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硼精矿加压碱解法偏硼酸钠清洁制备工艺研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 17:35:45
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硼精矿加压碱解法偏硼酸钠清洁制备工艺研究【摘要】:针对硼工业碳碱法处理翁泉沟硼精矿生产硼砂硼酸存在的高能耗、低资源利用率和硼泥严重污染环境等问题,开发了处理硼铁矿选矿所得硼精矿的加

【摘要】:针对硼工业碳碱法处理翁泉沟硼精矿生产硼砂硼酸存在的高能耗、低资源利用率和硼泥严重污染环境等问题,开发了处理硼铁矿选矿所得硼精矿的加压碱解–苛化除杂–结晶分离新工艺,实现了偏硼酸钠清洁生产。本论文以NaOH强化分解硼精矿为切入点,进行应用基础研究和过程优化,主要取得以下创新性进展: (1)首次提出处理硼精矿的加压碱解–苛化除杂–结晶分离工艺。NaOH溶液选择性溶出硼精矿中B,达到与Mg和Fe良好的分离效果,溶出反应快,溶出率高。系统考查了初始NaOH溶液浓度、溶出温度、反应时间、液固比、搅拌速度和矿石粒度等因素对B溶出率的影响。实验结果表明,在初始NaOH溶液浓度25%、溶出温度140℃、反应时间2h、NaOH溶液与硼精矿质量比4:1、搅拌速度500r/min和矿石粒度小于74μm的优化条件下,B2O3渣计溶出率为95.91%。 (2)研究了硼精矿加压碱解过程的宏观反应动力学。结果表明,硼精矿中B的溶出过程为收缩核模型的表面化学反应控制,实验条件下宏观动力学方程为1(1X)1/3=1.3712×102×e(31640/(RT))×t,表观活化能E=31.64kJ/mol。采取提高溶出反应温度和初始NaOH溶液浓度等措施能强化B的溶出过程。 (3)初步研究了溶出液CaO苛化除杂和硼泥洗涤。结果表明,温度对苛化效果影响明显,100℃苛化2h,溶出液脱Si率69.93%。硼精矿最优溶出条件所得湿硼泥在各级洗涤温度90℃、时间1h、洗水和湿硼泥质量比3:1下三级逆流浆化洗涤,Na2O和B2O3含量分别降至0.35%和0.45%,浆洗效果显著。 (4)测定了NaOH NaBO2H2O理想体系的结晶成核诱导期和40和90℃的溶解度等温线。结果表明,该体系结晶成核诱导期短,属易结晶体系;NaBO2溶解度随温度升高而明显增大,随NaOH溶液浓度增大而先减小后变缓,可采用冷却结晶从溶出液中分离偏硼酸钠,避免了蒸发结晶的高能耗问题。 (5)探索实验表明,影响串联溶出反应B转化率的主要因素为NaOH补加量、溶液中B浓度和溶出温度等。B主要伴生元素Mg, Fe, Si和Al等的溶出行为研究表明,硼精矿加压碱解过程部分Si和Al从固相转入液相,Mg和Fe等基本富集于渣相终硼泥,终硼泥主要物相为Mg(OH)2。两级串联溶出的四次循环工艺实验研究结果表明,第一级最优溶出条件,第二级温度150℃,其余参数和第一级一致的溶出条件下,各次溶出B转化率86.84~96.26%,第二级溶出液含B27.33~29.84g/L,而Si和Al等杂质维持低浓度而无明显提高。二级溶出液经苛化除杂和净化液90℃密闭陈化脱色后自然降温至25℃恒温搅拌结晶6h (200r/min),约2h达平衡,粗晶依次用无水乙醇和饱和偏硼酸钠溶液洗涤,40℃干燥,制得截面平行四边形或六边形的晶体NaB(OH)4,结晶率70%,纯度约90%。 【关键词】:硼精矿 加压碱解 动力学 净化 冷却结晶 偏硼酸钠 循环
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TQ128
【目录】:
  • 摘要3-5
  • ABSTRACT5-11
  • 第一章 文献综述11-23
  • 1.1 硼矿资源概述11-17
  • 1.1.1 硼和硼化合物的性质及用途11-12
  • 1.1.2 硼矿资源分布12-14
  • 1.1.3 辽宁翁泉沟硼铁矿资源概述14-16
  • 1.1.3.1 矿石类型14-15
  • 1.1.3.2 主要目的矿物含量和嵌布特征15-16
  • 1.1.4 国内外硼工业的发展概况16-17
  • 1.2 硼矿加工工艺17-21
  • 1.2.1 硼镁矿加工工艺17-20
  • 1.2.1.1 硼镁矿加工生产硼酸17-19
  • 1.2.1.2 硼镁矿加工生产硼砂19-20
  • 1.2.2 硼镁铁矿加工工艺20-21
  • 1.2.3 硼矿加工的机理研究21
  • 1.3 本课题研究思路和内容21-23
  • 第二章 硼精矿加压碱解工艺及动力学研究23-47
  • 2.1 前言23
  • 2.2 实验部分23-29
  • 2.2.1 实验试剂和仪器23-24
  • 2.2.2 实验装置24-25
  • 2.2.3 实验方法25-26
  • 2.2.4 分析方法26-29
  • 2.2.4.1 硼精矿和终硼泥的元素含量分析26-27
  • 2.2.4.2 溶出液的组成分析27-28
  • 2.2.4.3 硼精矿和硼泥的物相和形貌分析28-29
  • 2.3 实验结果与讨论29-45
  • 2.3.1 硼精矿的性质研究29-30
  • 2.3.1.1 硼精矿的化学组成分析29
  • 2.3.1.2 硼精矿的物相和形貌分析29-30
  • 2.3.2 NaOH 溶液溶出硼精矿的正交实验30-32
  • 2.3.3 NaOH 溶液溶出硼精矿单因素实验32-36
  • 2.3.3.1 初始 NaOH 溶液浓度的影响32-33
  • 2.3.3.2 液固比的影响33
  • 2.3.3.3 反应时间的影响33-34
  • 2.3.3.4 反应温度的影响34-35
  • 2.3.3.5 矿石粒度的影响35-36
  • 2.3.3.6 搅拌速度的影响36
  • 2.3.4 硼精矿中硼溶出过程的反应机理分析36-38
  • 2.3.5 硼精矿中硼溶出过程的宏观动力学研究38-45
  • 2.3.5.1 硼溶出动力学模型的选择39-40
  • 2.3.5.2 硼溶出动力学的速率控制步骤40-45
  • 2.4 本章小结45-47
  • 第三章 溶出液苛化除杂和硼泥的洗涤47-55
  • 3.1 前言47
  • 3.2 实验部分47-50
  • 3.2.1 实验试剂和仪器47-48
  • 3.2.2 实验装置48
  • 3.2.3 实验方法48-49
  • 3.2.4 分析方法49-50
  • 3.2.4.1 终硼泥 Na 和 B 的含量分析49
  • 3.2.4.2 液相 B, Si 和 Al 等含量分析49-50
  • 3.3 实验结果和讨论50-53
  • 3.3.1 溶出液苛化除杂50-51
  • 3.3.2 硼泥的洗涤51-53
  • 3.4 本章小结53-55
  • 第四章 NaBO_2-NaOH-H_2O 理想体系溶解度测定和初级成核动力学研究55-65
  • 4.1 引言55
  • 4.2 理论基础55-57
  • 4.2.1 溶液结晶55-56
  • 4.2.2 结晶成核过程56
  • 4.2.3 结晶诱导期56-57
  • 4.3 实验部分57-60
  • 4.3.1 实验仪器和试剂57-58
  • 4.3.2 实验装置58
  • 4.3.3 实验方法58-59
  • 4.3.4 分析方法59-60
  • 4.3.4.1 液相 B 和 NaOH 的含量分析59-60
  • 4.3.4.2 平衡固相物相鉴定和形貌分析60
  • 4.4 实验结果与讨论60-63
  • 4.4.1 NaOH-NaBO_2-H_2O 理想体系 40 和 90 ℃的溶解度60
  • 4.4.2 水合偏硼酸钠结晶诱导期60-61
  • 4.4.3 SMT(偏硼酸钠)晶体的物相和形貌分析61-63
  • 4.5 本章小结63-65
  • 第五章 偏硼酸钠清洁制备全流程实验65-83
  • 5.1 引言65
  • 5.2 实验部分65-67
  • 5.2.1 实验试剂和仪器65-66
  • 5.2.2 实验装置66
  • 5.2.3 实验方法66-67
  • 5.3 实验结果与讨论67-80
  • 5.3.1 串联溶出反应的影响因素研究67-68
  • 5.3.2 偏硼酸钠的分离方法68-72
  • 5.3.2.1 硼精矿中硼主要伴生元素的溶出行为68-71
  • 5.3.2.3 B 和 Si, Al 的分离71
  • 5.3.2.4 B 与 NaOH 的分离71-72
  • 5.3.3 循环实验硼精矿两级串联溶出反应的研究72-74
  • 5.3.4 循环实验偏硼酸钠冷却结晶分离的研究74-78
  • 5.3.5 循环工艺的稳定性分析78-80
  • 5.3.5.1 硼精矿 B 转化率变化78
  • 5.3.5.2 各次循环的各级溶出液组成变化情况78-80
  • 5.4 硼精矿加压碱解全工艺流程80-81
  • 5.5 本章小结81-83
  • 第六章 结论与展望83-87
  • 6.1 主要结论83-85
  • 6.2 展望85-87
  • 参考文献87-91
  • 发表论文和参加科研情况说明91-93
  • 致谢93


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