承德某高硅铁尾矿碱浸硅工艺条件研究

牟文宁 辛海霞 雷雪飞 罗绍华

（1.东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，河北秦皇岛066004；2.秦皇岛市资源清洁转化与高效利用重点实验室，河北秦皇岛066004）

截止2013年，我国铁尾矿堆存量已超过90亿t［1］。河北省是我国铁尾矿堆存量和排放量第一大省，承德市则是河北省尾矿堆存量最大的地区，截止2012年底，承德市铁尾矿堆存量已接近20亿t，并以每年约2亿t的速度在增长。承德市堆存的大量铁尾矿不仅占用土地，污染周边环境，而且威胁着京津都市圈的生态环境和京津饮水安全，此外，每年还需消耗大量的资金用于尾矿坝的建设和维护，以免溃坝危害人民的生命和财产安全［2］。

目前，针对承德铁尾矿的利用研究主要集中在生产水泥、玻璃制品、建筑材料、充填矿山采空区、土壤改良剂及微量元素肥料、复垦植被等方面［3-6］，但综合利用率还不到10%。因此，开展承德铁尾矿的开发利用研究，化害为利，不仅可以有效缓解铁尾矿堆存带来的生态问题，而且对实现钢铁企业的可持续发展及节能减排具有重要意义。

铁尾矿的主要成分不外乎为铁、硅、镁、钙、铝的氧化物及其盐，其中SiO2含量往往最高，一般为

35%～75%，具有巨大的潜在开发利用价值。一些学者利用酸浸法［7］、碱溶法［8］、酸碱联合法［9］、熔盐法［10-12］和碳热还原法［13］对铁尾矿进行处理制备白炭黑、分子筛、碳化硅等硅产品。鉴于此思路，为给承德地区的高硅铁尾矿开发和利用提供技术支持，试验以承德某高硅铁尾矿为原料，进行了碱浸法提硅工艺技术条件研究，充分实现硅的转化，为硅产品的制备提供硅源。

1 试验原料、方法及原理

1.1 试验原料

试验原料取自承德某矿，经球磨、筛分后得到粒度为-200目的样品，其比表面积为14.2 m2/g，XRF分析结果见表1，XRD图谱见图1。

由表1可知，铁尾矿SiO2含量为65.27%，属于高硅铁尾矿。

由图1可知，铁尾矿中的主要矿物为石英、赤铁矿和高岭石（2SiO2·Al2O3·2H2O），其中石英和高岭石是主要的含硅矿物。

1.2 试验方法

称取一定量的铁尾矿置于聚四氟乙烯三口瓶中，按一定的液固比倒入一定浓度的NaOH溶液后，放置在恒温电热套上加热，搅拌强度为400 r/min。温度升至预定值时计为反应开始时间，反应一定时间后停止加热，冷却后过滤。采用氟化钠滴定法测定滤液中硅的含量，并计算硅转化率。

1.3 试验原理

铁尾矿在碱浸过程中，含硅矿物将与NaOH反应生成可溶性的硅酸钠，而Fe2O3在此条件下不与NaOH反应［14］。浸出反应的方程式为

2 试验结果与讨论

2.1 单因子条件试验

为确定正交试验各因素水平的取值范围，首先进行了单因子条件试验。

2.1.1 NaOH初始浓度试验

在液固比为5∶1 mL/g，浸出温度为100℃，浸出时间为4 h情况下研究NaOH溶液初始浓度（30%～60%）对硅转化率的影响，结果如图2所示。

由图2可知，硅的转化率随NaOH初始浓度的增加先增大后减小。NaOH的初始浓度提高意味着体系中NaOH的含量越高，在一定范围内提高体系的NaOH含量可促进含硅矿物碱浸反应正向进行；当NaOH初始浓度为55%时，硅的转化率达到最大值42.71%；继续提高NaOH的初始浓度，硅的转化率降低，这与NaOH的初始浓度过高、溶液的黏度过大，不利于NaOH向矿物表面迁移及溶出物扩散有关。因此，确定后续试验的NaOH初始浓度为55%。

2.1.2 浸出温度试验

在NaOH初始浓度为55%，液固比为5∶1 mL/g，反应时间为4 h情况下研究铁尾矿碱浸温度（80～150℃）对硅转化率的影响，结果如图3所示。

由图3可知，碱浸温度从80℃提高至130℃，硅的转化率显著上升，130℃时的硅转化率达92.14%；继续提高碱浸温度，硅的转化率上升不明显。升高浸出温度可使体系的分子运动加剧，液固相间的传质加强，增大反应物和产物的扩散速度，从而加快含硅矿物与NaOH的反应速率［15］，缩短含硅矿物溶解所需的时间。综合考虑，确定适宜的浸出温度为130℃。

2.1.3 浸出时间试验

在NaOH浓度为55%，液固比为5∶1 mL/g，浸出温度为130℃情况下研究浸出时间（1～6 h）对硅转化率的影响，结果如图4所示。

由图4可知，浸出时间对硅转化率的影响较明显，浸出时间从1 h增加至4 h，硅的转化率增加了46.50个百分点；继续增加浸出时间，硅的转化率提高不再明显，是因为浸出4 h时含硅矿物已趋于反应完全。因此，确定后续试验的浸出时间为4 h。

2.1.4 液固比试验

在NaOH浓度为55%，反应温度为130℃，反应时间为4 h情况下研究液固比（3.0∶1～6∶1）对硅转化率的影响，结果如图5所示。

由图5可知，硅的转化率随着液固比的增大而增大。当液固比大于5∶1后，继续提高液固比，硅的转化率上升幅度平缓。液固比增大，反应体系中NaOH的量增加，体系的流动性变好，传质容易，因而有利于硅的浸出；液固比过大会导致碱循环量增大，因此，确定后续试验的液固比为5∶1 mL/g。

2.2 正交实验

以单因子条件试验确定的工艺参数值作为正交试验（L9（34））各因素水平的中值。试验各因素的水平安排见表2，试验结果见表3，极差分析结果见表4。

由表3可知，3号试验的硅转化率最高，为95.91%，对应因素组合为：NaOH初始浓度为50%，液固比为5.5∶1 mL/g，浸出温度为140 ℃，浸出时间为5 h。

由表4可知，各因素影响硅转化率的主次顺序为浸出温度＞浸出时间＞NaOH初始浓度＞液固比。各因素的优化组合为A2B3C3D3，即NaOH初始浓度为55%，液固比为5.5∶1 mL/g，浸出温度为140℃，浸出时间为5 h。此组合不在正交试验表3之列，因此对A2B3C3D3组合进行了验证试验，得到的硅转化率为96.14%。因此，各因素的最优组合为A2B3C3D3。

3 结论

（1）承德某高硅铁尾矿SiO2含量为65.27%，主要组成矿物为石英、赤铁矿和高岭石，主要含硅矿物为石英和高岭石。

（2）用NaOH浸出该尾矿中的硅，硅的转化率随着浸出温度、浸出时间和液固比的增大而增大，随着NaOH初始浓度的增大先增大后减小，各因素对硅转化率影响的主次顺序为浸出温度＞浸出时间＞NaOH初始浓度＞液固比，正交试验确定的最佳工艺条件：浸出温度为140℃，浸出时间为5 h，NaOH初始浓度为55%，液固比为5.5∶1 mL/g，硅的转化率达96.14%，为承德高硅铁尾矿的利用提供了技术支持。