非淬水高鎂爐渣降鎂工藝研究*

于海蓮，汪永紅，胡 震

（1.四川理工學院材料與化學工程學院，四川自貢 643000；2.中昊晨光化工研究院有限公司氟化三廠）

隨著現代化社會的建設，對鋼鐵的需求日益劇增，伴隨而來的是產生的爐渣廢棄物也越來越多。爐渣大量堆積，不僅占用大量土地，而且其有害成分會對環境造成嚴重污染。特別是爐渣中的鎂，若大量滲透到土壤中，不僅加大地下水中的鎂含量，對人們的身體健康造成危害，而且會產生“燒苗”［1］現象，即農作物會因為滲透壓遠低于土壤而失去大量水分慢慢死掉。工業處理后的爐渣，雖然可以用作水泥原料，但是其中鎂含量超標會影響水泥的凝固性和安定性等［2-3］。因此，從人類飲水健康、植物生長、水泥產品質量以及資源循環利用等方面考慮，需要對爐渣進行降鎂。目前爐渣降鎂的工藝方法主要有氟化鈉除鎂法［4］和熔融法［5］。其中氟化鈉除鎂法是利用氟化鈉與溶液中的鎂離子發生化學反應生成氟化鎂沉淀從而達到去除鎂離子的目的，但是爐渣溶液中的亞鐵離子、鈣離子、鋁離子等對氟化鎂產品的質量有很大影響；熔融法提純氧化鎂工藝簡單，只需要用高溫爐加熱汽化爐渣，并收集冷凝2800℃左右的氣體直接得到氧化鎂產品，但是溫度對設備耐熱耐壓的要求很高，能耗較高。筆者開發了控制pH沉淀鎂離子方法，來降低高鎂爐渣中的鎂含量。

1 實驗部分

1.1 實驗原料、試劑與儀器

原料：廣西防城港煉鋼爐渣，預先干燥處理，過篩粒徑小于250μm。爐渣主要成分及含量（質量分數）：Fe，5.14%；CaO，15.14%；Ni，0.085%；Al2O3，8.29%；SiO2，46.32%；MgO，24.19%。試劑：濃鹽酸、濃硫酸、氫氧化鈉均為分析純；pH緩沖試劑（pH=4.00、6.86、9.18）。 儀器：HH-2型數顯恒溫水浴鍋；SHB-Ⅲ型循環水式真空泵；NICOLET6700型紅外光譜儀；TAS986型原子吸收分光光度計；JHS-1/9型電子恒速攪拌機；DHG-9075A型電熱鼓風干燥箱；STARTER 2100/3C型精密酸度計。

1.2 實驗方法

用鹽酸溶解爐渣，在水浴鍋中加熱并攪拌使爐渣溶解充分。過濾，向濾液中滴加氫氧化鈉溶液，控制pH為4.8。過濾后再向濾液中滴加氫氧化鈉溶液，控制pH為7.0。過濾后再向濾液中滴加氫氧化鈉溶液，控制pH為9.1。過濾后繼續向濾液中滴加氫氧化鈉溶液，控制pH為10.6。將溶液轉移到分液漏斗中靜置分層，將析出的絮狀氫氧化鎂沉淀置于坩堝中加熱蒸干，得到白色粉末狀氫氧化鎂。非淬水高鎂爐渣降鎂工藝流程示意圖見圖1。

圖1 非淬水高鎂爐渣降鎂工藝流程示意圖

1.3 產品分析

采用紅外光譜儀對樣品進行定性分析（KBr壓片）。采用火焰原子吸收光譜法測定氫氧化鎂含量。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

用紅外光譜儀對制備的樣品進行分析，結果見圖2。在3698.1 cm-1和1422.0 cm-1處的2個峰分別是氫氧化鎂結構中—OH的伸縮振動和彎曲振動，在3434.0 cm-1處的寬峰是氫氧化鎂中自由質子到導電態質子的轉變，在446.0 cm-1處的峰是Mg—O鍵的伸縮振動。在1629.0 cm-1和571.7 cm-1處的峰是樣品中H2O中H—O—H鍵的伸縮振動和彎曲振動。氫氧化鎂標準物質的紅外光譜圖在3697、3436、1423、448 cm-1處有4個峰，將樣品紅外光譜譜圖跟氫氧化鎂標準物質紅外光譜譜圖對比可知，生成的絮狀沉淀即為氫氧化鎂產品。不過，樣品中還含有少量自由水，可能是由于產品未充分干燥引起的。

圖2 制備樣品紅外光譜譜圖

2.2 考察各工藝因素對爐渣溶解的影響

2.2.1 鹽酸質量分數和反應溫度對爐渣溶解時間的影響

固定條件：爐渣粉末為10 g，濃鹽酸體積為26 mL，反應溫度為60℃，攪拌速率為300 r/min。考察鹽酸質量分數對爐渣溶解時間的影響，結果見圖3。隨著鹽酸質量分數的增大，爐渣完全溶解用時減少，尤其是在鹽酸質量分數為46%～52%時反應用時最短，但溶液會緩慢變為微膠狀，而鹽酸質量分數在44%左右時反應溫和，且完全溶解后不會變為膠狀，耗時也合理。因此，選擇鹽酸質量分數為44%。

固定條件：爐渣粉末為10 g，濃鹽酸體積為26 mL，鹽酸質量分數為44%，攪拌速率為300 r/min。考察反應溫度對爐渣溶解時間的影響，結果見圖4。從圖4看出，隨著反應溫度的升高爐渣溶解耗時減少，溫度介于60～70℃時溶解耗時幾乎無差別，但當反應溫度為70℃時，已溶解完全的溶液會變為微膠狀，不利于過濾。因此，選擇反應溫度為60℃。

圖3 鹽酸質量分數對爐渣溶解時間的影響

圖4 反應溫度對爐渣溶解時間的影響

2.2.2 pH對各種干擾離子沉淀析出的影響

根據對爐渣成分的分析，采用鹽酸溶解爐渣然后加NaOH調pH的方法，可以使反應體系中的各種離子沉淀出來。根據文獻［6］與實際操作結果得出，控制體系pH在表1所示范圍內，分別沉淀出不同的化合物。從表1看出：氫氧化亞鐵、氫氧化鋁、氫氧化鐵以及氫氧化鈣的沉淀pH范圍與氫氧化鎂沉淀的pH范圍沒有重疊部分，這也是選擇pH在4.8～9.1過濾的理論依據。

表1 爐渣中各種沉淀物析出時的pH

2.2.3 氫氧化鎂析出的pH選擇

圖5為pH對析出氫氧化鎂純度的影響。當pH在9.6～10.6時，氫氧化鎂純度隨pH增大而增加，說明濾液中鎂離子還沒沉淀完全；而pH在10.6～10.8時，氫氧化鎂純度急劇下降，說明濾液中鈣離子開始大量析出。因此，選擇氫氧化鎂沉淀析出pH為10.6。

圖5 pH對氫氧化鎂純度的影響

在pH為10.6條件下，對10 g爐渣進行降鎂處理，爐渣中的鎂降低了93%；得到了3.48 g氫氧化鎂，其純度為95%。

3 結論

研究了采用鹽酸溶解爐渣中的鎂制備氫氧化鎂工藝的可行性，實驗結果表明，該方法簡便可行，能夠實現爐渣降鎂的目的，并以氫氧化鎂產品形式回收，為爐渣資源的循環利用開辟了新的思路。

［1］王智.高鎂爐渣性能研究進展［D］.長沙：中南工業大學，1998.

［2］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.

［3］姬連敏，李麗娟，聶鋒，等.國內氫氧化鎂阻燃劑的研究現狀［J］.鹽湖研究，2007，15（2）：62-72.

［4］林才順.氟化鈉去除鈣鎂工藝的影響因素分析與控制［J］.湖南冶金，2003，31（4）：36-38.

［5］柴多里，儲志兵，楊保俊，等.沉淀法制備氫氧化鎂及其對砷溶液的吸附特性［J］.硅酸鹽學報，2010，38（1）：114-118.

［6］劉承科，關魯雄，李宗柏，等.大學化學［M］.長沙：中南大學出版社，1994.