锶废渣制备锶盐酸浸取工艺关键参数的实验研究*

金建华，杨占寿，李傲，马江峰

（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）



锶废渣制备锶盐酸浸取工艺关键参数的实验研究*

金建华1，杨占寿2，李傲1，马江峰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）

以碳还原天青石生产碳酸锶的锶废渣为原料，采用盐酸为浸取剂，研究了锶废渣制备锶盐酸浸取工艺中锶渣粒径、浸取温度、浸取时间、溶液酸度等参数对锶浸取率的影响。在此基础上利用正交实验对锶渣酸浸取工艺进行优化。得到锶废渣酸浸取锶的最佳工艺：锶渣粒径为0.062 mm、反应时间为2 h、反应温度为30℃、浸取液pH为0.1。该研究可为提高锶资源的利用率提供参考。

锶废渣；盐酸浸取；锶浸取率；关键参数

锶盐是非常重要的无机化工产品，目前在以天青石为原料采用碳还原法生产锶盐的过程中，煅烧经水浸处理后会产生大量的含锶废渣。这些废渣中锶含量较高，由此造成大量锶资源的浪费，而且废渣长期堆放会引发严重的环境污染，雨淋的渗出液还会造成流域水资源的污染，已严重制约了碳还原法生产碳酸锶工艺的良性发展［1-3］。因此，研究锶废渣中锶的回收，有利于提高锶资源的利用率，实现产品生产的多元化，减少锶废渣的环境污染问题［4-6］。笔者通过实验对碳酸锶废渣盐酸浸取工艺中影响锶浸取率的参数做了优化，为碳酸锶废渣的环境污染和资源利用等问题提供新思路和技术支撑。

1　实验部分

1.1实验原理

碳还原天青石生产碳酸锶锶废渣原料的主要成分为碳酸锶、碳酸钡、碳酸钙、硅酸锶、未被还原的硫酸锶等。本实验采用工业盐酸对原料进行酸浸取，将其中的酸溶锶盐转化成水溶性的氯化锶。主要化学反应式：

1.2原料与仪器

原料：青海海西大风山天青石碳还原法生产碳酸锶锶废渣（锶质量分数为21.12%）。

仪器：HH-6型恒温水浴箱、PHS-3CB型酸度计、SHB-3型真空泵、SQP型电子天平。

1.3实验方法

称取粉碎锶渣10 g，用50 mL水调浆后置于恒温水浴箱，控温，搅拌，加入一定量的6 mol/L盐酸溶液调节浆料的酸度，保温进行酸浸取，再用6 mol/L氢氧化钠溶液中和浸取液至pH为6～7，保温20 min，抽滤，用蒸馏水洗涤滤饼，收集滤液，可得氯化锶溶液，采用EDTA容量法测定其中的锶含量。

1.4实验方法分析

实验方法有单因素实验方法和正交实验方法。采用单因素实验方案，分别研究浸取时间、浸取温度、锶渣粒径、浸取酸度等工艺参数对锶渣酸浸取率的影响，找出每个参数的具体影响规律，并确定影响锶渣酸浸取率的重要参数的最优水平。采用正交实验方法选择最佳工艺参数组合，设计正交实验，考察浸取时间、浸取温度、锶渣粒径、浸取酸度等4个工艺参数对浸取结果的影响并确定最佳工艺参数组合，以正交实验获得的最佳参数组合为验证实验条件进行4组平行实验。

2　结果与讨论

2.1锶废渣酸浸单因素条件择优实验

2.1.1锶渣粒度对锶浸取率的影响

按照1.3节实验方法，在盐酸调节pH=0.1、浸取温度为30℃、浸取时间为2 h的条件下，考察了锶废渣粒径（0.72、0.168、0.127、0.062 mm）对锶浸取率的影响，结果见图1。由图1可以看出，锶渣粒径越小，锶浸取率就越高。这是因为粒径越小的锶样，其比表面积越大，则锶渣与溶剂的接触面积越大，从而使反应更加充分。因此，在实验条件允许的情况下，应尽可能选择小的锶渣粒径。综合考虑，实验选择的适宜锶渣粒径为0.062 mm。

图1　锶渣粒径对锶浸取率的影响

2.1.2浸取时间对锶浸取率的影响

按照1.3节实验方法，在盐酸调节pH=0.1、浸取温度为30℃、锶渣粒径为0.062 mm的条件下，考察了浸取时间（1、1.5、2、2.5 h）对锶浸取率的影响，结果见图2。由图2可以看出，随着浸取时间的延长，浸取率呈现增长的趋势；当反应时间为2 h时；总锶含量达到最大值；继续延长反应时间，锶浸取率变化不明显。这是因为浸取2 h左右时，酸溶性含锶物质的反应已趋于完全。综合考虑，实验选择适宜的酸浸取时间为2 h。

图2　反应时间对锶浸取率的影响

2.1.3浸取温度对浸取率的影响

按照1.3节实验方法，在盐酸调节pH=0.1、锶渣粒径为0.062 mm、浸取时间为2 h的条件下，考察了浸取温度（30、50、75、85℃）对锶浸取率的影响，结果见图3。由图3可以看出，随着浸取温度的升高，锶浸取率逐渐降低且趋势平缓。浸取温度为30℃时，锶浸取率最高。可能是浸取反应为放热反应，温度升高不利于浸取反应的进行。此外，温度升高时，浸取液中的硅酸极易凝聚形成凝胶，不但会阻碍盐酸与酸溶性锶物质的反应，还会吸附浸取液，导致锶浸取率的降低。综合考虑，实验选择适宜的酸浸取温度为30℃。

图3　浸取温度对锶浸取率的影响

2.1.4浸取酸度对锶浸取率的影响

按照1.3节实验方法，在浸取温度为30℃、锶渣粒径为0.062 mm、浸取时间为2 h的条件下，考察了盐酸调节的pH（0、0.1、0.56、2.12）对锶浸取率的影响，结果见图4。由图4可见，在酸度较低的情况下，随着盐酸用量的增加或体系pH的降低，锶的浸取率明显提高，有利酸溶性物质充分溶解进入溶液；继续增加溶液的酸度，当溶液pH达到0.1以后，锶浸取率虽有所增加，但增加幅度明显降低，这说明废渣中酸溶性含锶物质的反应已趋于完全。此外，酸度过高有可能使硅酸凝聚速度加快，吸附浸取液中锶，同时也不利于固液分离。综合考虑，实验选择适宜的酸浸取pH=0.1。

图4　浸取液pH对锶浸取率的影响

综合单因素实验结果，得到酸浸取工艺的优化工艺：锶废渣粒径为0.062 mm、浸取时间为2 h、浸取温度为30℃、浸取pH=0.1。

2.2废渣酸浸正交实验结果及分析

实验确定酸浸取工艺锶渣的粒径、浸取温度、浸取时间、浸取溶液酸度为考察因素，设计了4因素3水平正交实验L9（34），进一步考察4个工艺因素对锶浸取率的影响，结果见表1。

表1　正交实验表与实验结果

由表1极差R可以看出，各工艺参数对酸浸取锶的影响显著性依次为锶渣粒径＞浸取时间＞pH＞浸取温度。酸浸取最佳工艺参数组合为A3B3C1D2，即锶渣粒径为0.062 mm、浸取时间为2 h、浸取温度为30℃、浸取液pH=0.1。

2.3验证实验

通过验证实验和分析，在最佳酸浸取工艺参数条件下，对锶渣酸浸取率和数据做了分析，结果见表2。由表2可知，经过4次重复性实验，所得到的锶浸取率平均值为83.33%，标准方差为0.053 7，相对标准偏差为0.0644%。结果表明，在最佳工艺参数条件下，锶浸取率的重复性好。

表2　最佳酸浸取工艺参数条件下得到的锶渣酸浸取率和数据分析

3　结论

通过单因素实验对酸浸取中各工艺参数做了优化，并设计了正交实验，得到最佳工艺参数：锶渣粒径为0.062 mm、浸取时间为2 h、浸取温度为30℃、浸取液pH=0.1。采用最佳工艺条件进行重复实验，结果表明锶浸取率的重复性好，可为提高锶资源的利用率提供参考。

［1］张庆雳，王广爱，吴卫东.中国工业碳酸锶生产现状及发展方向［J］.无机盐工业，2005，37（8）：1-4.

［2］金建华，杨占寿，夏燕俊.天青石精矿粉制备碳酸锶实验研究［J］.无机盐工业，2016，48（2）：30-32.

［3］楼紫阳，宋立言，赵由才，等.中国化工废渣污染现状及资源化途径［J］.化工进展，2006，25（9）：988-994.

［4］孙士坤.一种回收利用锶盐残渣制备碳酸锶的新方法［J］.无机盐工业，2015，47（5）：51-52.

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

［6］王淑云，李国庭.高纯碳酸锶制备新工艺研究［J］.河北化工，2008，31（4）：16-18.

联系方式：jinjianhua_94@163.com

Experimental research on key parameters of preparation of strontium salt by
hydrochloric acid leaching technology with waste strontium slag

Jin Jianhua1，Yang Zhanshou2，Li Ao1，Ma Jiangfeng1
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Qinghai University for Nationalities，Xining 810007，China；2.Qinghai Salt Lake Research Institute，Chinese A cademy of Sciences）

With waste strontium slag in the production of strontium carbonate by carbon reduction of lapis lazuli as raw material，using hydrochloric acid as the leaching agent，the influences of strontium slag particle size，leaching temperature，leaching time，and solution acidity etc.on the leaching rate of strontium were investigated.On the basis of that the leaching process was optimized by orthogonal experiments.The optimum acid leaching process conditions were obtained：strontium slag particle size of 0.062 mm，the reaction time of 2 h，the reaction temperature of 30℃，and leaching liquid pH=0.1.This study can provide reference for raising the utilization coefficient of strontium resources.

waste strontium slag；hydrochloric acid leaching；strontium leaching rate；key parameters

TQ132.33

A

1006-4990（2016）08-0060-03

青海科技计划项目（2013-G204-1）。

2016-02-19

金建华（1965—）女，硕士，教授，主要从事化学理论与应用研究。