贵州某钡渣盐酸浸出回收钡离子实验研究_李德伟.pdf

贵州某钡渣盐酸浸出回收钡离子实验研究李德伟，代文治，李杰，李嘉欣，聂光华（贵州大学 矿业学院，贵州贵阳550025）摘要：大量钡渣堆积会对环境造成极大的危害。对钡渣采用盐酸浸出，能有效回收钡渣中剩余可溶性钡盐，还能大大减少钡渣对环境的危害，是一种较好的利用钡渣的方法。本文通过实验，得出了较好的钡渣盐酸浸出条件，在钡渣磨矿细度为-0.074 mm 80%，盐酸浓度为 3 mol/L，浸出固液比为 17，浸出时间为 2 h，浸出温度为 40，浸出搅拌速度 480 r/min 时，得到了较佳的钡离子浸出率，钡离子总浸出率达到了 38.88%，仅考虑可溶性钡盐时，钡离子浸出率达到 90.30%。关键词：钡渣；浸出；钡离子；重晶石；浸出率doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2023.02.013中图分类号:TD985;TD91 文献标志码:A 文章编号:1000-6532（2023）02007005 钡渣是工业生产碳酸钡时所产生的固体废弃物，其主要含有可溶性钡盐和未反应的重晶石。据调查可知，每生产一吨碳酸钡平均会产生 0.87 t左右的钡渣。而我国每年产生的钡渣量达到上百万吨1。大量钡渣堆存，占据了大量国土资源，且由于雨水的冲刷，其中可溶性钡盐如硫化钡等被溶出，大量钡离子进入大地，对环境造成了严重的污染。目前钡渣的利用主要集中在制备建筑材料2-3、处理工业酸性废水4以及采用酸浸法生产各种钡盐5-6等方面。利用钡渣产生各种钡盐可以有效的回收利用钡渣中的剩余钡资源，也可以大大减少钡渣对环境的危害，是一种较好的利用钡渣的方式，目前对钡渣的浸出主要采用盐酸一次浸出法7。贵州某化工厂钡渣大量堆积，对环境造成巨大危害。为减少该钡渣对环境的危害，有效回收钡渣中的可溶性钡盐，本文以贵州某化工厂钡渣为研究对象，对钡渣的盐酸浸出条件进行了研究，得出了较优的钡渣盐酸浸出条件，并获得了较佳的钡离子浸出率。1试样与方法 1.1试样与药剂所用钡渣取自于贵州某地，为重晶石工业制取碳酸钡后所产生的钡渣。将所取钡渣自然晾干，然后采用颚式破碎机破碎，样品全部过 2 mm筛，经过混匀缩分，取出部分原矿样，剩余样品装袋备用。实验药剂均为分析纯。对试样进行多元素分析，结果见表 1。化学方法分析钡渣中硫酸钡质量分数为 24.75%，碳酸钡质量分数为 16.34%。表 1 钡渣样多元素分析结果/%Table 1 Chemical compositions of samplesBaOSiO2CaOFe2O3Al2O3MgO30.2314.809.049.004.872.86 从化学分析与元素分析中可以看出，钡渣中钡资源剩余较多，具有一定的回收价值。其中可溶性钡盐含量较高，通过盐酸浸出可有效降低钡渣的危害。收稿日期:2021-03-12基金项目:贵州省科技厅社会攻关计划项目，黔科合 2016 支撑 2902-3；贵州大学博士基金，贵大人基合字(2016)60 号作者简介:李德伟（1995-），男，硕士研究生，研究方向为重晶石选矿，钡渣处理。通信作者:聂光华（1973-），男，副教授，博士。研究方向为矿物加工工程。矿产综合利用 70 Multipurpose Utilization of Mineral Resources2023 年 1.2实验方法 1.2.1钡渣浸出实验每次取样 5 g（精确至 0.0001 g）置于 100 mL烧杯中，加入盐酸，将烧杯置于水浴恒温磁力搅拌器中，调节温度与搅拌速度，恒温浸出。浸出结束后，将其全部过滤，反复洗涤沉淀至无氯离子，收集滤液，利用硫酸钡重量法测定浸出液中钡离子含量。实验考查磨矿细度，盐酸浓度，浸出固液比，浸出时间，浸出温度以及浸出搅拌速度对钡离子浸出率的影响。1.2.2钡离子浸出率分析方法对浸出液加入过量硫酸使钡离子充分沉淀，使用致密定量滤纸过滤硫酸钡沉淀，洗涤沉淀至无氯离子（采用硝酸银溶液检验），将沉淀及滤纸一同移至已恒重的坩埚中，先低温灰化，再置于马弗炉中于 800 下焙烧至质量恒定。钡离子浸出率计算公式为：=(m2m1)0.5884m0(1)：钡离子浸出率；m0：钡渣取样质量；m1：坩埚质量；m2：焙烧后干坩埚与沉淀质量和；：钡渣原样中钡元素含量。2结果与讨论 2.1磨矿细度对钡离子浸出率的影响在盐酸浓度为 3 mol/L，浸出固液比为 15，浸出时间为 2 h，浸出温度为 60，搅拌速度为480 r/min 的情况下，考查了不同的磨矿细度对钡离子浸出率的影响。磨矿细度对钡离子浸出率的影响见图 1。由图 1 可知，随着磨矿细度增加，钡离子浸出率逐渐升高。这是因为随着磨矿细度增加，钡渣颗粒与盐酸的接触面积大大增加，使反应速率明显加快，钡渣更加容易与盐酸发生反应，从而有助与钡离子的浸出。另外，由于在工业生产经过高温焙烧，钡渣中会形成许多细小的包裹体。这使得盐酸难以与包裹体内的可溶性钡盐反应，阻止了钡离子的浸出。但随着磨矿细度增加，各个包裹体被打开，使其内部的钡盐被暴露出来，因此有利于钡离子地浸出。由图 1 可知，当磨矿细度到达 90%时，钡离子浸出率相比于磨矿细度为 80%时的浸出率，仅提高了不到百分之一。因此最终确定较佳磨矿细度为-0.074 mm 80%。606570758085903233343536373839400.074 mm/%浸出率/%图 1 磨矿细度对钡离子浸出率的影响Fig.1 Effect of grinding fineness on barium ion leaching rate 2.2盐酸浓度对钡渣浸出率的影响在磨矿细度为-0.074 mm 80%，浸出固液比为15，浸出时间为 2 h，浸出温度为 60，搅拌速度为 480 r/min 的情况下，考查了不同的盐酸浓度对钡离子浸出率的影响。盐酸浓度对钡离子浸出率的影响结果见图 2。1.01.52.02.53.03.54.012151821242730333639浸出率/%HCl 浓度/(molL1)图 2 盐酸浓度对钡渣浸出率的影响Fig.2 Effect of hydrochloric acid concentration on leachingrate of barium residue 由图 2 可知，随着盐酸浓度增加，钡渣浸出率逐渐升高，当盐酸浓度为 3 mol/L 时达到峰值。当盐酸浓度大于 3 mol/L 后，浸出率略有下降。分析可知，当盐酸浓度低于 3 mol/L 时，随着盐酸浓度的升高，溶液中氢离子浓度逐渐升高。而钡渣浸出的主要化学方程式见式（2）：BaCO3+2H+Ba2+CO2+H2O(2)第 2 期2023 年 4 月李德伟等：贵州某钡渣盐酸浸出回收钡离子实验研究 71 因此，随着 H+浓度增加，反应正向移动，有利于钡离子浸出。然而随着盐酸浓度继续增加，钡离子浸出率出现下降趋势。分析可知，在钡渣中，还含有部分硅酸盐矿物，在浸出过程中，化学方程式见式（3）：BaSiO3+2H+Ba2+H2SiO3(3)可知反应生成硅酸，由于硅酸为胶状，硅酸包裹在钡渣颗粒表面，阻止了盐酸与钡渣中酸溶性矿物的反应，从而使钡离子浸出率下降。最终确定较佳盐酸浓度为 3 mol/L。2.3浸出固液比对钡渣浸出率的影响在磨矿细度为-0.074 mm 80%，盐酸浓度为3 mol/L，浸出时间为 2 h，浸出温度为 60，搅拌速度为 480 r/min 的情况下，考查了不同的浸出固液比对钡离子浸出率的影响。实验结果见图 3。1:31:51:71:93334353637383940浸出率/%固液比图 3 浸出固液比对钡渣浸出率的影响Fig.3 Effect of leaching solid-liquid ratio on barium slagleaching rate 由图 3 可知，随着浸出固液比增加，钡离子浸出率逐渐升高，当固液比达到 17 时，钡离子浸出率达到峰值，但当固液比大于 17 后，钡离子浸出率开始下降。分析可知，随着固液比的增加，浸出过程的矿浆浓度逐渐降低，钡渣颗粒与盐酸充分接触，使其反应面积明显增加。另一方面，随着盐酸用量的增加，溶液中的氢离子含量也随之增加，更多的氢离子有利于与碳酸钡等反应，促进了钡离子的浸出。而当固液比过高后，过量的盐酸与钡渣中的硅酸盐矿物反应生成硅酸胶体，大量的硅酸包裹在细微钡渣颗粒上，阻止了浸出反应的进一步进行，从而对钡离子浸出起到了负面影响。故选择较佳浸出固液比为 17。2.4浸出时间对钡渣浸出率的影响在磨矿细度为-0.074 mm 80%，盐酸浓度为3 mol/L，浸出固液比为 17，浸出温度为 60，搅拌速度为 480 r/min 的情况下，考查了不同的浸出时间对钡离子浸出率的影响。浸出时间对钡离子浸出率的影响结果见图 4。0.51.01.52.02.53.038.038.539.039.5浸出率/%时间/min图 4 浸出时间对钡渣浸出率的影响Fig.4 Effect of leaching time on the leaching rate of bariumresidue 由图 4 可知，随着浸出时间增加，钡离子浸出率逐渐升高，在反应初期反应速率较快，反应时间越长，反应速率越慢。分析可知，在浸出初期，盐酸浓度较高，钡渣与盐酸充分接触，其反应速率较大，故钡离子浸出率曲线上升较陡。随着浸出时间增加，盐酸被逐渐消耗，盐酸浓度逐渐下降，从而使得反应速率减缓，当浸出时间达到两小时后，钡离子浸出率提高很小。另外，在浸出反应初期，溶液中盐酸与硅酸盐反应较少，生成的少量硅酸胶体对钡离子浸出影响不大。但随着反应时间的延长，溶液中硅酸逐渐增多，生成的硅酸包裹在钡渣颗粒上，阻止了反应进一步进行。综合考虑，选择较佳浸出时间为 2 h。2.5浸出温度对钡渣浸出率的影响在确定磨矿细度为-0.074 mm 80%，盐酸浓度为 3 mol/L，浸出固液比为 17，浸出时间为 2 h，搅拌速度为 480 r/min 的情况下，考察了不同的浸出温度对钡离子浸出率的影响。浸出温度对钡离子浸出率的影响结果见图 5。由图 5 可知，随着浸出温度增加，钡离子浸出率先迅速升高，当浸出温度达到 40 时达到峰值，随着浸出温度继续升高，钡离子浸出率开始缓慢降低。这是因为由于钡渣浸出的主要化学反 72 矿产综合利用2023 年应为盐酸与碳酸钡的置换反应，该反应为吸热反应。因此，随着反应温度的升高，化学反应速率加快。又因为钡渣浸出生成 CO2，温度的升高还有利于 CO2及时的排出，使化学平衡向正反应方向移动。另外，温度的提高也使得溶液中分子扩散速率加快，有利于钡渣与盐酸的反应。且温度越高，金属盐的溶解度积常数 Ksp越大8，更利于钡离子溶出。而当浸出温度大于 40 后，虽然反应温度提高使得反应速率加快，但随之盐酸的挥发也得到增强，从而使得溶液中盐酸浓度下降，从而使氢离子浓度降低，减弱了钡渣与氢离子的接触，使得浸出反应速率减慢，化学平衡向负反应方向移动，使得钡离子浸出速率下降。且随着温度升高，钡渣中硅酸生成也逐渐加快，硅酸胶体包裹住钡渣颗粒，也阻止了钡离子的浸出。综合考虑，选择较佳浸出温度为 40。20304050607080303234363840浸出率/%温度/图 5 浸出温度对钡渣浸出率的影响Fig.5 Effect of leaching temperature on the leaching rate ofbarium residue 2.6搅拌速度对钡渣浸出率的影响在确定磨矿细度为-0.074 mm 80%，盐酸浓度为 3 mol/L，浸出固液比为 17，浸出时间为 2 h，浸出温度为 40 的情况下，考查了不同的搅拌速度对钡离子浸出率的影响。搅拌速度对钡离子浸出率的影响结果见图 6。由图 6 可知，随着搅拌速度的增加，钡离子浸出率先快速升高，当搅拌速度达到 480 r/min 时达到峰值，随着搅拌速度继续升高，钡离子浸出率开始有所下降。通过分析可知，随着搅拌速度升高，溶液中离子扩散速率提高，促进了盐酸与钡渣的接触，从而加