熔分钛渣有价元素综合利用的物理化学基础研究

发布时间：2020-07-10 11:57

【摘要】：熔分钛渣是将钒钛磁铁矿经直接还原提铁后再通过电炉熔分获得的一种含钛炉渣,其Ti02含量约为47%～51%,具有较高的综合利用价值。目前,对熔分钛渣的利用仅仅是用于硫酸法制备钛白,其产品附加值低,且二次污染严重。本文针对熔分钛渣的特点,提出了基于碱熔-水浸-酸解法提钛新工艺,不仅有效地回收了渣中的Ti、Al、Mg、Si等有价元素,还制备出纳米TiO2光催化剂和NaA型分子筛等高附加值产品,实现了熔分钛渣有价元素的高效综合利用。 利用熔融NaOH对熔分钛渣进行碱熔处理。研究了熔分钛渣中含钛物相和MgAl2O4相在碱熔过程的物相转化过程及转变机理,探讨了主要物相在转化过程中的动力学,并计算了其反应活化能。结果表明：当碱熔温度为500℃,渣碱比为1：1时,熔分钛渣中的含钛相黑钛石固溶体能够完全转变成为具有NaCl结构的Na2TiO3。升高反应温度,降低渣碱比,可以促使具有NaCl结构的Na2TiO3转变为具有α-NaFeO2结构的NaMO2(M=Ti, Fe, Mg)。此外,含钛相和MgAl2O4相的转化过程在动力学上符合未反应核模型,且转化过程均受界面化学反应控速,其表观活化能分别为41.76kJ/mol和55.88kJ/mol。 针对酸解过程,详细探讨了不同酸解条件对制备合成纳米TiO2晶型和形貌的影响,结果表明：以3g碱熔渣在200mL酸溶液中进行酸解时,HCl体系中容易制备出具有针状团簇体结构的金红石型TiO2,H2SO4体系中容易制备出具有微球状粒子团簇体结构的锐钛矿型TiO2,在HNO3体系中制备的TiO2则是两种晶型的混合型。研究发现,随着H2SO4浓度的提高,开始形成的锐钛矿型TiO2会逐步转变成为金红石型TiO2。随着液固比的提高或pH值的降低,锐钛矿型TiO2会逐步转变成为金红石型TiO2,其微观形貌也由纳米粒子的团簇体逐步转变为海胆状的结构。随着酸解时间的延长,制备的TiO2晶型不会改变,但结晶性和晶粒大小会逐步提高。研究发现,制备得到的纳米TiO2光催化剂有Fe和Si元素的掺杂,在可见光条件下对罗丹明B溶液均具有很好的光催化效果,光照120min时的最大降解率可达到91%。 针对水浸及NaA型分子筛制备过程,讨论了水浸条件对碱熔渣中NaAlO2和Na2SiO3浸出率的影响。以碱熔渣水浸液为原料,分别采用水热法和常压冷凝回流法合成NaA型分子筛。结果表明：常温条件下控制液固比为10：1水浸60min获得的一次水浸液适合作为制备分子筛的原料。采用水热法或常压冷凝回流法,控制硅铝比(n(SiO2)/n(Al2O3))为2.0,水钠比(n(H2O)/n(Na2O))为60～100时,在合适的温度和时间条件下都可以制备合成NaA型分子筛。在合成NaA型分子筛过程中,提高反应温度,降低水钠比或延长反应时间都易于使立方块状的NaA型分子筛向球状羟基方钠石转变。控制硅铝比为2.0,水钠比为100,在水热温度为120℃,水热时间为3h条件下合成的NaA型分子筛对Cu2+具有较好的吸附效果,150min时的吸附率可达70%。 基于熔分钛渣综合利用新工艺,研究了渣中各元素的分布走向趋势,初步计算了其回收利用效率。结果表明：该循环工艺可以实现熔分钛渣中Ti、 Al、Mg、Si的综合利用,其回收利用效率分别为97.5%、87.0%、53.5%和26.3%,具有较好的环境和经济效益。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X757
【图文】：

TiOz的光催化机理示意图

管激光器作为光源，波长为514 nm。实验中所用的馆分钛澄是由攀枝花钢铁公司提供，其物相分析如图3-1所示。由XRD图谱可以看出，其主要含铁相为MgThOs、TisOs等黑钦石固溶体和Mg2Ti04，而主要杂质相为MgAhCXj和无定形的桂酸盐类以及少量的铁氧化物。由于馆分铁澄是经过直接还原所得，所以有部分的Ti4+被还原成Ti3+。图3-2为溶分钛澄中Ti元素的XPS分析，由图可以看出，在457.4 eV和463.7 eV附近出现了两个电子能结合峰，分别对应于Ti 2p3/2和Ti 2pi/2的结合能，将其进行分峰拟合可以发现，存在Ti4+和Ti3+两种价态，说明馆分-31 -

根据公式（3-9)，可以计算出反应方程式（3-1)?（3-5)五个反应的吉布斯自由能随温度变化的关系，其结果如图3-4所示。01 1-10000 - _^等%

本文编号：2748884