劉佳囡 趙 旭 翟玉春

(1.渤海大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

鉀長(zhǎng)石化學(xué)式為K2O·Al2O3·6SiO2[1]，熔點(diǎn)1 320 ℃，結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，是我國(guó)儲(chǔ)量豐富的一種天然礦物。常溫下，鉀長(zhǎng)石幾乎不與任何酸或堿反應(yīng)，當(dāng)溫度高達(dá)1 800 ℃時(shí)才可以將其分解。將鉀長(zhǎng)石與一定的助劑混合并進(jìn)行低溫焙燒，可破壞鉀長(zhǎng)石原有結(jié)構(gòu)，使其中的SiO2溶出[2]，既可提高鉀長(zhǎng)石的分解效率，又可減少能量消耗。基于此，本文采用KOH為助熔劑，將其與鉀長(zhǎng)石混合并在低溫條件下焙燒，探究焙燒條件對(duì)二氧化硅溶出率的影響。利用快速滴定法[3]測(cè)定二氧化硅的溶出率，找到提取有價(jià)組元硅的最佳焙燒條件，為后續(xù)利用鉀長(zhǎng)石制備分子篩提供參考[4-6]，從而實(shí)現(xiàn)鉀長(zhǎng)石綜合利用的目的[7-10]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用鉀長(zhǎng)石礦的主要成分為硅鋁酸鹽，且礦物顆粒大，表面光滑，其X射線衍射(XRD)圖譜和掃描電鏡(SEM)圖像如圖1所示，主要化學(xué)成分見表1。

表1 鉀長(zhǎng)石的主要化學(xué)成分Table 1 Main composition of potash feldspar /%

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

焙燒條件下，鉀長(zhǎng)石與KOH可發(fā)生如式(1)的反應(yīng)。

KAlSi3O8+4KOH=KAlSiO4+2K2SiO3+2H2O

(1)

焙燒熟料經(jīng)水溶后，采用快速滴定法[3]測(cè)定焙燒熟料中SiO2的溶出含量并利用公式(2)計(jì)算溶出率。

ω(SiO2)=15[C1(V1-V3)-C2(V2-V4)]V0/V/m×100%

(2)

式中，15—與1 mol鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液相當(dāng)?shù)?，以克表示的二氧化硅的質(zhì)量，g/mol；C1、C2—鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液和氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；V1、V2—滴定中消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積和氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；V3、V4—空白實(shí)驗(yàn)中消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液和氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；V0—溶出液體總體積，L；V—所取溶出液樣品體積，mL；m—樣品中SiO2質(zhì)量，g。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

將鉀長(zhǎng)石礦破碎研磨為粒徑小于74 μm的粉末，并將KOH與鉀長(zhǎng)石粉末在坩堝中按一定摩爾比(簡(jiǎn)稱“堿礦比”，下同)混合均勻后置于馬弗爐焙燒。到達(dá)焙燒時(shí)間后，將焙燒熟料破碎研磨成粒徑小于74 μm的粉末。并按固液比(質(zhì)量比)為1∶4(取10 g焙燒熟料，40 g蒸餾水)溶解于100 mL燒杯中，再將燒杯置于恒溫磁力攪拌器上于80 ℃，400 r/min條件下溶出30 min。溶出結(jié)束后過濾，采用快速滴定法對(duì)濾液進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算焙燒熟料中SiO2的溶出率。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒溫度對(duì)SiO2溶出率的影響

在焙燒時(shí)間2 h、堿礦比1條件下，探究焙燒溫度對(duì)SiO2溶出率的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在400～600 ℃的較高溫度下，SiO2溶出率較高。但當(dāng)焙燒溫度超過500 ℃后，再繼續(xù)升高焙燒溫度，SiO2的溶出率不再升高反而有下降趨勢(shì)，最佳焙燒溫度為500 ℃，該溫度下的SiO2溶出率為56%。此數(shù)值相對(duì)較低，原因是堿礦比較小或反應(yīng)時(shí)間較短，鉀長(zhǎng)石礦并沒有完全反應(yīng)，需要進(jìn)一步研究焙燒時(shí)間和堿礦比的影響。

2.2 焙燒時(shí)間對(duì)SiO2溶出率的影響

圖3為焙燒溫度500 ℃、堿礦比1時(shí)，焙燒時(shí)間對(duì)SiO2的溶出率的影響曲線。

圖3 焙燒時(shí)間對(duì)SiO2溶出率的影響Fig.3 Effect of roasting time on the dissolution rate of SiO2

從圖3可以看出，隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)，SiO2的溶出率先增加后降低，焙燒時(shí)間2.5 h時(shí)溶出率最大，此條件下SiO2的溶出率最高可達(dá)55%。此數(shù)值依然較低，這是因?yàn)镵OH含量較低，沒有完全破壞鉀長(zhǎng)石的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鉀長(zhǎng)石礦并沒有完全反應(yīng)，SiO2沒有完全溶出。

2.3 堿礦比對(duì)SiO2溶出率的影響

圖4為焙燒溫度500 ℃、焙燒時(shí)間2.5 h時(shí)，堿礦比與SiO2溶出率的關(guān)系曲線。

圖4 堿礦比對(duì)SiO2溶出率的影響Fig.4 Effect of alkali ore ratio on the dissolution rate of SiO2

從圖4可以看出，隨著堿礦比的增大，SiO2的溶出率先升高后降低，當(dāng)堿礦比為2.5時(shí)，SiO2的溶出率最高，達(dá)到99.5%，說明堿礦比對(duì)SiO2溶出率的影響最大。

2.4 熟料及溶出渣結(jié)構(gòu)特征

最優(yōu)條件下所得焙燒熟料與溶出渣的XRD圖譜如圖5所示，相應(yīng)SEM圖像如圖6所示。

圖5 焙燒熟料與溶出渣的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the roasted clinker and residue

圖6 熟料(a)和溶出渣(b)的SEM圖像Fig.6 SEM images of clinker (a) and residue(b)

從圖5可以看出，二者的主衍射峰與硅鋁酸鉀標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF#85-1413吻合，熟料中硅鋁酸鉀的衍射峰較強(qiáng)，而濾渣的硅鋁酸鉀的衍射峰明顯較弱，說明熟料中大量的硅鋁酸鉀已被溶出。

由圖6可知，焙燒熟料表面被生成的硅鋁酸鉀鹽所覆蓋，顆粒大小不一、形狀并不規(guī)則。經(jīng)水浸后，焙燒熟料表面及周圍的焙燒產(chǎn)物硅鋁酸鉀鹽被溶解，濾渣顆粒大小均勻，且粒度遠(yuǎn)小于焙燒熟料。

3 結(jié)論

1)將鉀長(zhǎng)石和KOH進(jìn)行混合，在低溫下焙燒可破壞鉀長(zhǎng)石的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)將鉀長(zhǎng)石中的不溶性硅轉(zhuǎn)化成可溶性硅。

2)焙燒溫度、焙燒時(shí)間、堿礦比對(duì)SiO2溶出率均有影響，其中堿礦比對(duì)SiO2溶出率的影響最為顯著。最佳焙燒條件為：焙燒溫度500 ℃、焙燒時(shí)間2.5 h、堿礦比2.5，該條件下的溶出率可高達(dá)99.5%。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)利用鉀長(zhǎng)石制備分子篩實(shí)驗(yàn)及實(shí)現(xiàn)鉀長(zhǎng)石的高附加值化利用提供參考。