選擇鹽酸浸出赤泥，可以初步分離Fe、Sc(在浸出液)和Ti(在渣中富集)，然后再從鹽酸浸出液中回收Fe、Sc金屬[3]。

因此，我們用鹽酸浸出赤泥實驗，研究赤泥中的Fe、Al、Sc、Ti、Na等主要的元素的分離狀況。

1.2 實驗

計算50g赤泥消耗的鹽酸摩爾數：1.338mol，即為11mol/L濃鹽酸體積用量：121.6mL，將定量的濃鹽酸稀釋成試驗所需的濃度進行試驗。

采用正交實驗研究方法，找到合適的鹽酸的濃度、浸出時間、浸出溫度。確定鹽酸為主要因素，然后再采用單因素實驗研究方法，對鹽酸的濃度、鹽酸用算量、鹽酸浸出時間進行單因素試驗，得到最佳的工藝參數。

表1 赤泥成分分析

2 實驗結果及討論

2.1 鹽酸浸出赤泥正交實驗

選擇三因素三水平正交試驗(表2和表3)，找到合適的鹽酸的濃度、浸出時間、浸出溫度。

表2 正交試驗因素-水平表

表3 正交試驗表

浸出試驗結果如表4所示。

從表4正交試驗結果可以看出,Fe在渣中含量降低的幅度很大，Ti的提升幅度也很大，鋁的浸出基本是一半。從實驗結果可以看出，用低濃度的鹽酸浸出赤泥，赤泥中的Ti基本不會溶解，鹽酸的濃度是很重要的參數，浸出時間也比較重要，但是浸出溫度影響不大。由于本次試驗的鹽酸濃度稍低(0.6mol/L、0.9mol/L、1.2mol/L)，從試驗結果來看，采用低于1.2mol/L的鹽酸浸出赤泥時，Fe3+很容易水解。試驗證明鹽酸的濃度高，有利于鐵、鈣等金屬的浸出。但是，采用高濃度的鹽酸浸出赤泥，赤泥當中的Si也會被鹽酸浸出，濃度越高Si的浸出率也越高，形成硅酸，吸附金屬離子，從而影響金屬離子回收率。

根據赤泥鹽酸浸出的試驗研究結果，鹽酸的濃度需要再進一步確定。希望Sc、Fe、Ca、Na的浸出率高，同時Ti的浸出率低。因此，有必要做鹽酸濃度的單因素試驗，考察Fe、Sc、Ti等元素的浸出率。由于前面試驗結果得出溫度對各元素的浸出率影響不大，因此，下面試驗選擇在室溫下進行。

表4 浸出實驗試樣分析

2.2 鹽酸浸出單因素試驗

根據上述試驗步驟，對鹽酸的濃度、鹽酸用算量、鹽酸浸出時間進行單因素試驗。

2.2.1 鹽酸濃度對鐵浸出率的影響

在室溫下，每次稱取赤泥50g進行試驗，攪拌浸出3 h，考察鹽酸濃度對鐵浸出率的影響，鹽酸的浸出濃度分別為：0.5mol/L、0.8mol/L、1.0mol/L、1.3mol/L、1.5mol/L、1.8mol/L、2.0mol/L、2.3mol/L、2.5mol/L、2.8mol/L、3.0mol/L。試驗方案如表5所示。試驗結果如表6所示。

表5 樣品與鹽酸濃度表

表6 鹽酸濃度單因素試驗結果

實驗結果表明：在鹽酸濃度低于1.0mol/L時，Fe3+會發生水解。在鹽酸濃度高于2.3mol/L時，浸出液會生成硅酸。生成硅膠之后，溶液過濾比較困難，同時也給后面鐵的萃取分離帶來較大的難度。因此我們可以得出，鹽酸的濃度必須選擇在1.0～2.3mol/L之間。隨著鹽酸濃度的增加，Fe、Sc浸出率得到提高。當鹽酸濃度達到2.0mol/L時，Fe浸出率在90%以上、Sc的浸出率在70%以上，而Ti幾乎不能被浸出。

由于鹽酸的消耗量就是赤泥當中的堿性氧化物與鹽酸反應的耗酸量，因此，從表6的鹽酸濃度單因素試驗結果來看，鹽酸濃度超過2.0mol/L時，浸出的效果幾乎不再變化?？紤]到不生成硅酸，初步確定浸出赤泥所用鹽酸的濃度為2.0mol/L。采用鹽酸過量的方法來提高能被鹽酸浸出的各元素的浸出率，有必要確定鹽酸的最佳用量。

2.2.2 鹽酸用量對鐵浸出率的影響

用根據平衡計算的鹽酸浸出赤泥，赤泥當中鐵、鈧的浸出率偏低。為了提高赤泥中鈧的浸出率，鹽酸應該過量一些，通過實驗進行研究，確定最佳的鹽酸過量系數。

在平衡條件下，選取鹽酸過量系數分別為0.05、0.10、0.15、0.20，即分別為理論用量的1.05、1.10、1.15、1.20倍進行試驗。試驗條件：鹽酸濃度2mol/L，浸出時間3h，攪拌速度400r/min。試驗結果如表7所示。

表7試驗結果表明，當鹽酸過量系數為0.15時，Sc、Fe浸出率達到95%，當鹽酸過量系數為0.20時，Ca的浸出率明顯提高。從浸出液中提取Fe，希望50g赤泥消耗121.6mL的11mol/L濃鹽酸(37%)且浸出雜質較少。當然Ca、Al浸出率低，有利于Fe和Sc的提純。因此，選擇鹽酸過量系數為0.15，即50g赤泥消耗11mol/L濃鹽酸121.6mL。

表7 耗酸過量條件下有價金屬元素的浸出率

2.2.3 浸出時間對鐵、鈧浸出率的影響

由前面試驗結果可以得出，低濃度的鹽酸對赤泥中鈦的浸出率相當低。 在上述試驗確定了鹽酸的濃度為2.0mol/L以及鹽酸過量系數為0.15的情況下，考察浸出時間對鐵、鈧浸出率的影響。試驗結果如圖1所示。

圖1 浸出時間對Fe、Sc浸出率的影響

由圖1可以看出，開始時，隨著浸出時間的延長，Fe和Sc的浸出率不斷升高；當浸出時間超過2h時，Fe的浸出率變化不大，而Sc的浸出率略有所升高；當浸出時間為2.5h時，Fe和Sc的浸出率都趨于平衡，再延長浸出時間對Fe和Sc的浸

出率影響不大?？紤]到生產周期和效率，因此，選擇最佳浸出時間為2.5h。

3 結論

通過上述試驗基本可以確定，采用低濃度的鹽酸浸出赤泥當中的Fe和Sc，能取得高浸出率，同時與Ti的分離效果好。最佳條件是鹽酸濃度為2.0mol/L，鹽酸過量系數為0.15，浸出時間為2.5h，攪拌速度400r/min，Fe的浸出率可以達到95.6%，Sc的浸出率在70%以上，Ti的回收率為99.5%。

[1] 中鋁山東分公司技術研究中心. 赤泥綜合利用調研報告[R]. 2006.

[2] 姜平國，王鴻振. 從赤泥中浸出鈦的研究[J]. 中國有色冶金，2008(4)：52-54.

[3] 姜平國，吳筱，廖春發. 用N235從赤泥浸出液中提取鐵的工藝研究[J]. 江西理工大學學報，2009(2)：14-16.