第6期2005年12月矿产保护与利用CO NSERVATI O N AND UT I L IZAT I O N O F M INERAL RESO URCES№.6Dec.2005由菱镁矿制备高纯氧化镁的工艺研究3王亚芳,仲剑初,刘霁斌,王洪志(大连理工大学精细化工国家重点实验室,辽宁大连,116012)摘要:以菱镁矿煅烧制的得轻烧镁为原料,经消化、碳酸化制得碳酸氢镁溶液,采用活性炭为吸附剂脱除钙、铁等杂质,再热解、煅烧制得高纯氧化镁。
研究了吸附温度和接触时间等因素对活性炭吸附除铁的影响,以及酸用量和时间对活性炭再生的影响。
结果表明:在20℃下,吸附反应80m in,最终的氧化镁产品中M g O含量大于99.5%,Ca O含量小于0.09%,Fe含量小于0.05%;时间对再生效果影响甚微,活性炭再生效果良好,可以重复利用,为制备各种高纯氧化镁提供了一条新途径。
关键词:活性炭;除铁;氧化镁;吸附动力学;轻烧镁;菱镁矿中图分类号:T Q132.2 文献标识码:A 文章编号:1001-0076(2005)06-0017-04Preparation of High-Purity Magnesi a from MagnesiteWAN G Ya-fang,ZHON G J ian-chu,L I U J i-bin,et a l.(S ta te Key Labo ra t o ry o f F i ne C hem i ca ls,D a lian U n ive rs ity o f Techno l o gy,D a lian116012,C h i na)Abstract:I n this paper,light-burned magnesia was hydrated and carbonated t o aff ord magnesium bicarbonate liquor,Fe and Ca of which were re moved by activated carbon.The purified liquor was then pyr olyzed t o obtain basic magnesiu m carbonate which was calcined t o results in high-purity magnesiu m oxide.The effects of ads or p ti on te mperature and ti m e on the ads or p ti on reacti on of Fe were investigated and the regenerati on of used activated carbon was als o discussed.The results showed that the suitable ads or p ti on te mperature and ti m e for re moval of Fe were20℃and80m in,res pectively.The content of Mg O in magnesiu m oxide is up t o99.5%,whereas those of i m purity Ca and Fe are less than0.09%and0.05%,res pectively.This ne w app r oach has been furnishedf or p r oducing a variety of high-purity magnesia.Key words:activated carbon;ir on re moval;magnesia;ads or p ti on dyna m ics;light-burned mag2 nesia;magnesite 氧化镁作为一种重要的无机化工产品用途非常广泛,主要用于耐火材料和提炼金属镁,也用于纸浆制造、提铀、建筑材料、肥料、橡胶、塑料、粘合剂及环保等方面[1～3]。
目前,制备氧化镁的原料主要有海盐、卤水、菱镁矿、白云石等。
当氧化镁作为专用的化学品或功能化学材料时,对其纯度要求很高,如硅钢氧化镁、高性能耐火材料、活性氧化镁、高纯氧化镁、电工级氧化镁等。
由于钙、镁的化学性质相近及矿物原料的不纯,以往国内由矿物原料生产的氧化镁纯度低于97%,使其应用受到限制,产品的附加值较低。
高纯氧化镁的制备涉及到钙、镁分离及铁等杂质的脱除。
活性炭及其它吸附剂吸附金属离子及有机化合物在环保方面的报道较多[4～8],活性炭是一种具有高度发达的孔隙结构和极大比表面积的3收稿日期:2005-06-26;修回日期:2005-09-09基金项目:辽宁海外学子创业项目(2003年)资助作者简介:王亚芳(1981-),女,安徽芜湖人,在读硕士,现从事化工矿物综合利用和精细无机化学品合成的研究。
炭质吸附材料,它的主要性能是对分子具有极强的吸附能力。
活性炭在很多领域得到了广泛的应用,如可用于食品、医药和环境保护等领域。
但在无机盐工业中作为除杂吸附剂的研究甚少。
我们以轻烧镁为原料经消化、碳化制得碳酸氢镁溶液,采用活性炭为吸附剂脱除碳酸氢镁溶液中的铁离子,系统地研究了活性炭对铁离子的吸附行为;同时,研究了废活性炭再生利用。
新工艺不仅有较佳除铁效果,而且也有很好的除钙效果,为制备各种高纯氧化镁提供了一条新途径。
1 试验部分1.1 试剂和仪器1.1.1 试剂及原料试验中所用的试剂及原料有:活性炭(AR,天津南开化工厂)、30%盐酸(AR,大连海运试剂厂)、EDT A(AR,吉林省军区化工厂)、CO2(市售)、轻烧镁(在750℃由菱镁矿烧成,辽宁海城)等。
轻烧镁主要化学组成:Mg O82%,Ca O1%,Fe2O30.8%。
活性炭使用前需经盐酸进行预处理。
1.1.2 仪器LY-2型碳酸化反应釜、DB-101S型集热式恒温磁力搅拌器、721分光光度计等。
1.2 试验方法及原理原料轻烧镁经消化、碳酸化、过滤得到碳酸氢镁溶液,准确称取适量已处理的活性炭及活化剂加入1500m l碳酸氢镁溶液中,然后置于恒温磁力搅拌器中进行吸附脱除反应。
在选定的温度下,每隔一定时间抽取悬浊液50m l转移至布氏漏斗中快速真空抽滤,用721分光光度计测定滤液中铁含量,用EDT A测定分析钙、镁组分。
镁、铁吸附量Q(mg/g)按下式计算:Q=(C0-C e)V/W其中:C0—吸附前金属离子浓度(g/L);Ce—吸附后金属离子浓度(g/L);V—溶液的体积(L);W—活性炭的干重(g)。
经吸附除杂后的碳酸氢镁溶液在100℃下进行热解,热解得到的碱式碳酸镁过滤洗涤后干燥,再在950℃下煅烧3h即得高纯氧化镁产品。
活性炭再生,本试验使用酸再生的方法使废活性炭恢复绝大部分的吸附能力,使之得到循环使用,减少资源浪费。
2 试验结果与讨论2.1 固液比对碳化浸取反应的影响轻烧镁经消化降至室温,转移至碳酸化反应釜中,在压力为0.1MPa、转速为1000r/m in、时间为60m in进行碳化反应,过滤得到碳化反应液即重镁水。
试验中选择的固液比为5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L和30g/L。
表1为固液比对轻烧镁碳化浸出液中镁、铁的浓度的影响。
由表1可见,在开始时随着固液比的增大,镁和铁的浓度逐渐增大。
当固液比达到20g/L时,镁和铁的浓度达到一个最高值。
高于20g/L后,镁、铁的浓度都开始下降。
固液比小于20g/L时,镁的浸出率大于93%;而超过20g/L以后浸出率急剧下降,至30g/L时浸出率只有35%左右。
这一现象表明,当溶液中镁的浓度过高时,会使部分碳酸氢镁转化成碱式碳酸镁沉淀出来,从而使溶液中镁离子的浓度降低。
而铁浓度的降低是由于沉淀的碱式碳酸镁吸附的结果。
因此,碳化浸取轻烧镁的适宜固液比为20g/L,后面的吸附除杂研究中碳化浸出的固液比均采用20g/L。
表1 固液比对浸出液中镁、铁浓度的影响(g/L)固液比51015202530镁离子2.9594.8556.7569.2057.4345.264铁离子0.00270.01030.03180.05570.02320.00912.2 温度对吸附反应的影响试验选择了三个不同的吸附温度10℃、20℃及30℃。
在不同的温度下,活性炭对镁、铁的吸附量随时间变化规律如图1和图2所示。
由图1及图2可知:经过相同的接触时间,当铁离子达到吸附平衡时,镁离子的吸附仍没有达到吸附平衡。
这是因为溶液中镁离子的浓度较高,不可能在短时间内达到平衡。
温度对镁的吸附影响较大,低温时吸附量较小,高温时吸附量较大。
因此,从产品收率角度出发,应在低温下进行吸附除杂。
从图2结果可知,当吸附温度为10℃时,活性炭对铁离子的吸附需要140m in才基本达到平衡;而在20～30℃时,100m in 后活性炭对铁离子的吸附达到平衡,且吸附曲线相・81・矿产保护与利用 2005年近,表明在20～30℃之间温度对铁的吸附影响较小。
综合上述结果,活性炭吸附脱除铁杂质以20℃较适宜。
这是因为在20℃时活性炭对镁的吸附适中,而对铁的吸附量则较大。
从吸附接触时间角度考虑,达到80m in 时,在20～30℃时铁吸附已趋近平衡,而此时镁的吸附量较小。
因此通过控制吸附时间可使铁的吸附量较大,而镁的吸附量较小。
图1 接触时间对镁离子吸附的影响图2 接触时间对铁离子吸附的影响2.3 活性炭除铁工艺条件的选择由上述有关活性炭对镁,铁吸附平衡分析可知,当吸附温度为20℃、接触时间80m in 时,镁的吸附量适中,而铁的吸附量较大,符合产品净化的原则。
为了确定除铁的适宜工艺条件,以最终氧化镁产品中铁和钙的含量为目标参数,在20℃下考察了除杂时间对产品氧化镁质量的影响。
将500m l 碳酸氢镁溶液置于20℃水浴中,加入10g 处理过的活性炭,分别吸附脱除反应60、70、80、100m in 。
除铁后的母液经热解获得碱式碳酸镁,碱式碳酸镁在950℃下煅烧以后,得到氧化镁并分析其组成,试验结果见表2。
由表2可见,经过吸附除杂后,氧化镁产品中Mg O 含量均可达到99%以上,但钙、铁含量却有明显差异。
高纯氧化镁要求Ca O 含量<0.5%,Fe <0.05%。
经过60m in 和70m in 吸附除杂,虽然产品中Ca O 指标小于0.5%,但铁含量指标不合格。
而经过80m in 和100m in 吸附除杂,铁含量指标均在0.05%以下。
因此采用活性炭除杂的工艺条件以20℃、吸附处理80m in 为宜。
表2 除杂时间对产品质量的影响(%)样品氧化镁氧化钙铁轻烧镁82.320.7250.534产品1(吸附脱除时间60m in )99.050.1630.067产品2(吸附脱除时间70m in )99.000.1200.052产品3(吸附脱除时间80m in )99.500.0900.048产品4(吸附脱除时间100m in )99.690.0850.0382.4 活性炭再生工艺条件的选择将1500m l 碳酸氢镁溶液置于20℃水浴中,加入30g 处理过的活性炭,吸附脱除反应60m in,过滤干燥得到62.5g 活性炭。