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铁尾矿煅烧酸浸法制备白炭黑及动力学研究

张鹏 陈星月 任志峰 李怡宏 赵爱春 何奕波

张鹏, 陈星月, 任志峰, 李怡宏, 赵爱春, 何奕波. 铁尾矿煅烧酸浸法制备白炭黑及动力学研究[J]. 钢铁钒钛, 2022, 43(2): 87-93. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2022.02.014
引用本文: 张鹏, 陈星月, 任志峰, 李怡宏, 赵爱春, 何奕波. 铁尾矿煅烧酸浸法制备白炭黑及动力学研究[J]. 钢铁钒钛, 2022, 43(2): 87-93. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2022.02.014
Zhang Peng, Chen Xingyue, Ren Zhifeng, Li Yihong, Zhao Aichun, He Yibo. Investigating kinetics in preparation of precipitated silica from iron ore tailings[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2022, 43(2): 87-93. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2022.02.014
Citation: Zhang Peng, Chen Xingyue, Ren Zhifeng, Li Yihong, Zhao Aichun, He Yibo. Investigating kinetics in preparation of precipitated silica from iron ore tailings[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2022, 43(2): 87-93. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2022.02.014

铁尾矿煅烧酸浸法制备白炭黑及动力学研究

doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2022.02.014
基金项目: 山西省基础研究计划资助项目(202103021223277);国家自然科学基金项目(51904278);山西自然科学基金项目(20210302123218)。
详细信息
    作者简介:

    张鹏(1990—),男,吉林白山人,博士,讲师,长期从事冶金固废资源化利用方向研究,E-mail: 15242389785@163.com

  • 中图分类号: X757,TQ127.2

Investigating kinetics in preparation of precipitated silica from iron ore tailings

  • 摘要: 铁尾矿是钢铁工业生产过程的废弃物,目前堆存量已超过百亿吨,考虑其千亿元以上的潜在价值,将其作为二次资源回收利用将成为必然趋势。铁尾矿成分主要以SiO2为主,因此从铁尾矿中提取SiO2再利用是实现其资源化利用的重要发展方向。通过对河北某钢厂铁尾矿成分解析发现,其SiO2的含量达到68.64%,其中硅的氧化物主要以石英、钠长石、滑石等晶体形式稳定存在于尾矿中。因此提出采用煅烧酸浸法制备白炭黑。具体工艺为:首先对铁尾矿进行高温碱熔活化预处理,再通过酸浸法制备白炭黑。最终确定了最佳碱熔煅烧-酸浸工艺参数:活化温度为850 ℃、活化时间为2 h、Na2CO3/SiO2=1:1.5;酸浸过程溶液pH值为7,搅拌温度60 ℃。在此条件下,铁尾矿硅元素的提取率可达到86.43%,酸浸得到的白炭黑SiO2含量达到92.26%。此外,对铁尾矿不同升温速率条件下的碱熔煅烧过程进行了动力学研究,推导出碱熔煅烧过程的数学模型,为铁尾矿活化焙烧工艺提供理论依据。
  • 图  1  铁尾矿XRD精修图谱(a)和SEM形貌(b)

    Figure  1.  XRD analysis (a) and SEM image (b) of the IOT

    图  2  白炭黑制备工艺流程

    Figure  2.  Flow chart of precipitated silica preparation process

    图  3  溶液pH对样品中SiO2含量的影响

    Figure  3.  The effect of pH on the content of SiO2 in the product

    图  4  产物XRD图谱(a)和SEM形貌(b)

    Figure  4.  The XRD analysis (a) and SEM image of product (b)

    图  5  不同升温速度下反应的TG曲线

    Figure  5.  TG curves of reactions at different heating rates

    图  6  不同升温速率下反应的DTG曲线

    Figure  6.  DTG curves of reactions at different heating rates

    图  7  第一个吸热峰不同升温速率下$ \mathrm{l}\mathrm{n}\dfrac{\mathrm{\beta }}{{T}_{m}^{1.8}} $$ \dfrac{1}{{T}_{m}} $拟合关系

    Figure  7.  Plot for $ \mathrm{l}\mathrm{n}\dfrac{\mathrm{\beta }}{{T}_{m}^{1.8}} $~ $ \dfrac{1}{{T}_{m}} $ of frist endothermic peak at different heating rates

    图  8  第二个吸热峰不同升温速率下$ \mathrm{l}\mathrm{n}\dfrac{\mathrm{\beta }}{{T}_{m}^{1.8}} $$ \dfrac{1}{{T}_{m}} $拟合关系

    Figure  8.  Plot for $ \mathrm{l}\mathrm{n}\dfrac{\mathrm{\beta }}{{T}_{m}^{1.8}} $~ $ \dfrac{1}{{T}_{m}} $ of second endothermic peak at different heating rates

    表  1  铁尾矿主要化学成分

    Table  1.   Main chemical compositions of IOT %

    SiO2Fe2O3CaOMgOAl2O3K2ONa2OSO3P2O5Cr2O3
    68.649.473.412.2613.143.640.740.360.160.14
    注:含量低于0.1%的组分未列出。
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    表  2  正交分析因素与水平

    Table  2.   Factors and levels of orthogonal test

    水平因素
    煅烧时间/h煅烧温度/℃n(Na2CO3)/n(SiO2)
    117501∶1.0
    228001∶1.25
    338501∶1.5
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    表  3  正交试验结果

    Table  3.   Results of orthogonal test

    试验号活化温度/℃活化时间/hn(Na2CO3)/n(SiO2)硅元素提取率/%
    175011:1.024.79
    275021:1.2537.26
    375031:1.563.14
    480011:1.2543.16
    580021:1.570.72
    680031:1.049.58
    785011:1.584.19
    885021:1.049.48
    985031:1.2569.88
    K141.7350.7141.28
    K254.4952.4950.10
    K367.8560.8772.68
    极差R26.1210.1631.40
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    表  4  两个吸热峰不同升温速率动力学参数

    Table  4.   Kinetics coefficients of the two endothermic peaks at different heating

    β/(K∙min−1)第一吸收峰第二吸收峰
    Tm/KInA×10−3E/(kJ∙mol−1)γTm/KInA×10−3E/(kJ∙mol−1)γ
    10 88.13 1.17 1.36 2.91 4.99 0.9841 845.83 0.87 1.17 3.07 280.93 0.9829
    15 91.19 1.09 1.31 2.96 851.28 1.02 1.27 3.16
    20 94.79 1.35 1.46 2.93 858.38 1.07 1.34 3.21
    25 98.32 1.30 1.44 2.97 862.69 0.98 1.25 3.39
    平均 1.39 2.94 1.26 3.21
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-26
  • 网络出版日期:  2022-05-11
  • 刊出日期:  2022-04-28

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