（冶金物理化学专业论文）从硼泥中提取氧化镁和二氧化硅的研究.pdf

j，lj - ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g yp h y s i c a lc h e m i s t r y s t u d y o ne x t r a c t i n gm a g n e s i aa n ds i l i c o n 1 1 一 1 n 1 0 x l c i ei r o md o r o nm u c l b yn i n gz h i q i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a iy u c h u n n o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y j u l y 2 0 0 8 一 - p 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：睹专踢 f 日期：蒯7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 签字日期： 两年 导师签名： 签字日期： 式蠢1 会 。譬0 1 i o 1 ， p 飞?一卜l芦 4 毽 k 学博士学位论文摘要 从硼泥中提取氧化镁和二氧化硅的研究 摘要 硼泥是化工厂用硼矿制取硼砂、硼酸过程中产生的废弃物，其排放不仅占用大量的 土地，而且对环境造成严重污染。因此，硼泥的处理与利用成为一项迫切而且艰巨的任 务。硼泥成分与其原料和生产工艺有关，一般而言其主要成分为m g o 和s i 0 2 。辽宁某 化工厂的硼泥m g o 含量在3 9 左右，c 0 2 在2 2 左右，s i 0 2 在2 7 左右，其他元素含 量低，极具综合利用价值。 本文首先对原料硼泥进行了全面的检测和分析，制定了常压硫酸浸出的工艺：硼泥 _ 机械活化_ 磁选除铁_硫酸浸出_硫酸镁制备_ 氢氧化镁( 碱式碳酸镁) 的制备_氧化镁。 该工艺实现了硫酸的循环和硼泥的综合利用，无废物生成，对环境友好。 对上述工艺每一个步骤进行了详尽的分析和研究，主要得出以下结论： 1 采用一段干式强磁除铁，二段弱磁选铁工艺使硼泥中f e 2 0 3 含量降到0 3 以下， 并得到品位5 8 8 7 的铁精矿。 2 考察了酸浸过程中酸浸温度、酸浸时间、硫酸浓度、液固比对活化后硼泥中m g o 浸出率的影响。在单因素实验的基础上进行正交实验，结果分析可知：影响m g o 浸出 率的最主要影响因素是浸出温度，浸出时间和硫酸浓度次之，液固比的影响最小。确定 最佳的酸浸工艺参数为温度1 0 0 、时间1 2 0 m i n 、硫酸浓度5 0 、液固比4 ：1 ，浸出 率可稳定在9 5 左右。 3 考察了硫酸与硼泥焙烧过程中焙烧温度、焙烧时问、硫酸与硼泥比例对硼泥中 m g o 浸出率的影响，在单因素实验的基础上进行正交实验，结果分析可知：影响m g o 浸出率的最主要因素是液固比，焙烧温度次之，焙烧时间的影响最小。确定最佳的硫酸 焙烧硼泥工艺参数为液固比3 ：1 、温度3 0 0 、时间1 2 0 m i n ，浸出率可稳定在9 4 左 右。 4 常压蒸浓冷却制得七水硫酸镁产品，符合相应国家标准。硫酸镁结晶余液与酸 浸滤饼洗涤液合并为循环液返回酸浸，酸循环使用。 5 考察了反应温度、终点p h 值和陈化时间搅拌强度对镁回收率的影响，在单因素 实验的基础上进行正交实验，确定了纳米氢氧化镁制备的最佳工艺条件为：m g s 0 4 水溶 液的浓度为0 1 m o l l - 1 ，n a o h 溶液的浓度为5 m o l l 1 ，反应温度为5 5 ，搅拌速度为 9 0 0 r r a i n - 1 ，滴定终点p u 值为1 3 ，陈化时间为9 0 m i n 。 其次，研究了七水硫酸镁脱水、氢氧化镁和碱式碳酸镁分解过程动力学，得出以下 结论： i i 东北大学博士学位论文摘要 1 运用热分析动力学原理，利用d o y l e o z a w a 法和k i s s i n g e r 法计算出七水硫酸镁 脱水过程中起始脱水和最后脱水的吸热峰的活化能、反应级数和频率因子，推导出相应 的速率方程，并给出相应峰温度范围。 2 对氢氧化镁分解反应进行了动力学研究，确定了氢氧化镁的分解反应机理为a 1 5 0 动力学计算结果显示，氢氧化镁的表观活化能随着样品粒度的增大而增大。 3 运用热分析动力学原理，利用d o y l e - o z a w a 法和k i s s i n g e r 法计算出碱式碳酸镁 分解过程中每个吸热峰的活化能、反应级数和频率因子，推导出相应的速率方程，并给 出相应峰温度范围。 再次，确定了常压碱溶硼泥酸浸渣工艺：硼泥酸浸渣一 碱溶_硅酸 钠溶液的制备_碳分_白炭黑的制备。 该工艺实现了碱的循环和硼泥的综合利用，对环境友好。 对上述工艺每一个步骤进行了详尽的分析和研究，主要得出以下结论： 1 考察了碱浸过程中碱浸温度、碱浸时间、碱液浓度、液固比对硼泥酸浸渣中s i 0 2 浸出率的影响。在单因素实验的基础上进行正交实验，结果分析可知：影响s i 0 2 浸出 率的最主要影响因素是浸出温度，浸出时间和碱液浓度次之，液固比的影响最小。确定 了温度1 3 0 、时间6 m i n 、碱液浓度1 8 m o l l 1 、液固比2 5 ：1 ，浸出率可稳定在8 5 左右。 2 采用二次碳分工艺，制备出纯度大于9 9 的白炭黑。浸出液中s i 0 2 的回收率在 9 0 以上。 3 对碳分后的液体进行苛化处理，可使碱循环使用。 最后，考察了苛性碱与硼泥焙烧反应过程中焙烧温度、焙烧时间、矿碱比对硼泥中 s i 0 2 浸出率的影响。在单因素实验的基础上进行正交实验，结果分析可知：影响s i 0 2 浸出率的最主要影响因素是温度，矿碱比次之，时间的影响最小。确定最佳的工艺参数 为温度7 0 0 、反应时间2 h 、矿碱比为1 ：4 。浸出率可稳定在8 9 3 左右。焙烧后渣经 热溶、过滤、干燥、煅烧后可直接制得符合y b 厂r5 2 0 6 2 0 0 4 中牌号为c b m 7 5 的规定 氧化镁。 关键词：硼泥，硫酸浸出，七水硫酸镁、氢氧化镁、碱式碳酸镁、氧化镁、动力 学，硅酸钠溶液，二氧化硅 i i i 一4 争 k s t u d y o n e x t r a c t i n gm a g n e s i aa n ds i l i c o nd i o x i d ef r o mb o r o l lm l 】d a b s t r a c t b o r o nm u di sar e s i d u eo fb o r a xa n db o r a c i ca c i di nc h e m i c a lp l a n t s i to c c u p i e sa l a r g e a r e aa n dc a u s e se n v i r o n m e n tp o l l u t i o n s oh o wt ou t i l i z eb o r o nm u d h a sb e e na nu r g e n ta n d f o r m i d a b l et a s k t h ec o m p o s i t i o no fb o r o nm u dd e p e n d so nt h e p r o p e r t i e so ft h er a w m a t e r i a l sa n dt h ec o n d i t i o n su n d e rw h i c hi ti sp r o d u c e d ，i t se s s e n t i a lc o m p o s i t i o n i sm a g n e s i a a n ds i l i c o no x i d ei ng e n e r a l t h em a g n e s i ac o n t e n to ft h eb o r o nm u d 丘- o ms o m e w h e r co f l i a o n i n gp r o v i n c e ，w h i c ht h ee x p e r i m e n t so ft h i sa r t i c l eu s e d ，i sa b o u t3 9 t h ec a r b o n d i o x i d ec o n t e n ti ni ti sa b o u t2 2 a n dt h es i l i c o no x i d ec o n t e n ti ni ti sa b o u t2 7 f i r s to fa l l ，t h er o wb o r o nm u dt h a tt h ee x p e r i m e n t so f t h i sa r t i c l eu s e dw a sd e t e c t e da n d a n a l y z e da l ls i d e d l yb yx r d ，s e m ，c h e m i c a la n dp h y s i c a lm e t h o d s t h ep r o c e s s i n gs c h e l n e w a sp r o p o s e d ：b o r o nm u d m e c h a n i c a la c t i v a t i o n _ m a g n e t i c s e p a r a t i o n _ e x t r a c t i n gm a g n e s i ab ys u l f u r i ca c i d _ b i r e rs a l tp r e p a r a t i o n 叫 m a g n e s i u mh y d r o x i d e ( b a s i cm a g n e s i u mc a r b o n a t e ) p r e p a r a t i o n c a l c i i l c d m a g n e s i a i nt h i sp r o c e s s ，s u l f u r i ca c i dc a nb eu s e d c i r c u l a r l ya n db o r o nm u dc a nb eu t i l i z e d c o m p r e h e n s i v e l y e v e r ys t e po ft h i sp r o c e s sw a sa n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l t h ec o n c l u s i o l l sa r ed r a w n a sf o l l o w s ： f e 2 0 3c o n t e n ti nb o r o nm u dw a sd e s c e n d e du pt o o 3 b yd r yt a p es t r o n gi n t e n s i t y m a g n e t i cs e p a r a t i o n t h ef i n a lp r o d u c tw h o s ei r o nc o n c e n t r a t ei s5 8 8 7 w a ss e p a r a t e db y w e a km a g n e t i c t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ea n dt i m eo fe x t r a c t i n g , r a t i o o fa c i dt om u da i l dm e c o n c e n t r a t i o no fs u l f u r i ca c i do nt h ee x t r a c t i n ge f f i c i e n c yo fm g o i na c t i v a t e db o r o nm u d w e r es t u d i e d t h e o p t i m u mp r o c e s s i n gc o n d i t i o n so ft h es y s t e mw e r ed e f i n e db yt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n tb a s e do ns i n g l ef a c t o re x p e t i m e n t s t h ec o n d i t i o n sa r et h et e i n p e r a l u r c 1 0 0 c ，t h et i m e1 2 0 m i n ，t h er a t i oo fa c i dt om u d ( 4 ：1 ) a n dt h ec o n c e l l t r a t i o no fs u l 觚ca c i d 5 0 t h em g oe x t r a c t e dr a t ec a nb es t a b i l i z e da b o u t9 5 u n d e rt h e s ec o n d i f i o n s 1 h ee t l b c to fc a l c i n i n gt e m p e r a t u r ea n dc a l c i n i n g t i m e , r a t i oo fa c i dt om u do nt h e e x t r a c t i n ge f f i c i e n c yo fm g oi na c t i v a t e db o r o nm u dw e r es t u d i e d t h eo p t i m u mp r o c e s s i n g c o n d i t i o n so ft h es y s t e mw e r ed e f i n e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tb a s e do ns i n g l ef a c t o r e x p e t i m e n t s t h ec o n d i t i o n sa r er a t i oo fa c i dt om u d ( 3 ：1 ) a n dt h e c a l c i n i n gt e m p e r a t u r e i v 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t 3 0 0 ，t h ee a l c i i f i n gt i m e1 2 0 r a i n 1 1 1 em g o e x t r a c t e dr a t ec a nb es t a b i l i z e da b o u t9 4 u n d e r t h e s ec o n d i t i o n s 1 1 1 ep r o d u c tc r y s t a lm a g n e s i u ms u l f a t et h a tw a sg o t t e nb yc o n d e n s ea n dp e x i t r o p yw a s c o n f o r m e dt oc o r r e s p o n d i n gn a t i o n a ls t a n d a r d 1 1 h er e s i d u a ll i q u i do fc r y s t a lm a g n e s i u m s u l f a t ea n dt h ew a s h i n gw a t e ro ft h er e s i d u a ls l a go fb o r o nm u dw h i c hw a sl i x i v i a t e db y s u l f u r i ca c i dw e r ee o m m i x e dt oe x t r a c t em g of r o mb o r o nm u d t h es u l f u r i ca c i dc i r c u l a t i o n w a sr e a l i z e d 1 1 1 ee f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，m i x i n gi n t e n s i t y , p hv a l u ea n dt h es i n k i n gt i m eo n t h er e c o v e r yr a t eo fm a g n e s i u mi o nw e r es t u d i e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tb a s e do n s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt oo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa n ds i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t s ， w eo b t a n i n e dt h eb e s tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so fp r e p 砌n gn a n o m a g n e s i u mh y d r o x i d e ： m g s 0 4 】- o 1 m o l l - l , n a o h = 5 m o l l - 1 ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s5 5 c ，m em i x i n g s p e e d w a s9 0 0 r m i n 1 ，t h el a s tp hv a l u ew a s13a n dt h es i n k i n gt i m ew a s9 0 m i n s e c o n d ，k i n e t i c so fd e h y d r a t i n gb i t t e rs a l t ，m a g n e s i u mh y d r o x i d eb a s i cm a g n e s i u m c a r b o n a t ed e c o m p o u n dw e r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 t h eb i t t e rs a l td e h y d r a t ek i n e t i c sw a ss t u d i e db yt h e r m a la n a l y s i sk i n e t i c st h e o r y t h e a c t i v a t i o ne n e r g y , r e a c t i o no r d e r , f r e q u e n c yf a c t o ra n dk i n e t i c sr a t ee q u a t i o no fi n i t i a t i v ea n d w a s h e d - u p e n d o t h e r m i cp e a ko fb i t t e rs a l t d e h y d r a t e dp r o c e s sw e r e o b t a i n e dw i t h d o y l e o z a w am e t h o da n dk i s s i n g e rm e t h o d 2 d e c o m p o u n dk i n e t i c so fm a g n e s i u mh y d 【r o x i d ew a ss t u d i e da n dt h ed e c o m p o u n d e d m e c h a n i s mw a sc o m f i r m e dt h a ti tw a sa 1 5 ，t h er e s u l to fd y n a m i c sc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h e a c t i v a t i o ne n e r g yo fm a g n e s i u mh y d r o x i d ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fg r a n u l a r i t y 3 1 1 1 eb a s i cm a g n e s i u mc a r b o n a t ed e c o m p o u n dk i n e t i c sw a ss t u d i e db yt h e r m a l a n a l y s i sk i n e t i c st h e o r y t h ea c t i v a t i o ne n e r g y , r e a c t i o no r d e r , f r e q u e n c yf a c t o ra n dk i n e t i c s r a t ee q u a t i o no fe v e r yp e a ko fm a g n e s i u mc a r b o n a t ed e c o m p o u n dp r o c e s sw e r eo b t a i n e dw i t h d o y l e - o z a w am e t h o da n dk i s s i n g e rm e t h o d t h i r d ，t h ep r o c e s s i n gs c h e m ew a sp r o p o s e d ：r e s i d u a ls l a g e x t r a c t i n gs i l i c o n d i o x i d eb ys o d i u mh y d r o x i d e s o d i u ms i l i c a t es o l u t i o np r e p a r a t i o n c a r b o n a t e + w h i t ec a r b o nb l a c kp r e p a r a t i o n i nt h i sp r o c e s s ，s o d i u mh y d r o x i d ec a nb eu s e dc i r c u l a r l ya n db o r o nm u dc a nb eu t i l i z e d c o m p r e h e n s i v e l y e v e r ys t e po ft h i sp r o c e s sw a sa n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l e d 1 1 1 ec o n c l u s i o n sa r e d r a w na sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ee f f e c to ft e m p e r a t u r ea n dt i m eo fe x t r a c t i n g , r a t i oo fs o l u t i o nt os l a ga n dt h e c o n c e n t r a t i o no fs o d i u mh y d r o x i d es o l u t i o no nt h ee x t r a c t i n ge f f i c i e n c yo fs i 0 2i n t h e v ， 。、 ， v 冀 f 0 k 2 s i l i c o nd i o x i d ew a sp r o d u c e db yd o u b l ec a r b o n a t i n ga n di t sp e r c e n t a g ep u r i t yi s a b o v e9 9 p e r c e n t a g er e c o v e r yo fs i 0 2o ft h es o l u t i o ni sa b o v e9 0 3 s o d i u mh y d r o x i d ec a l lb eu s e dc i r c u l a r l yb yc a u s t i c z a t i o n a tl a s t ，t h ee f f e c to f c a l c i n i n gt e m p e r a t u r ea n dc a l c i n i n gh o u r , r a t i oo fs o d i u mh y d r o x i d e t om u do nt h ee x t r a c t i n ge f f i c i e n c yo fs i 0 2i na c t i v a t e db o r o nm u dw e r es t u d i e d t h e o p t i m u mp r o c e s s i n gc o n d i t i o n so ft h es y s t e mw e r ed e f i n e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t b a s e do ns i n g l ef a c t o re x p e t i m e n t s t h ec o n d i t i o n sa r et h ec a l c i n i n gt e m p e r a t u r e7 0 0 2 ，t h e c a l c i n i n gt i m e12 0 m i na n dt h er a t i oo fs o d i u mh y d r o x i d et om u d ( 3 ：1 ) t h es i 0 2e x t r a c t e d r a t ec a l lb es t a b i l i z e da b o u t8 9 3 u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s c b m 一7 5m a g n e s i aw a s p r o d u c e d w h i c hw a sc o n f i n i lt oy b t5 2 0 6 - 2 0 0 4 k e y w o r d s ：b o r o nm u d ，e x t r a c t e db ys u l f u r i ca c i d ，b i t t e rs a l t ，m a g n e s i u mh y d r o x i d e ，b a s i c m a g n e s i u mc a r b o n a t e ，m a g n e s i a , k i n e t i c s ，s o d i u ms i l i c a t es o l u t i o n ，s i l i c o nd i o x i d e v i 一 、 、 东北大学博士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 1 1 i i 7 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 硼泥的组成与性质1 1 2 1 硼泥的化学组成1 1 2 2 硼泥的矿物组成2 1 2 3 硼泥的性质3 1 3 硼泥对环境的影响4 1 4 现有硼泥综合利用技术5 1 4 1 硼泥在建筑中的利用5 1 4 2 硼泥在冶金中的利用7 1 4 3 硼泥在处理废水中的综合应用7 1 4 4 硼泥在农业上的应用8 1 4 5 硼泥在其他方面的综合利用9 1 5 硼泥利用存在的问题及其展望1 1 1 5 1 硼泥利用存在的主要问题1 1 1 5 2 硼泥综合利用的展望1 2 1 6 硼泥中提取氧化镁研究意义及现状1 3 1 6 1 相转移法综合利用硼泥提取轻质碳酸镁1 3 1 6 2 浓盐酸浸取法综合利用硼泥提取碱式碳酸镁1 5 1 6 3 以硼泥和三聚氰胺为原料制备轻质氧化镁1 6 1 7 从硼泥中提取氧化镁存在的问题1 7 1 8 本课题研究内容。1 7 参考文献1 7 第2 章硫酸浸出法从硼泥中提取氧化镁2 1 2 1 引言21 2 2 实验原料分析一2 l 2 2 1 化学成分2 1 2 2 2x r d 分析21 2 2 3 扫描电镜分析2 2 2 3 工艺流程的确定2 3 2 4 相关热力学计算2 4 2 4 1 热力学原理2 4 2 4 2 酸浸热力学2 6 2 5 活化3 0 2 5 1 实验内容3 0 东北大学博士学位论文 目录 2 5 2 活化后s e m 分析。3 2 2 6 除铁选铁3 2 2 6 1 一段强磁除铁3 3 2 6 2 二段弱磁选铁3 4 2 7 硫酸浸出3 6 2 7 1 实验原料与仪器3 6 2 7 2 实验内容3 6 2 7 3 结果与讨论3 8 2 8 硫酸焙烧4 2 2 8 1 实验原料与仪器4 2 2 8 2 实验内容4 2 2 8 3 结果与讨论4 3 2 9 硫酸镁晶体制备4 6 2 9 1常压浓缩结晶一4 6 2 9 2 结晶余液回收4 7 2 1 0 小结4 7 参考文献4 8 第3 章七水硫酸镁脱水过程动力学4 9 3 1 引言4 9 3 2 实验原理4 9 3 3 实验原料及设备5 3 3 4 七水硫酸镁脱水动力学5 3 3 4 1d o y l e - o z a w a 法5 3 3 4 2k i s s i n g e r 法5 9 3 4 3 结果讨论6 1 3 4 4 速率方程一6 2 3 5 小结6 2 参考文献6 3 第4 章纳米氢氧化镁的制备6 4 4 1 弓l 言6 4 4 2 实验原理。6 4 4 2 1 概述6 4 4 2 2 理论分析一6 4 4 3 工艺流程6 6 4 4 实验原料和设备6 7 4 4 1 实验原料6 7 4 4 2 实验设备6 7 4 4 3 氢氧化镁的制备6 8 4 4 4 氢氧化镁的表面改性7 0 4 5 结果与讨论7 1 4 5 1 影响镁回收率的单因素实验结果7 1 4 5 2 影响镁回收率的正交实验结果7 4 东北大学博士学位论文目录 4 5 3 放大实验结果