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铁矿泥的处理铁矿泥的合理处理印度，印度理工学院Kharagpur-72130 2，化学工程系摘要：典型的印度钢铁厂的铁矿石泥中含有56的铁，6.78的Al2O3和5.8的SiO2。对这种附加价值这种拒绝/使用化学处理和电解废料进行了研究。二替代化学处理路线已经探索：（i）酸提取的铁，然后用碱治疗和（ii）碱提取，从铁矿石煤泥的三氧化二铝和二氧化硅。碱提取改善铁的含量高达65w / w的。酸提取可以提高相同的最多63w / w的。草酸解决方案，采用不锈钢阴极和铅阳极电解铁，周围环绕着合成布膜片，产生的阴极表面上的高纯度铁存款。经过化学处理的铁矿泥是适合钢铁生产高炉，而元素铁可直接使用的电解提取用于炼钢。随着过程的详细信息，初步计算两个过程的经济性已提交。2003-2007 B.V.保留所有权利。关键字:铁矿石矿泥 酸萃取 碱萃取 电解冶金法 阴极 阳极 隔膜1.介绍铁矿的主要选矿流程会产生大量的超细粉末，相对细的等级丢弃去尾矿池。这种铁矿泥因铁含量低不能用作高炉原料。随着一天一天的积累，粗略估计印度每年产生10t含48%-60%铁的这种材料。（Das等人2008年）这就凸显了我们合理利用这些超细物料的重要性。Das等人在1992年发现含57%Fe的铁矿泥能通过使用水力旋流器获得含64%Fe和重获49%铁。有报道称使用浮选柱能使铁矿泥铁的含量从57.5%提升到65.5%，整体的回收率为59%。一个典型的印度铁矿泥铁矿泥含57.2%的Fe，5.81%SiO2和7.05%AL2O3 通过湿法磁选和选择性磁性涂层的研究显示，在磁场强度为7.8kG的磁场中获得含62.32%Fe的铁精矿和66.5%的复苏铁（Das等人，2008）。本研究中，铁矿泥从Joda mine,Tata Steel Limited收集，按下面的选矿过程进行研究。i.通过酸浸出从矿泥中提取浓缩铁溶液，然后用碱性物质处理使其成为浓缩固体。Ii.通过氢氧化钠溶液的处理减少铁矿泥中氧化铝和二氧化硅的含量，从而富集铁的含量。iii. 用有机酸浸出铁矿泥，使用电解法从获得的溶液中得到铁。从铁矿石中高效提取铁是可以实现的，和热浓盐酸而不是和浓硫酸或者浓硝酸酸液反应，已经研究出接触时间，酸浓度，温度，矿粒大小对铁矿在盐酸酸液中溶解的影响。氯化铁混合物的决定用盐酸萃取铁效果的好坏(Encycl. Sc & Tech., 1997 )。当Fecl3浓度高时就形成Fe（OH）3。这种红褐色无定型物质Fe(OH)3也称为水合氧化铁。当Fe(OH)3失去水时形成Fe2O3。在拜耳法中，铝土矿，最重要的铝矿石，被热氢氧化钠溶液清洗消化。使AL3O3转变为AL(OH)3 ，最终溶解在氢氧化钠溶液中。但是三氧化二铝的溶解度是由温度决定的（Encycl.of I ndustrial Chemistry , 2003）。使用拜耳法的这种基本反应，和氢氧化钠溶液反应减少铁矿泥中氧化铝的含量。铁矿泥中的另一种成分二氧化硅在这个反应过程中一样会减少。这两种成分的同时减少提高了有价铁在铁矿泥中含量。在电解沉积或电解提取过程中，矿石中的金属接触酸而被溶解，电流从惰性阳极流流向另一极，金属被提取出沉积在阴极。在酸电解质中将铁从铁矿泥中电解出，草酸因比其他有机酸有高还原性而被选为溶剂。Ambikadevi 和Lalithambika（2000） 研究一些有机酸发现，草酸从陶瓷材料中溶解氧化铁效果最好。同时他们还得出结论，草酸浓度在0.05M-0.15M之间时，从高岭土材料中提取铁最有效，最终粒度达到90%2m。Mostad et al. (2008)描述试验厂从硫酸溶液中电解沉积铁的操作，用铁皮和铅阳极，用隔膜包围。在可接受的功耗范围内能获得高纯度的铁。2.铁矿尾矿矿泥的组成Ghose (1997)研究那种铁矿石类型，主要的选矿过程和磨矿操作有关，废液中水含量决定铁矿泥的特性。Ghose 和Sen ( 2001) 总结出印度的铁矿泥主要成分是二氧化硅氧化铝和氧化形态的铁，本研究中，铁矿泥的化学成分的数量是通过ICP - AES技术评估，在钢铁厂中其数据是有效的。本实验中使用的都是+100目的铁矿泥。原料铁矿石泥的组成如表一。3.提取方案 3.1从铁矿泥中酸萃取出的铁，在碱处理 铁提取的步骤和从铁矿泥提取氧化铁的一样在图1.3.2.从铁矿泥中碱萃取氧化铝和二氧化硅重要反应包含铁矿泥在热碱液中的溶解，和拜耳反应一样。 铝矿石在热氢氧化钠溶液中反应形成可溶性铝酸钠(Encycl.of Industrial Chemistry, 2003)。Al(OH)3+Na+OH- Na+ Al(OH)4- 在溶解过程中第二个重要的反应是脱硅，二氧化硅和氢氧化钠溶液反应生成可溶性硅酸盐（工业化学Encycl.2003年）。AL2O3.2SIO2.2H2O+6NaOH2NaALO2+2Na2SiO3+5H2O3.3电解沉积铁涉及两个步骤a) 铁矿矿泥在草酸中溶解b ) 电解过程中，阴极反应生成铁，沉积在阴极。参与反应的草酸被氧化为二氧化碳(Lee et al., 2007 )。HC2O4=H+ +2CO2+2e赤铁矿变为低价的草酸亚铁2H+Fe2O3+4HC2O4+2e= 2Fe（C2O4）2+3H2O因此解散反应是2H+Fe2O3+5HC2O4= 2 Fe（C2O42）2+3 H2O + 2CO2温度，草酸浓度，氧化铁形态和粒度影响反应。 第二步的反应，电解槽沉淀铁来自草酸铁溶液，反应如下：在阴极：Fe+2e=FeH+e=1/2H2在阳极：（C2O4）2 2 2e+ 2H2O=2H2CO3+O2阳极反应涉及草酸离子和nderet al, 2009 .一致。4.实验步骤4.1先从矿石泥中用酸提取铁，然后用碱处理用不同体积的32% (w/v)的商用级盐酸和铁矿泥混合在一起，在100 C 下反应一段时间（30和60分钟）称1.0gm的矿泥样本，然后转移到盛有盐酸的锥形烧杯中。酸的体积依次为60,90,120,150ml，用来研究溶剂体积对固体溶解速率的影响。加热到100 C 使混合物反应，并且使用电磁搅拌器不断搅拌。浸出30分钟和60分钟以观察是否有更进一步的溶解发生。每个试验结束后冷却并过滤。在添加氢氧化钠处理滤液时立刻会发现棕色的氢氧化铁沉淀。添加过量的碱液使ph在13。将沉淀物从滤液中过滤掉，并用水清洗除去表面氢氧化钠。再在105 C.中干燥3小时。称量固体沉淀物的重量，用氧化还原滴定法测量铁含量(BIS 1493-1959 )。实验使用更少的酸量以得到高浓度的矿浆。2,4，6gm的铁矿泥和10ml的盐酸混合，形成矿浆密度分别为200 gm /L,400 gm /L and 600 gm/L，使其分别在最佳条件下反应60分钟，即100度下。4.2. 碱提取氧化铝和二氧化硅从铁矿石粘液准备不同浓度的氢氧化钠溶液(5 gm/100 ml to 20 gm/100 ml) 。1gm铁矿泥样本分别加入100ml的各个浓度的氢氧化钠溶液中。混合物在100度中加热30分钟，用电磁搅拌器搅匀。滤液被回收，固体残渣被收集。用清水清洗掉吸附在固体表面的氢氧化钠。再在105度下干燥3小时。干燥后，称量，由氧化还原滴定法测定铁含量(BIS 1493-1959)。在高浓度矿浆（2 00 gm/ L , 400 gm/ L, 60 0 gm/ L )和氢氧化钠浓度为20gm/100ml的最佳条件下进行实验。10ml碱混合液，在100度下和2gm，4gm和6gm的铁矿泥样本分别反应30分钟。用氧化还原滴定法测量铁含量(BIS 1493-1959 )。4.3电解沉积铁将草酸溶解在蒸馏水中配置成0 .11 M, 0 .22 M, and 0 .3 3 M的溶剂。 分批进行浸出实验，向200ml的草酸溶液中添加铁矿泥。在添加铁矿泥样本前先将草酸溶液转移到一个500ml的圆底烧杯中，烧杯事先加热到90度。然后加3gm的铁矿泥样本到烧杯中， 使用电磁搅拌器在90度不同的时间间隔下使其溶解，分别为30,60,90分钟。然后将其冷却并转移到标准烧杯中。记录滤液的导电性和ph值。然后将得到的滤液在125ml的容器中电解，铁作为阴极， 在阳极形成0.75安的稳定电流，电流密度为1500安每立方米（阴极也一样）。干燥后称量阴极电极得出新获得铁的重量并记录。其纯度由阴极边缘样品的报废和盐酸中的溶解决定。使用原子吸收分光光度计分析溶液M/S Perkin Elmer, model: Analyst 700。溶解反应在高矿浆密度的最佳条件下进行。2 gm, 4 gm and 6 gm的铁矿泥样本在10ml 0.33M的草酸溶液中混合并在90度下加热90分钟。阴极 低碳钢阴极外形尺寸为2 cm 4 cm ，在水下表面积为5立方厘米。阳极 选择一个矩形铅阳极板(2 cm 4 cm 1 cm) 水下面积为5.6立方厘米。隔膜 电解必须在阳极室和阴极室之间使用一个隔膜减小氧气在阳极析出的对阴极的影响。本实验中用一种高聚物作为隔膜材料，隔绝阳极。5.结果与讨论5.1.从矿泥中用酸提取铁，然后用碱处理5.1.1 酸体积的影响图2表明氧化铁沉淀的量因盐酸使用量的不同而不同。酸量大从矿泥中提取的铁多，这导致加入碱后更多的固体析出。理论上4.28ml(32%w/v)的盐酸 能够将1gm的矿泥中的铁全部提出出来。在实验室中多余的铁被利用。萃取量随着时间和酸度的增强而变多。这指出反应过程受速率控制，矿石形状，微观结构决定了质量传递速率和反应速率。当矿泥在150ml的盐酸中溶解60分钟，最多有课获得621mg的沉淀物。这个过程的产率可以用沉淀物中实际含铁量比原矿泥样本中铁含量。当铁矿泥和150ml的盐酸加热60分钟时，产率最大可达到70%。沉淀物中铁含量在62-63%之间。实验在相对较高的矿浆密度和最佳环境下进行，在100度下溶解60分钟。用不同矿浆密度600g矿泥每升酸，400g矿泥每升酸，和200g矿泥每升酸处理，处理后沉淀物中铁含量是38%-45%之间。5.2从铁矿泥中碱提取氧化铝和二氧化硅5.2.1产率因碱浓度不同而不同图3表明氢氧化钠溶液浓度不同引起的产率的变化。产率是处理过的铁矿泥中铁含量和原铁矿泥中铁含量之比。可以发现产率高达98%。这是因为用100ml合适浓度的氢氧化钠处理1gm的矿泥。随着氢氧化钠浓度的增加，铁中残渣更多，因为和稀溶液相比浓氢氧化钠溶液反应生成更多的铝酸钠和硅酸钠。氢氧化钠溶液浓度高于20gm/100ml对反应速率几乎无影响。随着氢氧化钠溶液浓度的增加碱处理铁含量增加，最终最大能达到65%。最佳条件下的处理方法是将铁矿泥和200gm/l氢氧化钠溶液混合，在100度下加热30分钟。在最佳条件下的实验，用高密度的矿浆，每200g矿泥1L碱液，每400g矿泥1L碱液和美600g1L碱液。处理后铁含量为50%，44%和40%。5.3.电解铁5.3.1 在草酸中溶解矿泥中的铁草酸浓度对铁矿泥中铁溶解的影响如图4。实验使用3克矿泥，200ml的草酸溶液，强度为0.11M,0.22M,0.33M。随着酸强度和溶解时间的增加，铁矿泥溶解量增加。溶解时间在30-60分钟间，从图4可得出结论，在电解沉积研究之前，矿泥在草酸中溶解90分钟可以看着是最佳时间，因为更高的溶解效益其接触时间下降。铁矿泥在在草酸中最佳溶解环境是0.33M的酸度90度下溶解90分钟。这种情况下，用来处理如200g，400g，600g矿浆每升草酸的高密度矿浆。在这个高密度矿浆情况下铁从铁矿泥中溶解进入草酸中是非常少的，各自只有4%，2.5%，1.5%。5.3.2. PH对草酸中铁溶解的影响 草酸溶液ph强度对于铁从铁矿泥中溶解出的影响如图5。氢氧化钠溶液用来增强ph同时还有缓冲作用。在草酸中添加NaOH溶液后，碳酸钠和碳酸氢钠盐变为沉淀，NaOH-草酸作为浸出的ph缓冲液。在草酸溶液酸度为0.5时，加入不同量的氢氧化钠以改变ph。Ph为2时，铁的溶解量最大，之后随着ph的增大溶解量减小。5.3.3 铁沉积随着草酸浓度因溶解铁矿泥而增加，阳极表面的沉积铁也在增加。这是因为更高浓度的草酸溶液提取出更多铁，在电解沉积过程中因相同的电流密度阴极会沉积更多的铁。随着电解沉积反应的进行，溶液导电性下降，电池电压必须增加以保持其恒定。例如，0.06M的草酸电解溶解液保持0.75Amp的电流4小时是不可能的，随着反应快要结束电解的电压要求超过24V，在这个反应中可能达到的最大值。更高浓度的草酸溶液导电性越高，比同样电池电压电流更高。电解的效率定义为阴极表面实际吸附纯铁量和溶解进入溶解液中铁量之比。电解后实际铁量可以用的阴极铁上沉积增加的铁量表示。可得到90%以上的高纯度铁，通过电解法吸附在阴极上。在1500A/的恒定电流0.33M的草酸溶液下电解4小时，最大可得到97%的效益。5.3.4电流效益图六表示了，不同浓度的草酸从铁矿泥中提取铁的电流效率的改变。电流效率与阴极实际沉积铁有关，理论上符合法拉第定律。电流效益（%）= 100理论上假设除了通过的电流量I（A）持续时间t（分钟）外无其他因素影响沉积铁的量。Z是电极反应时电子转移数量，Fe，Z=2。A是铁的原子量，F是法拉第常量(96486 C/mo l)。电流效益很低，可能是因为其他副反应的影响，如水的分解。在合适的情况下氢气的产生可能得到一些能量。随着草酸浓度的增加，更多的铁从矿泥中溶解进入溶液，使溶液中铁的浓度更高。溶液中更高浓度的铁就有更多的沉积在阴极，并改善电流效益。5.3.5 Ph对电解的影响 草酸溶液浓度在0.11-0.33M之间ph值低于1。电解铁矿泥的初始实验在那个ph范围内进行。一些其他的草酸提取铁的实验在高ph下进行，1.5到3.0之间。在加热铁矿泥和草酸前，添加氢氧化钠溶液增强ph作为缓冲。等浸出也ph稳定后电解。这项实验的目的是观察ph对电解沉积的影响。Ph增大阴极沉积物明显减少。 在ph1.5-3范围内电解明显产生大量沉淀物。这些沉淀物很可能是溶液中存在的氢氧化钠产生的氢氧化铁。尽管ph为2时铁矿泥溶解进入草酸溶液的铁最多，仍然有沉淀物产生，电解之后此反应不在可行。因此在低ph下，浸出前没有添加任何缓存液，电解是可行的。随着草酸溶液浓度的增加，溶液的ph也在减小。电解后，阴极表面的产生的暗黄色草酸亚铁沉淀物量在低ph下增加。这没有被量化，仅仅是明显课观察到的结果被报道过。然而，在电解过程中，发现氧化亚铁是无影响的。6.成本比较在实验室规模下，不同处理技术的预算成本如表2。费用包括所有化学品，电能热能的花费，除了干燥。用加热器的功率和持续加热的时间来估算能量输入。在印度电价为5卢比每千瓦时。未被回收的用过的化学品和产生的副产品也在考虑中。表格数据只是提供一个不同过程的相对比较，因为这些数据是在实验室试验下获得的。从表2的经济比较可看出，从铁矿泥中酸萃取铁，然后碱处理相对更昂贵而且处理过的矿泥中的铁含量刚好达到符合用于高炉的最低浓度。碱萃取氧化铝和二氧化硅吐露出一个更好的选择。在第三个技术，从草酸中提取的产品再电解，而不需要任何中间步骤，如高炉操作，将铁用于钢铁生产。按照相对价值计算，这个过程的花费较低。7.结论在两个化学药剂处理过程，从矿泥中用酸萃取铁然后碱处理和从铁矿泥中用碱萃取氧化铝和二氧化硅，所需获得的铁量从处理过的矿泥中是可以提取到的。处理液用碱萃取最大达65%，而进入高炉做炉料最低要求是63%。所以相对于酸萃取的处理后的铁矿泥其铁含量最高63%而言，碱处理法的矿泥更适合作为高炉炼钢的炉料。除了成本低，电解还有直接产生高纯度的铁的优势，不用进入高炉等。这个过程产率高达97%，几乎和用碱处理铁矿泥的差不多。任何一个基于上述提到的流程要求都需要一个废水中和设施，利用交换树脂的工业软化水厂。然而大多数钢铁厂都有精心设计的废水处理设施用来处理这些酸性和碱性的污水。电解过程对于增加铁矿泥价值可能是一个有吸引力的选择，然而这需要建立一定的规模重新估价。电解产生的氢气包含电解槽中气体可能作为燃料为反应提供一部分能量。感谢作者们对塔塔钢铁有限公司的Dr. S. Sarkar表示感谢，感谢他为研究提供的铁矿泥和有价值的建议。参考文献Ambikadevi, V.R., Lalithambika, M., 2000. Effect of organic acids on ferric iron removal from iron-stained kaolinite . Applied Clay Science 16, 133 145.Ambikadevi, V.R., Lalithambika, M., 2000。有机酸对除去含铁高岭石中三价铁的影响。Baba, Alafara A., Adekola, F.A., Folashade, A.O., 2005. Quantitative leaching of a Nigerian iron ore in hydrochloric acid. Journal of Applied Science Environment Management 9 (3), 1520.Baba, Alafara A., Adekola, F.A., Folashade, A.O., 2005。尼日利亚铁矿的在盐酸中的定量浸出。摘自Applied Science Environment Management杂志9 (3), 1520。Bureau of Indian Standards, 1493 1959. Methods of chemical analysis of iron ores. IS 1493:1959.印度标准局，1493-1959。铁矿石化学分析方法IS 1493:1959。Das, B., Prakash, S., Mohapatra, B.K., Bhaum ik, S.K., Narasimhan, K.S., 1992. Beneficiation of iron ore slimes using hydrocyclone. 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