硫酸浸取硫铁矿烧渣工艺条件的优化*

师兆忠，占桂荣

（开封大学化学工程学院，河南开封 475004）

环境·健康·安全

硫酸浸取硫铁矿烧渣工艺条件的优化*

师兆忠，占桂荣

（开封大学化学工程学院，河南开封 475004）

对硫酸浸取硫铁矿烧渣反应进行了实验研究，探讨了影响浸取反应的影响因素。主要考察了反应温度、反应时间、硫酸浓度及硫酸用量过量系数对铁浸出率的影响，通过4因素4水平正交试验得出各种影响因素的极差值依次为：反应温度（0.212）、时间（0.075 5）、过量系数（0.062 5）、浓度（0.057 7），其中温度影响最为显著。优化的工艺条件温度为100℃、时间为3 h、过量系数为1.05、浓度为8 mol/L，实际操作中由于温度在100℃时不便于控制，可以采用微加压更有利于浸出率的提高。

硫铁矿烧渣；硫酸；正交试验；浸取

硫铁矿烧渣是以硫铁矿为原料生产硫酸时产生的残渣，其主要成分为氧化铁和四氧化三铁。中国每年平均排放硫铁矿烧渣约1×107t，由于其含有硫等杂质及氧化铁品位偏低等原因，故硫铁矿烧渣很难直接用作炼铁的原料，其主要用于颜料和净水剂的生产。目前，关于硫铁矿烧渣的利用研究很多［1-7］。笔者在参考前人研究的基础上，通过正交试验优化影响浸出反应的工艺条件，研究了硫酸浸取硫铁矿烧渣的反应过程。

1 实验原料与方法

1.1 实验试剂及原料

硫酸 （AR），质量分数为98%；蒸馏水；盐酸（AR），质量分数为36.5%；氯化亚锡溶液，50 g/L；甲基橙，质量分数为0.2%的水溶液；二苯胺磺酸钠，质量分数为0.2%的水溶液；硫磷混酸：将150 mL浓硫酸缓慢加入700 mL蒸馏水中，冷却后，加入150 mL磷酸，摇匀。

硫铁矿烧渣（安徽铜陵化学工业集团公司），主要化学组成为：w（Fe）=48.94%、w（酸不溶物）= 13.9%、w（Al2O3）=0.64%、w（Cu）=0.35%、w（S）= 1.3%、w（CaO）=3.6%。粒度分布见表1。

表1 硫铁矿烧渣粒度分布

1.2 实验方法

称取30 g硫铁矿烧渣放入250 mL三颈瓶中，按照化学计量关系加入一定浓度的硫酸，以400 r/min的速率搅拌［8］，控制反应在一定温度下进行。反应结束后，将反应物料用布氏漏斗抽滤，用蒸馏水洗净，将滤饼置于干燥箱中，于110℃±2℃下干燥2 h。冷却至室温，称量滤饼质量，分析总铁含量，按下式计算铁的浸出率（%）：

式中，m烧渣为硫铁矿烧渣的质量，g；w（Fe）烧渣为硫铁矿烧渣中总铁质量分数，%；m滤饼为滤饼质量，g；w（Fe）滤饼为滤饼中总铁质量分数，%。

1.3 分析方法［9］

准确称取1g左右硫铁矿烧渣（精确至0.000 2 g）置于 250 mL烧杯中，加少量蒸馏水润湿，再加20 mL浓盐酸，盖上表面皿，加热至微沸，保持1min，冷却后，转移至250mL容量瓶中，吸取25.00 mL清液于250 mL锥形瓶中，加入8 mL浓盐酸，加热至微沸，趁热滴加6滴甲基橙，然后逐滴加入氯化亚锡，同时剧烈摇动至红色刚刚褪去，迅速用流水冷却锥形瓶，加入50 mL蒸馏水和20 mL硫磷混酸，加入4滴二苯胺磺酸钠指示剂，用浓度为0.05 mol/L的K2Cr2O7溶液滴定至溶液呈稳定的紫红色为止，同时做平行样。

2 结果与讨论

2.1 影响浸出率的因素优化

硫酸浸取硫铁矿烧渣反应属于液固相反应，影响因素主要包括液固质量比（简称液固比）、搅拌速度、硫酸浓度、硫酸过量系数、温度、时间。文献［8］、［10］分别对搅拌速度和液固比进行了研究，并得到适宜的工艺条件（400 r/min、液固比小于4.7）。因此，笔者以浸出率为考察指标，对硫酸浓度、硫酸过量系数、温度、时间4个因素采用L16（44）正交试验进行研究，正交试验结果及极差分析见表2。

由表2可知，对浸出率影响因素大小顺序依次为：温度（0.212）>浸取时间（0.075 5）>硫酸过量系数（0.062 5）>硫酸浓度（0.057 7）。除温度影响较为显著外，其他3个因素影响相近，得到优化的工艺条件：温度为100℃、浸取时间为3 h、硫酸过量系数为1.05、硫酸浓度为8 mol/L，实际操作中由于温度在100℃时不便于控制，通过微加压可有助于浸出率的提高。

2.2 各因素对浸出率的影响

2.2.1不同温度下反应时间和浓度对浸出率的影响

1）反应时间。硫酸过量系数为1.05，浓度为6 mol/L（浓度高且反应时间偏短时，料浆物性差，不易过滤），温度依次为60、70、80、90℃，选择反应时间分别为60、90、120、150、180 min进行实验，浸出率变化趋势见图1。由图1可见，当温度一定时，反应前期浸出速度较快，150 min后反应速率趋缓；当其他反应条件一定时，随着温度升高，浸出率明显增加。

表2 L16（44）正交试验结果及极差分析

2）硫酸浓度。硫酸过量系数为1.05，反应时间为2 h，温度依次为60、70、80、90、100℃，选择浓度分别为5、6、7、8 mol/L进行实验，浸出率变化趋势如图2。由图2可见，当温度一定时，随着硫酸浓度升高，浸出率增加，且基本呈均匀增加态势。但考虑到反应料浆的物性，应适当控制硫酸浓度。

2.2.2 不同浓度和时间下温度对浸出率的影响

1）硫酸浓度。硫酸过量系数为1.05，反应时间为2 h，硫酸浓度依次为5、6、7、8 mol/L，分别在60、70、80、90℃下进行实验，结果见图3。由图3可见，当硫酸浓度一定时，浸出率随着温度的升高而增加，且增幅较大，说明温度对浸取反应影响较大；与2.2.1（1）节结论一致；同一温度下，随着硫酸浓度增加，浸出率呈上升趋势，但幅度明显小于温度的影响。

2）反应时间。硫酸过量系数为1.05，硫酸浓度为8 mol/L，反应时间依次为1、1.5、2、2.5、3 h，分别在60、70、80、90℃下进行实验，结果见图4。由图4可见，在硫酸浓度一定时，浸出率随着温度的升高而增加，且浸出率增幅较大，说明温度对浸取反应影响较大；温度一定时，随着反应时间增加浸出率小幅增加，但当反应时间超过3 h时，浸出率增加不明显。

3 结论

1）通过对影响硫酸浸取硫铁矿烧渣浸出率因素进行正交试验表明：反应温度的影响最显著，硫酸浓度、反应时间、过量系数对浸出率的影响依次减弱。

2）优化的工艺条件：温度为100℃、时间为3 h、过量系数为1.05、硫酸浓度为8 mol/L，实际操作中可以采用加压方式提高温度，有利于浸出率的提高。

［1］陈永亮，陈吉春.以硫铁矿烧渣制备聚合硫酸铁的新工艺［J］.资源环境与工程，2006，20（4）：467-469，481.

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［3］杨华明，占寿祥，李建武.硫铁矿烧渣提纯制铁精矿的试验研究［J］.化工矿物与加工，2002（3）：4-6，28.

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［5］张顺利，马同森，吴志申，等.硫铁矿烧渣制备氧化铁黄和氧化铁红［J］.化学研究，1999，10（1）：47-50.

［6］商志民，宋保山，李留记.硫铁矿烧渣制砖的试验［J］.硫酸工业，1989（4）：51-56.

［7］侯长军，霍丹群，朱德华.硫铁矿废渣酸浸制硫酸亚铁还原工艺［J］.四川化工，1996（1）：13-15.

［8］师兆忠.硫酸氢铵分解磷矿石动力学研究［J］.化学工程，2009，37（6）：33-36.

［9］余振宝，姜桂兰.分析化学实验［M］.北京：化学工业出版社，2006：61.

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Study on optimization of leaching conditions of pyrite cinder with sulphuric acid

Shi Zhaozhong，Zhan Guirong
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Kaifeng University，Kaifeng 475004，China）

An experimental study on leaching reaction between pyrite cinder and sulfuric acid was carried out.Effects of reaction temperature and time，sulphuric acid concentration and excess coefficient on Fe leaching rate were investigated.On the basis of orthogonal experiments of four factors and three levels，the range values of various factors followed by reaction temperature（0.212），reaction time（0.075 5），excess coefficient（0.062 5），and concentration（0.057 7），of which the temperature was the most impactive factor.The optimized conditions were：reaction temperature of 100℃，reaction time of 3 h，excess coefficient of 1.05，and sulphuric acid concentration of 8 mol/L.As it was difficult to operate at 100℃in actual operation，micro-pressure could be applied to improve the leaching rate.

pyrite cinder；sulphuric acid；orthogonal experiment；leaching

TQ138.11

A

1006-4990（2012）11-0042-03

河南省教育厅自然科学基金项目（2008C530001）。

2012-05-13

师兆忠（1968— ），男，教授，博士，主要从事无机化工矿物加工工艺及固体废弃物处理研究工作。

联系方式：haike1015@sina.com