碱式硫酸铬清洁制备工艺的基础研究

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碱式硫酸铬是一种重要的化工产品,传统的铬铁矿碱性氧化生产工艺均存在着严重的Cr(Ⅵ)污染问题,现已成为世界铬盐行业发展的瓶颈。为了解决铬盐行业普遍存在的Cr(Ⅵ)污染问题,国内外进行了大量的探索性研究工作,铬铁矿酸溶氧化生产工艺被认为是一种极具发展潜力的铬盐制备工艺。但该工艺存在铬铁矿硫酸浸出进程难以控制、硫酸盐析出导致含铬废渣形成、浸出液中铁铬离子分离困难等问题,导致铬铁矿酸溶氧化生产工艺至今未能实现产业化。论文在全面总结和回顾前人研究工作的基础上,重点开展了铬铁矿酸溶氧化反应机理、浸出动力学模型、硫酸盐析出控制、浸出液中铁铬离子有效分离、铬铁矿还原焙烧预处理等研究,并在此基础上,提出了碱式硫酸铬的清洁制备新工艺,新工艺可以有效解决Cr(Ⅵ)污染的问题。在本论文条件下,得出了如下重要结论:(1)适宜的铬铁矿硫酸浸出工艺条件为:浸出温度为160℃,浸出时间为60min,硫酸浓度为80%,氧化剂A/铬铁矿(wt./wt.)为0.08,搅拌速度为300r.min-1。在此条件下,铬浸出率可达93%。(2)在铬铁矿硫酸浸出过程中,硅酸盐相转变为非晶态二氧化硅,并会对其包裹下的尖晶石相的浸出起到一定阻碍作用。对尖晶石相而言,腐蚀优先发生于晶界处,以裂纹方式产生并逐渐发展为沟壑状。Fe(Ⅱ)的氧化行为会降低尖晶石相的稳定性,促进铬铁矿的分解。(3)在铬铁矿硫酸浸出过程中,硫酸盐会因局部过饱和而析出,导致严重的铬损失和铬渣环境问题。通过优化工艺条件,能够有效避免硫酸盐的产生,所得浸出渣的主要物相为非晶态二氧化硅相和未反应的尖晶石相。(4)建立了能够精确表征铬铁矿硫酸浸出过程的动力学方程:1/(1+B)ln(1-Bη)/(1-η)=Kt(0≤η<1),式中B=3.48,活化能为48.0kJ·mol-1,浸出过程受化学反应控制,实验数据与修正模型匹配度较高。(5)以铬铁矿硫酸浸出液为对象,分别考察了针铁矿法、草酸法和萃取法等除铁方法对铬与铁的分离效果。分析可知,草酸法能将浸出液中的铁离子和镁离子处理到较低水平,且不会导致铬损失,可作为初级除铁工艺;萃取法实现了铬与铁的有效分离,是一种适用于铬铁矿酸溶氧化工艺的除铁方法。(6)利用碱式硫酸铬清洁制备新工艺,可以制备出符合工业标准的碱式硫酸铬产品和多种具有工业应用价值的副产品,同时新工艺实现了废渣的无害化排放。本论文的研究工作将为铬盐酸溶氧化生产工艺的设计开发与产业化应用提供重要的理论依据,从而推动铬盐行业清洁化生产技术的发展。
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