赤铁矿沉淀除铁工艺产品化学质量的影响因素探讨

孙宁磊 戴江洪 殷书岩 李少龙

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

赤铁矿沉淀除铁工艺产品化学质量的影响因素探讨

孙宁磊 戴江洪 殷书岩 李少龙

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

分析了赤铁矿除铁工艺产品质量的影响因素。在一定条件下，升高反应温度、提高原液pH值以及延长反应时间对于提高赤铁矿除铁工艺产品的铁含量与降低杂质硫含量有利。采用加压水洗和常压碱洗方法处理赤铁矿，皆可以获得较低硫含量的赤铁矿产品。

三价铁； 赤铁矿； pH值； 反应温度； 反应时间； 加压水洗； 常压碱洗； 硫含量

0 引言

有色金属湿法冶炼硫酸浸出工艺中，除铁方法较多，如黄钾铁矾法、中和除铁法、针铁矿法等等，这些方法除铁后铁渣中铁含量都小于45%，同时含有大量的杂质，如铁矾渣中含有大量碱金属及硫等杂质，这样的铁渣不能作为工业原料使用。

赤铁矿法除铁[1-2]是一种有效并且环保的工艺，这种工艺既能保证较高的铁沉淀率，又可以产出铁红产品出售。但由于工艺中需要高温高压的条件，其设备投资较高，工艺操作较为复杂，目前工业中很少使用。日本秋田公司饭岛锌冶炼厂是目前世界上唯一一家采用该工艺的企业。其所采用的赤铁矿法工艺，要先将铁酸锌中的三价铁用二氧化硫还原为二价铁，在后续的工艺中中和除杂后再泵入高压釜内氧化沉淀。上述还原工序是锌冶炼过程中较为特定的要求，但若将此方法推广至其他情况，还原工序的必要性需要斟酌，浸出后的大量三价铁若直接沉淀为赤铁矿则使此方法更加经济可行。

三价铁赤铁矿法除铁工艺最关键的问题是产品中杂质含量，尤其是硫的含量较高，不能满足下游企业的需求。恩菲课题组对该问题进行了深入研究，并获得了很好的结果。本文主要研究了赤铁矿除铁工艺铁红产品化学质量的影响因素，为三价铁赤铁矿除铁工艺开发及优化提供了方向。

1 实验

1.1 实验原料

实验采用的化学药剂均为分析纯，利用其配制一定浓度的Fe3+的硫酸高铁溶液，并采用硫酸调节溶液初始pH值。

1.2 实验方法

取一定体积的上述溶液，采用硫酸调整初始pH值后，加入至2 L容积的加压反应釜内，加热到一定温度，并在相同搅拌速率下反应一段时间，真空过滤后将产品洗涤并烘干，期间根据需要进行产品后处理，取滤液及产品进行物理及化学分析。

1.3 分析方法及仪器

低含量元素的测定：原子吸收光谱仪(GGX- 600AAS)；硫元素的测定：硫碳分析仪(CS- 344)；高含量元素的测定：化学滴定；产品物相：M21X超大功率X射线衍射仪；产品形貌及粒度：JSM6480LV型扫描电镜。

2 实验结果及讨论

2.1 反应条件对产品化学质量的影响

实验结果表明，原液pH值、反应温度和反应时间对沉淀Fe2O3产品中硫含量影响较大。

图1 原液pH值对产品化学质量的影响

图1为反应温度为200 ℃、反应时间为1 h条件下原液pH值对产品铁含量及杂质硫含量的影响。当原液pH值分别为0.7、0.9、1.1、1.3和1.5时，所得产品用XRD检测，均为单一的Fe2O3相。这些产品用硫碳分析仪均检测出含有一定量的硫元素。该硫元素的存在形式主要是以少量的碱式硫酸铁或水合铁矾的形式存在。以碱式硫酸铁形式存在主要原因是在Fe3+水解沉淀Fe2O3的过程中生成的细小氧化铁颗粒周围局部酸度过高，从而导致碱式硫酸铁相的生成，而氧化铁颗粒团聚的过程中碱式硫酸铁相会被包裹进氧化铁团块内部，无法靠水洗的方式除掉。图1产品中的铁、硫含量呈反向变化关系，随着原液pH值的升高，产品中的铁含量增加，硫含量降低，可见溶液酸度的降低可以促进氧化铁的生成而不利于碱式硫酸铁的生成。pH值继续提高，Fe3+会以水解的方式沉淀下来，所以本研究中未对高于1.5的值进行实验。

图2为原液pH=1.3、反应时间为1 h条件下反应温度对产品化学质量的影响。当反应温度在170～210 ℃时，随着反应温度的升高，产品中的铁含量逐渐增加，硫含量逐渐降低，Fe2O3物相在较高温度下较为稳定，可见温度的升高促进了氧化铁的生成，同时会促进碱式硫酸铁相分解并向氧化铁转化。

图2 反应温度对产品化学质量的影响

图3 反应时间对产品化学质量的影响

图3为原液pH=1.3、反应温度为210 ℃条件下反应时间对产品化学质量的影响。反应时间零点是指从浸出液进入反应釜内开始升温到指定反应温度所经历的时间，该时间为15 min左右。此反应速度较快，反应初期由于溶液体系内条件适宜，水解反应迅速，有大量的Fe2O3沉淀瞬间析出，造成生成的细小Fe2O3颗粒周围局部酸度过高，从而导致(碱式流酸铁)的生成，FeOHSO4可以看做是Fe2(SO4)3向Fe2O3过渡的中、间产物，随着反应时间的延长，由于体系内的酸度，各元素浓度等条件适宜，沉淀中的FeOHSO4相最终会向Fe2O3相转变[3-4]。反应时间继续延长，铁产品有返溶现象，这从时间延长至2.5 h以后铁含量开始降低可以看出。

2.2 后处理工艺对产品化学质量的影响

上述实验结果表明，适宜的反应条件下可以获得质量较好的铁红产品。但是，该产品的硫含量仍然大于1%，不能满足下游企业的需求。产品中的S存在形式主要以水合铁矾或碱式硫酸铁的形式存在，在较高温度或者较高pH下，这两种物质是不稳定的。研究中采取两种方式对产品进行了后处理分别为加压水洗和常压碱洗。表1分别列举了产品一定条件下后处理前后的S含量。

通过水热作用，碱性条件下将黄钾铁矾类化合物转化为赤铁矿的反应如(1)式所示：

2MFe3(SO4)2(OH)6(s)→3Fe2O3(s)+

M2SO4(aq)+3H2SO4(aq)+3H2O(l)

(1)

表1 高温水洗对产品化学质量的改善 单位：%

且从图4洗涤前后SEM图像可以看出，洗涤过程具有破坏团聚，缩小Fe2O3颗粒粒径的作用，从而释放包裹的含硫物质，达到分解洗涤的目的。从表1洗涤前后结果可以看出，一定条件下两种处理方式皆可以获得含硫较低的产品。

图4 碱洗处理对产品形貌的影响

3 结论

(1)反应温度为200 ℃，反应时间为1 h条件下，铁红产品中的铁含量随原液pH值的提高而升高，同时杂质硫含量随之降低。

(2)原液pH=1.3，反应时间为1 h条件下，铁红产品中的铁含量随反应温度的提高而升高，同时杂质硫含量随之降低。

(3)原液pH=1.3，反应温度为210 ℃条件下，铁红产品中的铁含量随反应时间的延长而升高，同时杂质硫含量随之降低，而过长的反应时间可能造成铁红的返溶。

(4)一定条件下加压水洗、常压碱洗两种处理方式皆可获得含硫较低的产品。

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Discussion on Influencing Factors of the Chemical Quality of Hematite Product Prepared via Hydrothermal Precipitation

SUN Ning-lei, DAI Jiang-hong, YIN Shu-yan, LI Shao-long

This article introduced the influencing factors on the chemical quality of hematite product prepared via hydrothermal precipitation. Results indicate that the increase of reaction temperature, initial pH value as well as residence time improved the chemical quality of the precipitation product. Using pressure washing and atmospheric alkali washing to treat hematite can obtained an upgraded quality of the product.

ferric; hematite; pH value; reation temperature; reaction time; sulfur content

2014-10-09

孙宁磊(1980—)，男，河北宣化人，博士，高级工程师，研究方向：有色金属冶金。

TF803.2

A

1008-5122(2015)02-0011-03