利用川南硫铁尾矿制备莫来石晶须的试验研究

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川南地区硫铁矿储量巨大,为全国五大硫矿生产基地之一,但粗放型的开采方式,生产者环保意识薄弱以及相对落后的生产工艺水平等因素造成大量尾矿堆积。数十年的开采及炼磺所产生的尾矿废渣被大量堆存于山坡、耕地或排入河流,导致大面积耕地损失和河流污染,严重影响了当地人民的生产生活,甚至危及其生命健康。因此,关于川南硫铁尾矿综合开发利用的研究极具现实意义。莫来石晶须是运用于复合材料一种性能优异的增强补韧材料。在一定条件下,高岭土可转化为莫来石,而高岭土正是川南硫铁尾矿的主要矿物组成,这就为硫铁尾矿的综合开发利用提供了一种可能性。本文以川南硫铁尾矿的矿物组成及化学组成分析为基础,验证了以硫铁尾矿为原料采用熔盐法在1000℃以下合成莫来石晶须的可行性,并从煅烧温度、保温时间、升温-冷却方式、尾矿的成分调整、杂质含量、铝源及熔盐介质选择等方面探究了这些因素对制备莫来石晶须的影响,并利用荧光光谱分析(XRF)、等离子体光谱仪(ICP-OES)、 X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等测试方法对制得产物进行表征分析,得出以下结论:(1)川南硫铁尾矿的矿物组成以高岭土为主,主要杂质Fe、Ti分别以硫铁矿、锐钛矿形式富存于尾矿中,除此之外还存在Ca、K、Mg、C、S及有机质等杂质。(2)以川南硫铁尾矿为原料采用熔盐法可在800-1000℃内成功制备出莫来石晶须。煅烧温度过低或保温时间过短均不利于莫来石晶须的生长,煅烧温度过高时则易导致刚玉杂相的生成,而在950℃下煅烧保温2h,可获得平均直径约为45 nm,长度均在500 nm以上,长径比为10~20的纳米级莫来石晶须。因此,煅烧温度950℃,保温时间2h可作为优选方案。此外,急速升温相比于缓慢升温可形成更多莫来石晶核,这有利于获得大长径比的莫来石纳米晶须。(3)成分调整可有效降低川南硫铁尾矿中Fe、Ca、K和Mg等有害杂质元素的含量,但也会降低有效组分A1203的含量。其中,酸洗过程中酸的浓度及其配比均会对原料中的化学组成造成影响。实验表明,经浓度均为25%的硫酸和盐酸按体积比1:1配置的混合酸酸洗处理和650℃煅烧预处理的川南硫铁尾矿的成分组成更有利于制备莫来石晶须。酸洗处理不能明显减少硫铁尾矿中TiO2的含量,但一定含量范围内的Ti02有助于莫来石晶须的生长。原料的反应活性过低也会导致最终产品中形成除莫来石以外的物相。(4)在反应过程中,能否供给具有高反应活性的γ-Al2O3决定了铝源的优劣,以硫铁尾矿为原料制备莫来石晶须的优选铝源为A12(SO4)3,但若进行工业化大规模生产,选用高品质铝矾土的成本相对较低,将其作为优选铝源。(5)熔盐介质熔点的高低及其液相的粘度大小都会对莫来石晶须的合成造成影响。Na2SO4的熔点为884℃,且可与A12(SO4)3发生共融形成液相,该液相在950℃时的粘度系数低,而γ-A1203和Si02在该液相中的过饱和度很小,容易析出莫来石晶须,且晶须长径比大。将K2SO4与Na2SO4质量比1:1混合得到的混合熔盐介质可在一定程度上实现粘度降低,改善晶须形貌,但因K2SO4而产生晶须团聚现象不可避免。因而,Na2S04可作为优选熔盐介质。
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