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铬为重要的战略资源,铬盐系列产品用途广泛。针对我国铬盐生产行业存在的铬铁矿资源利用率低、铬渣环境污染严重等问题,中国科学院过程工程研究所研发了亚熔盐液相氧化法铬盐清洁工艺与集成技术,解除了行业可持续发展的瓶颈问题。铬系产品工程为集成技术的重要组成部分,也是实现行业技术替代的核心研究内容。本论文以铬铁矿分解过程强化为切入点,采用氢氧化钠亚熔盐介质和加压碱浸氧化的方法,研发了铬酸钠的清洁制备工艺,并开展了铬铁矿碱浸过程的热力学、动力学以及铬铁矿伴生组分的浸出行为研究。论文主要取得如下创新性进展:
(1)开展了较高浓度(质量分数约60%)的NaOH水溶液体系中,铬铁矿在纯氧加压状态下的分解热力学研究。结果表明,60%NaOH溶液在高氧压状态下发生氧化分解的热力学趋势较常压状态显著增大。并且,随反应温度的升高,铬铁矿分解趋势变大;
(2)研究了铬铁矿加压碱浸分解过程的宏观动力学,阐明了搅拌转速、铬铁矿粒度、碱矿比、氧分压、碱浓度、反应温度对铬提取率的影响规律。宏观动力学研究结果表明:铬铁矿浸出时,外围包裹未溶解的产物层,其控制步骤即为通过产物层的扩散控制。实验条件下浸出动力学方程为1-2/3X-(1-X)2/3=328.4·e-54500/RT·t,表观活化能为E=54.5kJ/mol。工艺研究表明,60%的碱浓度为最优浓度,提高搅拌转速、碱矿比、氧分压、反应温度,降低铬铁矿粒度能明显提高铬铁矿浸出速率。在氧分压3.2MPa、碱浓度60%、搅拌转速650min-1、铬铁矿粒度小于50μm、碱矿比4.0∶1、反应温度250℃的条件下反应240min,铬的浸出率可达98%以上;
(3)探索了铬铁矿中主要伴生元素(铁、镁、铝、硅)的浸出行为。在加压碱浸过程中,随着铬铁矿的分解,反应残渣的稳定性增强。反应终渣主要由MgFe2O4和Mg(OH)2组成,渣中部分Fe3+会溶解至液相,并以NaFeO2形式存在。铬铁矿中的铝、硅等伴生组分几乎完全浸出至液相,铝浸出速率快于铬,硅少部分以硅铝酸盐形式沉淀进入渣相;
(4)提出了铬铁矿加压碱浸氧化法铬酸钠清洁制备工艺流程,通过在浸出液中添加CaO脱除液相体系中的铝酸盐、硅酸盐和碳酸盐等杂质,通过蒸发盐析结晶的方法实现氢氧化钠和铬酸钠的高效分离。全流程循环试验研究结果表明,氢氧化钠亚熔盐介质经多次循环,仍然可保持较高的反应活性,其中铝硅碳酸根等杂质组分的浓度可稳定在较低的水平。