礦物的化學提純,是利用不同礦物在化學性質上的差異,采用化學方法或化學方法與物理方相結合來實現礦物的分離或提純。主要應用于一些純度要求很高,且機械物理選礦方式又難以達到純度要求的高附加值礦物的提純,如高純石英、高嶺土、膨潤土、硅藻土等。
非金屬礦物的酸、堿、鹽處理,主要是在相應酸、堿藥劑作用下,把可溶性礦物組分(雜質礦物或有用礦物)浸出,使之與不溶性礦物組分(有用礦物或雜質礦物)分離的過程。浸出過程是通過化學反應來完成的。對不同的有用礦物和雜質礦物要采取相應的酸、堿、鹽及藥劑。
表1 常見酸、堿、鹽處理方法的應用范圍
1、非金屬礦酸法浸出
酸法浸出常用硫酸、鹽酸、硝酸、草酸、氫氟酸作浸出劑,其中以硫酸使用最多。
?。?)硫酸浸出
濃硫酸(H2SO4)為強氧化劑,在加熱時幾乎能氧化一切金屬。且不釋放氫,因氧化的發生是借助于未離解的硫酸分子,可將大多數硫化物氧化為硫酸鹽。
濃硫酸具有強烈的吸水作用,用它處理的黏土礦物可作吸水干燥劑。許多有機物,尤其是碳水化合物,一旦與濃硫酸接觸,會因其吸水性而發生碳化作用。濃硫酸處理黏土礦物一般是在常壓,100-105℃加熱條件下進行。
采用硫酸浸出處理硅藻土制備高純活性二氧化硅。
?。?)氫氟酸處理
氫氟酸為無色液體,19.4℃沸騰。蒸氣有刺激臭味、極毒、價格較貴。在水中可離解成離子。
氫氟酸的特點是能溶解SiO2和硅酸鹽,生成氣態SiF4,故常用于制備高純SiO2或除去礦物的SiO2雜質等。
在浸出硅石(SiO2)中的金屬雜質時,對某些包裹細密的雜質礦物,使用少量HF(低濃度)有助于SiO2部分溶解,以使雜質金屬離子較易被其他藥劑浸出,如采用0.02%-0.1%的稀氫氟酸和連二亞硫酸鈉(0.02%-0.2%),在常溫下攪拌處理石英可將其Fe2O3含量從0.15%降至0.028%。
采用HF處理硅石(石英)制備超純SiO2,其過程如下:用濃HF處理浸出高品位石英砂(SiO2大于99.9%),使SiO2溶解并產生四氟化硅氣體,四氟化硅氣體經收集并與水(去離子水)發生反應,沉積產生純凈的SiO2,其品位可達99.999%,原有的雜質則留溶液中。
?。?)鹽酸處理
鹽酸可與多種金屬化合物反應,生成可溶性金屬氯化物,其反應能力強于稀硫酸,可浸出某些硫酸無法浸出的含氧酸鹽類礦物。同硫酸一樣在礦物加工工業中大量應用。其缺點是設備防腐蝕要求較高。
石英砂的除鐵提純常采用鹽酸法或鹽酸與其他酸聯合使用,用含18%的鹽酸溶液,用量5%,處理石英砂,加熱至50-80℃,作用時間2-3h,可將其鐵(Fe2O3)含量降至0.015%。
將鹽酸(濃度為1%-10%)溶液和氟硅酸(濃度為1%-10%)一起加入到含石英砂固體20%-80%的料漿中(或用鹽酸處理經水洗滌后,再用氟硅酸處理),在75℃至溶液沸點之間的溫度下處理2-3h,濾出溶液清洗去酸,可將石英砂中Fe2O3含量從0.059%降至0.0005%-0.0002%。
2、礦物的堿處理及鹽處理
?。?)氫氧化鈉
這是目前國內應用最多,也較成熟的方法,主要應用于硅酸鹽、碳酸鹽等堿金屬與堿土金屬礦物的浸出,如石墨、細粒金剛石精礦的提純等。
?。?)碳酸鈉及硫化鈉處理
碳酸鈉溶液對礦物原料的分解能力較弱,但具有較高的選擇性,且對設備的腐蝕性小,所以對碳酸鹽含量高的礦物原料仍不失為一有效的金屬離子浸出劑。常用于黏土礦物的陽離子交換。
碳酸鈉也可同氫氧化鈉來配合使用,去除金屬氧化物效果更好。如硅砂除鐵中,在碳酸鈉中加入40%-50%濃度的NaOH,加熱100-110℃攪拌處理4-5h,經清洗、脫水后Fe2O3含量從o.7%降至0.015%-0.025%。
?。?)氯化鈉、氯化銨
氯化鈉、氯化銨可作為浸出劑脫除礦物中的金屬雜質。如硅砂除鐵時硅砂中加入0.1%-5%的氯化銨混合后,加熱致使氯化銨分解的溫度。加入NaCl時,將石英砂放入其溶液中浸泡,而后將砂在高溫爐中緞燒,使砂中的鐵以FeCl3形式逸出,溫度為650℃,可將Fe2O3含量從0.04%降至0.02%。
3、影響酸堿提純效果的主要因素
整個浸出過程主要包括擴散和吸附-化學反應兩大步,因此影響礦物酸堿浸出的影響因素是:
(1)原礦性質(礦物組成、滲透性.、孔隙度);
?。?)操作因素(礦物粒度、浸出試劑濃度、浸出時間及浸出時的攪拌)。
礦物原料的粒度對固-液相界面及礦漿黏度有較大影響。在一定的粒度范圍內,增加細度可提高浸出速度。但過細會增加礦漿黏度,擴散阻力增大而降低浸出速度。
浸出試劑濃度是影響浸出速度的主要因素之一。浸出試劑濃度愈高,浸出速度愈大。
浸出時進行攪拌會加速整個浸出反應的完成,其浸出速度和浸出率高。通常情況下,攪拌速度適當增加,浸出效果亦好,攪拌速度過高,會導致礦粒隨溶液的“同步”運動,此時攪拌會失去其降低擴散層厚度的作用,且增加能耗。
4、礦物浸出工藝設備
?。?)滲濾浸出槽
依處理量的大小,槽的外殼可用不同的材質制成。如處理量小,可用碳鋼槽或桶;處理量大時,用磚、石、水泥砌成,內襯以一定厚度的防腐層,并且不能漏液。為便于浸出液流動,底部略向浸出液出口方向傾斜。將出口塞住后,用人工或機械將礦石(小于10mm)均勻地裝入槽內,加入配好的浸出劑,浸泡數小時或更長時間后再放液。生產中可采用多個滲濾槽同時操作。
?。?)常壓攪拌浸出設備(機械攪拌浸出槽)
機械攪拌浸出槽可分為單槳和多槳攪拌兩種,機械攪拌器可采用不同的形狀,有槳葉式、旋槳式、錨式和渦輪式。
攪拌器的材質要依浸出介質而定,酸浸時槽體可用碳鋼,內襯橡膠、耐酸磚或聚四氟乙烯塑料;或不銹鋼槽、搪瓷槽等。堿浸時,可采用普通碳鋼槽。
攪拌槳一般為碳鋼襯膠、襯玻璃鋼或由不銹鋼制成。槽體為圓柱形,槽為圓環形或平底,中央有循環筒。攪拌槳裝在循環筒下部??刹捎秒娂訜?,夾套加熱或蒸氣直接加熱方式,以控制浸出過程的溫度,蒸汽直接加熱時,蒸汽的冷凝會使礦漿濃度和試劑濃度發生變化。攪拌槽的容積依生產規模而定,機械攪拌槽一般用于生產規模較小的廠礦。
?。?)有壓攪拌浸出設備(哨式空氣攪拌加壓釜)
礦漿自釜下端進入,與壓縮空氣混合后通過漩渦哨從噴嘴進入釜內,呈紊流狀態在釜內上升,然后經出料管排出。釜內礦漿的加熱或冷卻,一般采用夾套間接傳熱方式。釜內裝有事故排料管。經高壓釜浸出后的礦漿,須將壓力降至常壓后才能送下一作業處理。
2018第三屆礦物精細加工技術高級研修班”
時間:2018.01.20-22日(周六、周日、周一)
地點:中國地質大學(北京)
咨詢:18701083278(掃描下方二維碼添加)
主講老師:
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中國礦業大學(北京),鄭水林教授
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中國地質大學(北京),丁浩教授
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中國建筑材料科學研究總院,王玉芬教授
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中國地質大學(北京),張澤朋教授
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中國地質大學(北京),杜高翔副教授
課程內部:包括礦物精選提純、超細粉碎、表面改性、顆粒復合、綜合利用等精深加工,涉及石英/碳酸鈣/高嶺土/膨潤土/長石/滑石/云母/硅灰石/重晶石……
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