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上海大学硕士学位论文 针铁矿法从氯化亚铁溶液中除铁的研究专业 有色金属冶金答辩人 指导教师 主要内容 选题背景和目的 研究思路及方法 1 针铁矿除铁的原理与实例 2 实验装置及分析测试方法 3 针铁矿法除铁的工艺研究 4 Ni Co在除铁过程中的行为和研究展望 5 1 选题背景及目的 现实背景 从红土镍矿中高效且低成本提取镍的工艺引起人们的广泛重视 采用湿法冶金方法处理红土镍矿有很多优势 由于红土镍矿含铁较高 盐酸浸出时铁进入浸出液中 浸出液进一步处理必须除去其中的铁 而黄铁矾法和赤铁矿法并不合适 理论背景 湿法冶金中经常使用酸性溶液浸出矿石 据铁的氧化物及水合氧化物的生成条件 控制过程因素可得到到各种不同铁的沉淀物 提纯和铁性质比较接近有色金属时 除铁是个重大课题 研究目的探讨氯化亚铁溶液中针铁矿法除铁的工艺条件对除铁效果和沉淀物的影响 研究针铁矿法除铁过程中镍 钴的行为 为镍红土矿冶金除铁的工艺方法提出建议 除铁方法对湿法冶金过程产生的影响 1 研究思路与研究方法 针铁矿法原理 结果和讨论 除铁方法介绍 黄铁钒法赤铁矿法中和水解法萃取法磷酸盐沉淀法离子交换法其它方法 概述原理介绍化学方程式针铁矿的溶度积针铁矿的溶解曲线热力学分析针铁矿法除铁的工艺流程及其应用 pH值对除铁效果的影响温度对除铁效果的影响催化剂对除铁效果的影响氧化剂对除铁效果的影响反应时间对除铁效果的影响 1 研究思路与研究方法 续 根据还原红土镍矿盐酸浸出所得浸出液的特征 本论文采用含有镍 钴离子的氯化亚铁溶液作为浸出液的模拟液 对其进行针铁矿法除铁研究 实验步骤 量取一定量含Fe的溶液至自制除铁反应器中 采用恒温水浴加热至设定温度 将空气通入反应体系 空气流量由调节阀控制 溶液pH值用碳酸钠溶液调节 pH值用高温pH计测量 探索不同工艺参数对针铁矿法除铁效果的影响 确定适宜的工艺条件 对除铁过程进行优化实验设计 探讨最佳工艺参数条件或区域 研究针铁矿除铁工艺中中针铁矿形成的各个环节 探讨影响反应的关键步骤 当pH值达到设定的范围开始计时 反应一段时间后 停止滴入碳酸钠溶液 切断空气 关闭水浴加热电源 取出反应溶液 冷却后过滤 用去离子水洗涤沉淀物2 3次 2 针铁矿除铁的原理与实例 2 1原理总反应方程式2Fe2 O2 3H2O 2FeOOH 4H 及其分解反应可以看出 总反应包括两个过程即 低铁的氧化 高铁的水解 另外还有中和消耗净酸环节 分解反应的方程式如下4Fe2 O2 4H 4Fe3 2H2O 2 1 Fe3 3OH FeOOH H2O 2 2 水解沉淀过程大致可以分为三步 先形成简单水解产物 水解产物再聚合形成高聚合度阳离子 经过内部结构转变 高聚合度阳离子脱水 缩核 成长形成沉淀物 即 再经过多聚针铁矿形 再经过多聚反应 最后以针铁矿形式析出针铁矿的顺利形成取决于氧化和水解的条件 铁离子的去除效果和氧化 水解的控制条件密切相关 2 针铁矿除铁的原理与实例 续 2 2主要反应过程的形式 2 针铁矿除铁的原理与实例 续 2 3针铁矿法除铁工艺流程图如下 3 实验装置及分析测试方法 3 1实验装置图3 1针铁矿法除铁反应装置 3 实验装置及分析测试方法 续 3 2分析测试方法溶液中高浓度金属离子的浓度采用化学分析中的滴定方法测定 低浓度采用ICP或比色法进行分析 铁的去除率计算公式见3 1 实验所有元素分析方法均采用国标方法 分别介绍如下 A 亚铁离子的分析以二苯胺磺酸钠为指示剂 用重铬酸钾标准溶液滴定 B 三价铁离子的分析以磺基水杨酸为显色剂 控制pH值为1 5 波长选定510nm 测定试液的吸光度 C 全铁的分析 3 实验装置及分析测试方法 续 全铁的浓度采用邻二氮杂菲分光光度法测定 D 镍 钴的分析镍 钴的浓度采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪 ICP 测定 E 铁沉淀物的表征除铁过程中产生的沉淀物经过滤 再经两次水洗 低温 40 50 烘干后用研钵破碎至粉状 用D max rC型X射线衍射分析仪 日本理学株式会社 确定沉淀渣的物相 用STA449F3型TG DSC热重示差扫描量热法 NETZSCH公司 分析沉淀物的热分析 4 针铁矿法除铁的工艺研究 水溶液中沉淀法除铁 铁可以多种形态存在 本实验的目的是使铁以针铁矿形态沉淀出来 根据针铁矿形成的原理 针铁矿的产生和溶液中三价铁离子的浓度 pH值 温度 催化剂浓度等因素有关 下面分别对上述因素进行讨论 4 1pH值的影响结果见下图 图4 1pH值对溶液除铁效果的影响 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 为了判定沉淀物的物质形态 对在不同pH值下得到的沉淀物进行X 衍射分析 结果见图4 2 图4 2不同pH值条件下析出沉淀物的XRD图 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 从图4 2可以看出 在pH2 5 4 0范围内 随着pH值增大 沉淀物的物相由单一针铁矿转变为含有针铁矿在内的混合物相 其原因在于pH值增大 生成氢氧化铁的趋势增大 4 2氧化剂的影响考虑到来源方便 成本较低以及在溶液中不引入新的杂质 本实验采用空气作为氧化剂 结果见图4 3 图4 3空气流量对溶液除铁效果的影响 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 亚铁离子的氧化是通过溶解在溶液中的氧实现的 氧化过程可以分为氧气溶解 氧分子向溶液中扩散 Fe2 吸附氧分子 氧分子分解为氧原子及氧原子与Fe2 进行反应等步骤 亚铁离子溶液通入氧气后 溶液中同时发生二价铁的离子氧化反应 2 1 和三价铁离子的水解反应 2 2 4Fe2 O2 4H 4Fe3 2H2O 2 1 Fe3 3OH FeOOH H2O 2 2 仅用空气来氧化二价铁离子进而生成针铁矿过程较慢 为此 实验中在通空气的同时再加入双氧水以考察外加氧化剂对氧化反应的影响 尽管双氧水的加入速度及加入量增大会提高除铁效率 但是还必须考虑沉淀的过滤性能 较低的氧化速度可得到良好结晶的针铁矿 若氧化速度太快 结晶状沉淀减少 无定型沉淀增多 给过滤带来困难 4 3温度的影响 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 不同温度下 除铁效果见图4 4 图4 4温度对溶液除铁效果的影响升高温度 氧气在水溶液中的溶解度降低 但空气搅拌程度强烈 气液接触充分 温度对氧气在溶液中的溶解度影响很小 因此温度升高对氧化过程及除铁效果的影响是有利的 不同温度下得到的沉淀物的X 衍射图谱见图4 5 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 图4 5不同温度下沉淀物的XRD图结果表明 在80 85 90 95 100 反应温度下 沉淀物的主要物相为针铁矿 温度对沉淀物的物相影响较小 在100 时 沉淀物中有杂相出现 但此时沉淀物的过滤性能并未降低 4 4催化剂的影响 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 为了尽量避免胶状氢氧化铁的生成 同时又使亚铁离子的氧化速率满足生产实际的要求 本实验通过在溶液中加入铜离子 考察亚铁离子的氧化速率 实验结果见图4 6 图4 6Cu2 浓度对氯化亚铁溶液除铁效果的影响由图可见 溶液中铜离子的存在 对于提高除铁效率作用很明显 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 催化剂的工作机理一般认为这是由于溶液中的Cu2 能降低氧分子离解反应的活化能的缘故 Cu2 的催化作用基于以下反应 41 2Cu2 2Fe2 5H2O 2FeOOH Cu2O 8H 4 1 其中生成物Cu2O是离子晶体的半导体 在温度 80 下 其导电性显著增加 因而促使氧与铁构成微电池化学腐蚀 发生氧化还原反应 Cu2 Fe2 Cu Fe3 4 2 2Cu O2 2Cu2 O2 在酸性溶液条件下 4 3 发生在阳极的反应缓慢 发生在阴极的反应快速 反应 4 2 是Fe2 氧化过程中催化过程的控制步骤 根据电位 pH图 在pH 2 5时 Cu2 Cu 的氧化电位超过Fe3 Fe2 反应 4 2 才能进行 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 4 5反应时间和陈化时间的影响A 研究反应时间对针铁矿法除铁效果的影响见图4 7 图4 7反应时间对溶液除铁效果的影响图4 7表明 除铁后溶液中的铁离子浓度随反应时间增加而下降 在前3小时 下降趋势明显 随后下降趋于缓慢 且在反应时间3h时溶液中的铁离子浓度已降到0 2g L Fe浓度在0 2g L 除铁率可达99 2 4 针铁矿法除铁的工艺研究 续 B 实验将在相同条件 温度95 pH值3 5 催化剂Cu2 浓度0 5g L 空气流量300L h 反应时间3h 下得到的含有针铁矿沉淀的溶液过滤 得到不同陈化时间下对应的过滤时间见图4 8 图4 8不同陈化时间混合溶液过滤时间的影响 5 Ni Co在除铁过程中的行为和研究展望 针铁矿法除铁的目的是使铁最大程度从浸出液中除去 同时还要保证镍 钴离子尽可能地留在浸出液中 避免随沉淀物而流失 因此 必须研究针铁矿法除铁过程中工艺条件及沉淀后处理方式对镍 钴走向的影响 与亚铁离子共存于溶液中的镍 钴离子在除铁过程中会随针铁矿沉淀而流失 流失的程度与针铁矿除铁的工艺条件及沉淀的后处理有关 5 1pH的影响溶液pH值对镍 钴回收率的影响见图5 1图 图5 1pH值对镍 钴回收率的影响 5 Ni Co在除铁过程中的行为和研究展望 续 图5 1表明 随着溶液pH值增加 Ni Co的回收率均持续下降 尤其在pH3 0后下降幅度加大 pH大于3 8后镍 钴的损失均大于2 5 2温度的影响反应温度对针铁矿法除铁过程镍 钴回收率的影响 结果见图5 2 图5 2反应温度对镍 钴回收率的影响 5 Ni Co在除铁过程中的行为和研究展望 续 图5 2可以看出 随着反应温度的提高 Ni Co的回收率均持续下降 尤其在反应温度大于90 后 下降幅度程度加大 5 3空气流量的影响图5 3空气流量对镍 钴回收率的影响图5 3表明 随着空气流量的加大 Ni Co的回收率均上升 原因主要是空气流量增加 溶液搅拌程度加大 针铁矿沉淀的局部过饱和度减少 减少了无定型沉淀的产生 由表面吸附引起的镍 钴离子损失随之减少 5 Ni Co在除铁过程中的行为和研究展望 续 5 4反应时间的影响图5 4反应时间对镍 钴回收率的影响图5 4可以看出 随着反应时间加大 镍 钴回收率都有不同程度的下降 原因是随着时间延长 针铁矿量增多 吸附的镍 钴也相应的增加 5 Ni Co在除铁过程中的行为和研究展望 续 5 5洗涤的影响图5 5洗涤对镍 钴平均回收率的影响从图5 5可以看出 通过对针铁矿法除铁得到的沉淀物进行洗涤 可减少镍 钴的损失 热水的洗涤效果比冷水洗涤要好 其原因是镍 钴离子在热水溶液中的溶解度较高 5 Ni Co在除铁过程中的行为和研究展望 续 针铁矿法除铁的最佳工艺条件为 温度90 95 pH值3 5 3 8 催化剂Cu2 浓度0 5 1 0g L 空气流量300L h 陈化时间4小时 此条件下除铁率可达98 以上 沉淀物过滤性能良好 展望 用粗制碳酸镍作为中和剂 不仅可以提高溶液的pH值 而且加入的碳酸镍和溶液中原有的镍一起经过进一步的处理可得到纯的镍产品 因此以碳酸镍代替碳酸钠值得进一步研究 采用空气氧化亚铁离子 氧化速度和双氧水等有一定差距 如何寻找高效低廉的新型氧化剂有待于进一步探索 镍 钴行为研究的结论 在温度95 pH值为3 5 Cu2 浓度为0 5g L 反应时间3h 空气流量300L h条件下 经过热水3次洗涤以后 镍 钴离子的回收率均可达98 以上 针铁矿法得到的除铁渣铁含量较高 如何经过适当的处理 使针铁矿型铁渣中的铁得到合理利用 是一个有意义的研究课题 针铁矿法除铁在较高的温度 80 下进行 需要消耗大量的能源用于加热含铁