于海蓮,汪永紅,胡 震
(1.四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)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(xiàn)代化社會的建設(shè),對鋼鐵的需求日益劇增,伴隨而來的是產(chǎn)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(huán)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(chǎn)生“燒苗”[1]現(xiàn)象,即農(nóng)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(yè)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(chǎn)品質(zhì)量以及資源循環(huán)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)品的質(zhì)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(chǎn)品,但是溫度對設(shè)備耐熱耐壓的要求很高,能耗較高。筆者開發(fā)了控制pH沉淀鎂離子方法,來降低高鎂爐渣中的鎂含量。
原料:廣西防城港煉鋼爐渣,預(yù)先干燥處理,過篩粒徑小于250μm。爐渣主要成分及含量(質(zhì)量分數(shù)):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(shù)顯恒溫水浴鍋;SHB-Ⅲ型循環(huán)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(fēng)干燥箱;STARTER 2100/3C型精密酸度計。
用鹽酸溶解爐渣,在水浴鍋中加熱并攪拌使?fàn)t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(xù)向濾液中滴加氫氧化鈉溶液,控制pH為10.6。將溶液轉(zhuǎn)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
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。
用紅外光譜儀對制備的樣品進行分析,結(jié)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(jié)構(gòu)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(zhì)子到導(dǎo)電態(tài)質(zhì)子的轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)紅外光譜譜圖對比可知,生成的絮狀沉淀即為氫氧化鎂產(chǎn)品。不過,樣品中還含有少量自由水,可能是由于產(chǎn)品未充分干燥引起的。
圖2 制備樣品紅外光譜譜圖
2.2.1 鹽酸質(zhì)量分數(shù)和反應(yīng)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(yīng)溫度為60℃,攪拌速率為300 r/min??疾禧}酸質(zhì)量分數(shù)對爐渣溶解時間的影響,結(jié)果見圖3。隨著鹽酸質(zhì)量分數(shù)的增大,爐渣完全溶解用時減少,尤其是在鹽酸質(zhì)量分數(shù)為46%~52%時反應(yīng)用時最短,但溶液會緩慢變?yōu)槲⒛z狀,而鹽酸質(zhì)量分數(shù)在44%左右時反應(yīng)溫和,且完全溶解后不會變?yōu)槟z狀,耗時也合理。因此,選擇鹽酸質(zhì)量分數(shù)為44%。
固定條件:爐渣粉末為10 g,濃鹽酸體積為26 mL,鹽酸質(zhì)量分數(shù)為44%,攪拌速率為300 r/min??疾旆磻?yīng)溫度對爐渣溶解時間的影響,結(jié)果見圖4。從圖4看出,隨著反應(yīng)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(dāng)反應(yīng)溫度為70℃時,已溶解完全的溶液會變?yōu)槲⒛z狀,不利于過濾。因此,選擇反應(yīng)溫度為60℃。
圖3 鹽酸質(zhì)量分數(shù)對爐渣溶解時間的影響
圖4 反應(yīng)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(jù)對爐渣成分的分析,采用鹽酸溶解爐渣然后加NaOH調(diào)pH的方法,可以使反應(yīng)體系中的各種離子沉淀出來。根據(jù)文獻[6]與實際操作結(jié)果得出,控制體系pH在表1所示范圍內(nèi),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(jù)。
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(dāng)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%。
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(jié)果表明,該方法簡便可行,能夠?qū)崿F(xiàn)爐渣降鎂的目的,并以氫氧化鎂產(chǎn)品形式回收,為爐渣資源的循環(huán)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(yè)大學(xué),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(nèi)氫氧化鎂阻燃劑的研究現(xiàn)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???,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(xué)報,2010,38(1):114-118.
[6]劉承科,關(guān)魯雄,李宗柏,等.大學(xué)化學(xué)[M].長沙:中南大學(xué)出版社,1994.