碱酸法纯化石墨试验研究
2024-05-30
来源:易榕旅网
第24卷第1O期 2015年1O月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vo1.24,No.10 0ct. 2015 碱酸法纯化石墨试验研究 谭旭升,罗立群,田金星,舒 伟,程琪琳 (1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉430070; 2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北武汉430070) 摘要:石墨是一种重要的战略资源,石墨提纯是石墨制品应用的前提和基础。以内蒙古某鳞片石 墨矿的浮选精矿为原料,对其中的石英、云母和赤铁矿等主要杂质,采用碱酸法对其进行了提纯研究,考察 了NaOH用量、焙烧温度和时间、HC1用量和酸浸时间等因素对提纯效果的影响。结果表明,碱酸法是天 然石墨提纯的有效方法,其石墨精矿的含碳量由84.32 提高到99.51%。 关键词:石墨;纯化;加碱焙烧;酸浸 中图分类号:TD925;Tt3321;TQ127 文献标识码:A 文章编号:1004—4051(2015)10—0137-04 Research on alkali-acid process of graphite purification TAN Xu—sheng,LUO Li—qun,TIAN Jin—xing,SHU Wei,CHENG Qi—lin (1.College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China; 2.Huhei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment,Wuhan 430070,China) Abstract:Graphite is a kind of important strategic resource.Graphite need tO be purified further in order tO use this resource better.The flake graphite concentrates coming from Inner Mongolia autonomous region,China were studied,which the main gangue minerals of graphite sample are quartz,mica and hematite.An alkaline roasting—acid leaching process were accepted to purify this graphite sample.The results show that the alkali-acid process is an effective method for graphite purification and graphite carbon content increase from 84.32%to 99.51 . Key words:graphite;purification;alkaline roasting;acid leaching 石墨是一种重要的战略资源,在国民经济及诸 多高科技领域中均发挥重要作用。天然石墨作为 对充分发挥我国资源优势转变为技术优势,促进经 济发展具有重要意义L7]。 石墨提纯方法主要有浮选法、碱酸法、氢氟酸 法、氯化焙烧法、高温法 。其中碱酸法提纯浮选石 墨精矿具有生产成本小,产品质量高,对石墨的结 构影响小,生产设备简单通用性强,是我国石墨提 纯生产中应用最广泛的方法_8。 。本文采用碱酸法 对内蒙古某石墨浮选精矿进行提纯研究,以寻求较 种矿产资源转化为石墨材料前必须对其提纯,再 根据其用途在粒度、形貌或性能上进行精加工_1 ], 一随着科技的快速发展,各领域对高品质石墨材料的 需求日益增多。虽然我国石墨资源居世界首位,但 我国现有石墨加工和提纯技术与国民经济和现代 化工业发展不适应,一些技术含量高的石墨产品还 需从国外进口,制约我国石墨行业发展的关键性问 优的提纯条件,为石墨应用提供原材料。 1 实 验 题就是石墨提纯问题_5_6],探索合理的提纯工艺技术 1.1实验样品 收稿日期:2O15-01-22 试样为内蒙古某石墨选矿厂的石墨浮选精矿, 基金项目:国家科技支撑计划项目资助(编号:2013BAE04B03) 作者简介:谭旭升(1991一),男,广西玉林人,硕士,研究方向为非 金属加工与矿物材料。E-mail:txswhut@163.tom。 通讯作者:罗立群(1968一),男,湖南长沙人,博士,高级工程师,研 究方向为矿物资源的高效利用与清洁生产。E—mail:lqluol|q@ hotmail.corn。 其化学多元素分析见表1。 由表1可知,原料中石墨含碳量为84.32 ,主 要杂质为硅、铝、铁,另有少量的钙、镁。其中,Si0 含量为4.82 ,Fe O。含量为4.78 ,Al o。含量 为1.80 。为了确定石墨中的杂质矿物,对石墨原 138 中国矿业 第24卷 料进行了XRD测试,其XRD分析图谱见图1。 表1 石墨原料化学多元素分析结果/wt% 元素 SiOz AlzOa FezOa TiOz CaO MgO MnO 含量4.82 1.8O 4.78 0.13 元素MoO3 Pz05 S KzO ZrOz烧失量固定碳 含量0.14 0.014 0.048 0.10 12Ooo 1Oo0o B8露 H8 8Ooo H:赤铁矿 ∽ 凸一 60OO B 4Oo0 G 20oo 、J Q ..H g . 0 1O 20 30 40 50 60 70 8O 20/deg 图1石墨原料的XRD图谱 由图l可看出,试样的XRD图谱中石墨衍射峰 最强,说明石墨含量多、结晶度较好。除石墨以外 还有石英、云母和赤铁矿等杂质,石英的衍射峰强 度次于石墨,为杂质中衍射峰最强的物质,杂质中 的硅主要以SiO。形式存在;云母和赤铁矿的衍射峰 较弱,表明其含量较低或结晶程度不高。 1.2碱酸法提纯石墨原理 天然石墨矿中一般含有SiO2、Fe O3、Al 0。、 MgO等成分,石墨与脉石矿物共生夹杂,用浮选法难 以获得98 以上的高纯度石墨_1 。若要获得98%甚 至更高纯度的石墨,必须对浮选后的石墨精矿进一步 提纯,碱酸法就是其中常用而有效的方法之一。 碱酸法提纯石墨主要包括碱熔和酸浸两个过 程。碱熔过程为将石墨和氢氧化钠均匀混合,然后 加热使氢氧化钠融化,熔融状态下的氢氧化钠与石 墨中的杂质发生化学反应,生成可溶性化合物,再 经洗涤从石墨中去除。碱熔过程中发生的主要化 学反应如式(1)~(5)_】 。 SiO2+2NaOH—Na2SiO3+H2O (1) Fe。 +3OH一一Fe(OH)3 (2) Al什+3OH—Al(OH)。 (3) Ca。 +2OH一一Ca(OH)2 0 (4) Mg外+20H一— Mg(OH)2 (5) 碱熔过程对硅酸盐、硅铝酸盐、石英的去除效 果较好。碱熔反应生成的大部分Na siO。、NaA10 可经洗涤除去,部分金属氧化物生成沉淀跟随石墨 一起进入到酸浸过程。 酸浸主要过程是把经过加碱焙烧后的石墨与 酸混合,搅拌一定时间浸出,酸浸可以将除硅酸盐 外的大部分杂质溶解,生成可溶性物质经洗涤后从 石墨中除去。酸浸过程中发生的主要化学反应如 式(6)~(1O)。 Na2SiO3+2HC1—2NaC1+H2SiO。 (6) Fe(OH)3+3HC1一FeC1。+3H2O (7) Al(OH)。+3HCl—AlCl +3H O (8) Ca(OH)2+2HC1一CaC1z+2H 2O (9) Mg(OH)z+2HCl—MgC12+2HzO (10) 酸浸过程可以将大部分碱性氧化物和碱熔过 程生成的不溶物除去,石墨纯度得到大幅度提高。 碱酸法提纯石墨的工艺流程见图2,碱熔过程和酸 浸过程的联合使用可将石墨中的大部分杂质除去, 对石墨的提纯效果良好I1 。 图2碱酸法提纯石墨工艺流程 1.3试验步骤 实验取5.0 g石墨和氢氧化钠按照一定的比例 混合,加水搅拌均匀置于坩埚中,将坩埚放入设定 温度的箱式电阻炉中并保持一段时间。坩埚在电 阻炉中焙烧一定时间后将其取出,冷却至室温。将 坩埚里面的石墨倒至烧杯,加水洗涤然后过滤,直 至洗涤呈中性为止。然后将一定量的酸加入到已 洗涤至中性的石墨中,磁力搅拌反应一定时间,取 出石墨再次洗涤至中性,过滤干燥得到提纯后的石 墨产品。最后将干燥后的石墨产品进行含碳量测 试,对提纯工艺流程的效果进行分析和评定。 2结果与讨论 2.1 NaOH用量试验 根据碱酸法提纯试验流程,在探索试验基础 第1O期 谭旭升,等:碱酸法纯化石墨试验研究 139 上,设定焙烧温度为500℃,焙烧时间为2h,盐酸浓 度为lmol/L,盐酸用量为137.0ml,酸浸时间为 30min的工艺条件,对不同NaOH用量进行提纯试 验,其结果见图3。 从图3可知,NaOH用量对提纯效果影响显 著。随着NaOH用量的增加,石墨中固定碳含量有 明显提高,提高幅度先急后缓。当NaOH与石墨的 质量比为0.4:1时,石墨的含碳量达到最大值,此 时石墨含碳量为98.69 。此后随NaOH用量增 加,石墨含碳量稍有下降。 NaOH与石墨的质量比超过0.4,石墨含碳量 下降的原因是过量的NaOH不利于硅酸钠的溶解, 使其在洗涤时部分残留在石墨中;在后续酸浸时, 残留的硅酸钠与酸反应转化为硅酸,硅酸极易形成 胶体难以与石墨通过洗涤分离,从而影响了石墨的 纯度。因此,使用过量的NaOH反而会降低提纯 效果 ¨]。 2.2焙烧温度的影响 选用NaOH用量为2.Og,焙烧时间为2h,盐酸 浓度为lmol/L,HC1用量为137.0ml,酸浸时间为 30min条件下,考察焙烧温度对石墨纯度的影响见 图4。 图3 NaOH用量对石墨纯度的影响 、 删 加 强 国 图4焙烧温度对石墨纯度的影响 由图4可知,加碱焙烧明显地提高了石墨的含 碳量,并随着焙烧温度的升高,石墨的提纯效果越 明显。实验表明,在焙烧温度低于600℃的范围内, 石墨固定碳含量随温度升高而提高,600℃时,石墨 固定碳含量为98.85 ;超过600℃以后则有所下 降。当焙烧温度过高时,NaOH与Al。O。、SiOz之 间会发生反应,生成可溶性较差的铝硅酸盐,该铝 硅酸盐具有较好的耐酸性,难以通过酸浸使其 溶解 。 2.3焙烧时间的影响 在NaOH用量为2.Og,焙烧焙烧温度为 600℃,盐酸浓度为lmol/L,HC1用量为137.0ml, 酸浸时间为30min条件下,焙烧时间对石墨提纯的 影响见图5。 由图5可知,当焙烧时间少于60min时,焙烧时 间对石墨的含碳量影响较大。反应初期,NaOH和 杂质含量均较多,反应速度相对较快,此时随着焙 烧过程的进行,石墨含碳量迅速提升;当焙烧时间 处于60~120min时,随着焙烧的进行,石墨含碳量 提升较慢,此时反应由快变慢趋于平稳;焙烧温度 大于120min时,石墨含碳量基本不变,反应趋于完 全。可以选择最佳焙烧时间为120min。 2.4酸用量的影响 选择碱融NaOH用量为2.Og,焙烧温度为 600℃,焙烧时间为120min,分别使用浓度为lmol/ L的HC1、H。SO 进行提纯实验,不同酸用量对石 墨纯度的影响见图6。 图5焙烧时间对石墨纯度的影响 圈6酸对石墨纯度的影响 140 中国矿业 第24卷 由图6可看出,HC1和H SO 的使用都较好地 提高了石墨纯度。在酸浸过程中,当H。SO 用量少 于24.7ml时,石墨中杂质过量,石墨含碳量随着 HzSO 用量增加而增加。当H。SO 用量大于 24.7ml的时,石墨含碳量基本保持不变,表明酸浸 反应基本完成。HC1用量对石墨含碳量的影响与 HzsO 相似,在HC1用量少于54.8ml时,石墨含碳 量与HC1用量成正相关。当HC1用量大于54.8ml 以后,石墨含碳量随酸用量无变化,此时盐酸与石 墨的质量比为0.4:1。HC1和H。So 都是强酸, 均可以与石墨中的杂质发生反应,但考虑到反应产 物,氯化物除氯化银以外都易溶于水,通过前述对 石墨原料的元素分析,试样中不含银成分,即生成 的全部氯化物均易溶于水;而若采用H SO 浸出, 其产物中如CaSO 等系微溶于水,难以通过洗涤方 法彻底除去。因而选用HC1作为酸浸过程中用酸 对石墨纯度具有更好效果。 2.5 HC1浓度的影响 选定碱融时NaOH用量为2.0g,焙烧温度为 600℃,焙烧时间为120min,酸浸时间为30min,不 同盐酸浓度对石墨提纯的影响如图7所示。 、 删 托 围 图7盐酸浓度对石墨纯度的影响 图7中酸浸过程盐酸浓度的试验结果表明,在 盐酸浓度小于lmol/L时,盐酸浓度越大,对石墨提 纯效果越好。当盐酸浓度大于lmol/L时,石墨含 碳量随着盐酸浓度增加略有下降。其原因是:①盐酸 是一种挥发性酸,浓度越大,挥发性越强,导致酸浸过 程中因挥发而损失掉的HC1越多,降低试验效果;② 盐酸浓度高时,反应体系中的液固比较低,势必引起 酸浸反应过程的效果,浸出除杂过程的效果下降。 2.6酸浸时间的影响 实验固定碱融NaOH用量为2.0g,焙烧温度为 600℃,焙烧时问为120min,HC1浓度为1mol/L、用 量54.8ml,不同酸浸时间对石墨提纯的影响如图8 所示。 从图8可知,酸浸时间小于45min时,石墨中固 定碳含量随着酸浸时间的增加而提高。在此阶段, 延长酸浸时间可使反应进行得更充分,杂质减少。 酸浸时间大于45min后,石墨固定碳含量不增反 降。在此阶段,盐酸与杂质的反应已基本完成,延 长酸浸时间造成偏硅酸的沉积,形成不易除去的多 分子硅酸溶胶L1 ,对石墨纯度造成不良影响。 图9显示了石墨提纯过程不同处理阶段的石墨 XRD图谱,图中表明石墨原料中的石英、云母和赤 铁矿等杂质随着加碱焙烧、酸浸过程及其洗涤作业 后,逐渐减少至未检出的过程。 圃 加 藩 匦 图8 酸浸时间对石墨纯度的影响 ● ■ . . ★★ 一,.. 毒.原料 : ● ■ - _ ・ "l焙e 烧后(末洗)l, ★ ● ・焙烧后(已洗)- ● _ ★ ● r= - ● l一赤铁矿. 酸浸后(未洗) ★一▲ 一云母 石英 ● ● L I 酸浸后(已洗) 20/deg 图9不同处理过程的石墨XRD图谱 3 结 论 碱酸法是天然石墨提纯的有效方法,对内蒙古 某鳞片石墨浮选精矿中的石英、云母和赤铁矿等杂 质,采用碱酸法提纯石墨的最佳工艺为:碱处理时 氢氧化钠与石墨的质量比为0.4、焙烧温度600℃、 焙烧时间120min;酸处理时盐酸与石墨质量比为 0.4、盐酸浓度lmol/L、酸浸时间45min。试验能够 获得石墨精矿的含碳量由84.32 提高到99.51 的较好结果,供给石墨制品应用。 _ 参考文献 [1]石何武,汤传斌.石墨材料的生产及在光伏行业中的应用 [c]//2012半导体、光伏产业用碳石墨技术及市场研讨会论 文集,中国上海:2012:98—108. (下转第144页) 144 用前后的红外光谱如图6所示。 藤蝴 中国矿业 第24卷 前后的动电位测定可知,LKD一1的作用使得石英的 零电点由pH一2.7移至pH一3.5,并且随着药剂用 量增大,石英 电位升高的越多;LKD-1的作用使 得滑石零电点由pH一2.1移至5.1,并且使滑石 、 .. 电位整体升高,说明药剂在石英及滑石表面存在静 电吸附作用。 2)通过对石英和滑石纯矿物与LKD-1作用前 …一 4O0o 35o0 30o0 2500 20HD0 150o 1000 500 后的红外光谱分析可知,石英的各峰位均未发生位 移,说明胺类阳离子捕收剂与石英作用的方式不是 化学吸附。滑石纯矿物与药剂吸附后Si—o键的弯 波数/cm 图6滑石与LKD-1作用前后的红外光谱 从图6可以看出,滑石纯矿物与LKD-1作用 后,出现2926.08 cm 和2858.42 cm 的峰值是 N—H伸缩振动的吸收峰;489.84 cm 的一个峰值 是Si—O的弯曲振动的吸收峰。药剂吸附后si—O键 的弯曲振动峰从489.84cm 变为471.33cm,均 发生了红移,即振动减弱,引起滑石表面裸露在外 曲振动峰减弱发生了红移,滑石与捕收剂LKD一1作 用后既存在物理吸附又存在化学吸附。 ■_ 参考文献 [1] 陈斌.新型捕收剂对钛铁矿的浮选研究[D].长沙:中南大 学,2O1O. n 的Si—O键的伸缩振动,减弱了si—O键的弯曲振动 效应。通过滑石及滑石与药剂作用后的红外光谱 分析,在pH值为5.5时,滑石与捕收剂LKD-1作 用后存在化学吸附。 4 结论 [2] 邱杨率.高纯石英选矿提纯试验研究[D].武汉:武汉理工大 学,2012. [3] PALANIANDY S,AZIZLIK A M.Mechanochemical effects on tale during fine grinding process in a jetEJ].International Journal of Mineral Processing,2009,92(1-2):22 33. 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