天青石精矿粉制备碳酸锶实验研究*

金建华，杨占寿，夏燕俊

（1.青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007；2.中国科学院青海盐湖研究所）

天青石精矿粉制备碳酸锶实验研究*

金建华1，杨占寿2，夏燕俊1

（1.青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007；2.中国科学院青海盐湖研究所）

采用碳还原法由天青石制备碳酸锶，研究了物质的量比、焙烧温度、焙烧时间、固液质量比、浸取时间等因素对锶利用率的影响，采用正交实验确定了最优锶收率工艺：天青石矿和还原煤物质的量比为5.7∶1、物料焙烧温度为1 150℃、焙烧时间为40 min、固液质量比为1∶14、浸取时间为2.2 h。本研究可为提高锶资源的利用率提供参考。

碳还原法；天青石；碳酸锶；正交实验

碳酸锶是重要的无机化工产品，主要用于彩色显像管、电子陶瓷、磁性材料等行业，随着电子、信息等高科技领域的发展，市场对碳酸锶的需求量日益增大。目前，工业生产碳酸锶大都采用碳还原法和复分解法［1-3］。碳还原法因其工艺和设备简单、成本低、操作简便等优势得到广泛应用，但锶的利用率并不高。针对这一情况，研究了碳还原法制备碳酸锶中天青石焙烧、浸取过程对锶收率的影响。煤物质的量比的天青石试样在高温下进行氧化还原反应，考察了矿煤比对锶收率的影响，结果见图1。

1　实验部分

1.1实验方法

实验采用青海大风山天青石精矿，用碳还原法将天青石和煤粉按一定配比混合，在高温下焙烧还原，生成熟料（俗称“黑灰”，主要化学成分为硫化锶），再经浸取［4-5］、碳化后制成碳酸锶。SrS是强碱弱酸盐，遇水会发生水解生成Sr（OH）2和Sr（HS）2进入溶液。含Sr2+的溶液经净化除去钙、钡、镁等杂质后，加入碳酸钠，即可生成纯净的碳酸锶沉淀。

1.2单因素实验

1.2.1矿煤比对锶收率的影响

在相同焙烧温度、焙烧时间等条件下，将不同矿

图1　矿煤比对锶收率的影响

由图1可知，随着矿煤比的增加，锶收率逐渐上升，当矿煤物质的量比超过5.7∶1后，锶收率开始下降，即过量的还原煤对提高锶的收率不利。所以在保证锶收率的前提下，为避免过量还原煤的浪费，选择适宜的矿煤物质的量比为5.7∶1。

1.2.2焙烧温度与焙烧时间对锶收率的影响

1）焙烧温度。在相同矿煤比、焙烧时间等条件下，将天青石试样在不同温度下进行氧化还原反应，考察了焙烧温度对锶收率的影响，结果见图2a。由图2a可知，随着焙烧温度的升高，锶收率逐渐升高。当焙烧时间相同时，还原焙烧温度越高，锶收率越大，当焙烧温度超过1 150℃时锶收率反而下降。理论上来说，焙烧过程还原温度超过1 200℃后对天青石的还原率和反应速度更为有利，而实际实验中还原温度为1 200℃时锶的收率反而下降。这主要是因为物料被烧结结块，反应物料接触不好，从而使还原率下降，导致锶收率不高。综合考虑，选择天青石适宜的还原焙烧温度为1 100～1 150℃。

2）焙烧时间。在相同矿煤比、焙烧温度等条件下，将天青石试样在不同时间下进行氧化还原反应，考察了焙烧时间对锶收率的影响，结果见图2b。由图2b可见，当焙烧温度相同时，SrSO4的转化率随还原焙烧时间的延长而增大，但焙烧时间达到50 min后，还原焙烧时间对锶收率影响则不明显。综合考虑，选择天青石适宜的还原焙烧时间为30～40 min，进一步确定适宜的温度为1 150℃。

图2　焙烧温度（a）与焙烧时间（b）对锶收率的影响

1.2.3熟料与水质量比对锶收率的影响

实验考察了在相同的温度和浸取时间等条件下，熟料与水质量比（固液质量比）对锶收率的影响，结果见图3。

图3　熟料与水质量比对锶收率的影响

由图3可知，当增大浸取剂水的用量时，锶的收率随着增大；当固液质量比大于1∶12后，水的用量对提高锶的收率作用则很小。因此，实验选择适宜的固液质量比为1∶10。

1.2.4浸取时间对锶浸取率的影响

在相同的浸取温度和固液比的条件下，考察了浸取时间对锶收率的影响，结果见图4。由图4可知，浸取时间越长，锶的收率越大，但当浸取时间超过2.2 h后，锶收率增幅不大。综合考虑，实验选择适宜的浸取时间为2.2 h。

图4　熟料与水比对锶收率的影响

1.2.5浸取温度对锶浸取率的影响

在矿煤物质的量比、固液质量比、浸取时间不变的条件下，选择浸取温度分别为30、50、70、80、90℃，考察了浸取温度对锶浸取率的影响。结果见图5。由图5可知，随着反应温度的升高，浸取率逐渐增大。当温度为30～80℃时，浸取率变化较为显著。浸取温度达到80℃以后，锶收率的增长幅度趋于平缓。继续提高温度会加大能耗，综合考虑，实验选择适宜的浸取温度为85～90℃。

图5　浸取温度对锶收率的影响

1.3正交实验优化工艺

以锶收率为指标，对矿煤物质的量比、焙烧温度、焙烧时间、固液比、浸取时间、浸取温度等因素做了考察，采用L16（45）进行正交实验，实验设计及结果见表1、2。表3为正交实验结果的方差分析。

表1　锶最优收率的因素与水平

由表2中的极差R可知，正交实验所考察的5个因素对锶回收率的影响程度依次为D＞E＞B＞C＞A。经表3方差分析表明，矿煤比、焙烧温度、焙烧时间、固液比和浸取时间对锶收率均有显著性影响。通过正交实验优选的锶收率，最优实验为A3B3C3D4E3，即矿煤物质的量比5.7∶1、焙烧温度为1 150℃、焙烧时间为40 min、固液质量比为1∶14、浸取时间为2.2 h。

表2　锶最优收率正交实验L16（45）结果

表3　正交实验结果方差分析

2　结果与讨论

1）通过正交实验和方差分析，得到碳还原法制备碳酸锶过程中影响最大的因素是固液质量比，其次是浸取时间、焙烧温度、焙烧时间、矿煤比，并确定了适宜的工艺条件。重复最优实验3次，得到锶的平均收率为82.5%。该结果比其他实验结果更佳，表明该实验条件可作为碳还原天青石矿制备碳酸锶时锶收率的最佳条件。

2）浸取液温度控制在85～90℃，能有效除去熟料中的Ca、Ba、Mg等杂质，同时熟料中硫化锶能完全转化成Sr（OH）2和Sr（HS）2。但高温的熟料在浸取前与空气接触，易发生如下反应：

其中，SrSO4和SrSO3是不溶性的锶盐，可降低SrS的含量，导致锶收率低。所以在熟料浸取前要避免上述副反应的发生，以提高锶的收率。

3　小结

用碳还原法由天青石制备碳酸锶经实验研究，在矿煤物质的量比为5.7∶1、焙烧温度为1 150℃、焙烧时间为40 min、熟料与水的质量比为1∶14、浸取时间为2.2 h的条件下，锶的收率可达到最高，且其稳定性好，可用于工业化生产。

［1］梁开玉，赵静波，杨文清.碳还原法制高纯度碳酸锶的生产工艺研究［J］.渝州大学学报，2001，18（4）：6-12.

［2］徐旺生，何秉忠，徐莹，等.由天青石制高纯碳酸锶新工艺研究［J］.化工矿物与加工，2002（5）：4-7.

［3］李光辉，刘牡丹，黄武华，等.天青石精矿制备碳酸锶工艺及其溶液化学机理［J］.中南大学，2007，17（3）：459-464.

［4］张苍石.粗制硫化锶浸取方式的探讨［J］.无机盐工业，1995，37（6）：37-38.

［5］王树轩，王寿江，李宁，等.碳酸锶废渣酸浸取工艺对收率和分离性能的影响［J］.无机盐工业，2010，42（12）：49-51.

联系方式：jinjianhua_94@163.com

Experimental study of preparation of strontium carbonate from lapis lazuli ore concentrate

Jin Jianhua1，Yang Zhanshou2，Xia Yanjun1
（1.School of Chemical Engineering，Qinghai University for Nationalities，Xining，810007 China；2.Qinghai Salt Lake Research Institute，ChineseA cademy of Sciences）

Strontium carbonate was prepared from lapis lazuli by using carbon reduction method.The influences of the amount-of-substance ratio，roasting temperature，roasting time，mass ratio of solid to liquid，and leaching time etc.on the utilization ratio of strontium were investigated.The optimal strontium recovery was determined by orthogonal experiment，i.e. amount-of-substance ratio of lapis lazuli to coal was 5.7∶1，roasting temperature was 1 150℃，roasting time was 40 min，mass ratio of solid to liquid was 1∶14，and leaching time was 2.2 h.The study can provide a reference for raising the utilization of strontium resources.

carbon reduction method；lapis lazuli；strontium carbonate；orthogonal test

TQ132.33

A

1006-4990（2016）02-0030-03

青海科技计划项目（2013-G-204-1）。

2015-08-10

金建华（1965—），女，教授，主要从事化学化工理论及应用研究。