非淬水高鎂爐渣降鎂工藝研究*

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。

1 實驗部分

1.1 實驗原料、試劑與儀器

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。

1.2 實驗方法

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

1.3 產(chǎn)品分析

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。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

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 考察各工藝因素對爐渣溶解的影響

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%。

3 結(jié)論

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.