一水硬鋁石型鋁土礦鹽酸浸出脫鐵過程表觀動(dòng)力學(xué)

1、一水硬鋁石型鋁土礦鹽酸浸出脫鐵過程表觀動(dòng)力學(xué)第5l卷第3期有色金屬Vo1.51,No3一水硬鋁石型鋁土礦鹽酸浸出脫鐵過程表觀動(dòng)力學(xué)鹿思明陶最平文明茶,楊顯萬理工大學(xué)冶金650093)一彳尹(昆明理工大學(xué)冶金系,昆明)1護(hù)r了J北大學(xué)材料與冶金沈陽16'T2f.0.鞏幔出過程建事由界面化學(xué)反應(yīng)控制-當(dāng)x0-2008速率過程由多孔嗣體中的I1必,:I.丁尸川關(guān)譬詞?隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)鑄鋁合金的需求量日益增大,同時(shí)也對(duì)鑄鋁合金在機(jī)械強(qiáng)度耐磨耐鑄鋁舍金生產(chǎn)方法工藝復(fù)雜,流程長,能耗高,金的采用硅鈦氧化鋁直接電解生產(chǎn)鋁硅鈦合金的新工利用鋁土礦中固有的硅鈦,只除去鐵等有害雜質(zhì),經(jīng)成分調(diào)配.獲得

2、硅鈦氧化鋁,再經(jīng)熔鹽電解生產(chǎn)于資源綜合利用,流程簡短,產(chǎn)品性能優(yōu)越等特點(diǎn).雖然該工藝還存在諸多有待解決的問題,并受市場的影響,其發(fā)展受到一定的制約,但是隨著該工藝在應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究方面的進(jìn)一步深入和市場的規(guī)范.相信此工藝會(huì)得到不斷完善和發(fā)展.在電解法直接生產(chǎn)鋁硅鈦含金的硅鈦氧化鋁原鹽酸浸出脫鐵過程的動(dòng)力學(xué)研究較少0".鐵過程的研究表明,浸出速率過程為固體產(chǎn)物層擴(kuò)有的一水硬鉛石型鋁土礦鹽酸浸出脫鐵過程的動(dòng)力鹽酸浸出脫鐵過程表觀動(dòng)力學(xué)的研究,為上述新工藝的完善和發(fā)展提供基礎(chǔ)理論方面的數(shù)據(jù)資料.云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金硬目:蛔B洲收瞢日期:l9%一l】一觀咎回日啊:1999一Ol一26魔思

3、明:男,歲,磺±研究生1實(shí)驗(yàn)Fee+6H)=2F喵)+,H:p(1)+6)=2A+3H(2)上述反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)計(jì)算表明,它們在298353K范圍內(nèi)為放熱反應(yīng),且G:.>>G例如在353K時(shí).G=韶239J.G=一73735J.然而,在實(shí)際浸出實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)溫度為353K時(shí),鐵的提出率可達(dá)80%90%,這是由于Fe能與a一形成多種穩(wěn)定的絡(luò)合物,從而促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行.使反應(yīng)進(jìn)行得較為徹底:而Al很難與a一土礦的浸出.鋁的浸出率也僅有3%.此外,根據(jù)Hp系8一pH圖(假設(shè)各種鐵離子活度為l,298K)可知.在浸出過程中,為避免Fe(OH)的形成,應(yīng)控制溶液

4、pH<1.6.在浸出實(shí)驗(yàn)中,將12mol/L的化學(xué)純HC1與蒸餾水按一定比例配成不同摩爾濃度的鹽酸溶液240ml,置于500ml燒杯并將其放入恒溫水浴中,然后將韶g鋁土礦(鋁土礦成分見表1)放人溫度預(yù)一定量的蒸餾水,并封嚴(yán)燒杯口,防止酸和水的蒸發(fā)損失,使溶液體積保持恒定,以保證浸出實(shí)驗(yàn)在表1鋁±礦的化學(xué)成分Table1Chemical刪p嘴ofdjpaIjcImuxite,0完畢,經(jīng)過濾洗滌后,準(zhǔn)確稱量濾液體積,采用化學(xué)分析法確定鐵含量.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析有色金屬計(jì)數(shù)后第51卷不同條件下的浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖l3所示.圖l的攪拌速度效應(yīng)表明,當(dāng)攪拌速度高于900r/ram和濃

5、度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)均為攪拌速度在1000l150r/hin2,3可見,溫度對(duì)浸出過程影響較大,隨溫度升次之,隨酸度增大浸出速率有所加快.為便于數(shù)學(xué)處理,假設(shè)鋁土礦試樣各顆粒粒度相等,單個(gè)顆粒組織均勻,對(duì)于傳質(zhì)阻力和化學(xué)阻力并無各向異性,并等效為球體:在浸出過程中按收縮的未反應(yīng)核模型和液膜非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散模型處理;界面化學(xué)反應(yīng)為不可逆反應(yīng).t/rain圈2溫度對(duì)浸出率的影響HCI4znol,L:S=疊1,一74/;溫度(IO:一弼.0一粥.一3FEffectoftemtxxateO11k出convew,ionraioIrHn圖4在不同溫度下10一)與t的關(guān)系(符號(hào)同圖2)Fig.4Plotsofl一(1一柚v

6、satd.zentttmaperatmes(SymbolsassaTF.2】產(chǎn)物層擴(kuò)散阻力均可忽略,反應(yīng)離子H,a很容易通過這兩個(gè)阻力層擴(kuò)散到反應(yīng)界面,浸出過程為界面化學(xué)反應(yīng)所控制,由下列動(dòng)力學(xué)模型描述:1-(1_:f(1)r0P式中x浸出率:k界面反應(yīng)速率常數(shù);鹽酸濃度;反應(yīng)級(jí)數(shù);M,ro,P分別為固體反應(yīng)物的摩爾質(zhì)量,顆粒初始半徑和密度;t浸出時(shí)間.前人對(duì)鋁土礦浸出過程多采用Jander擴(kuò)散模型來處理數(shù)據(jù).但該模型在轉(zhuǎn)化率大于40%,尤其在第3期龐思明等:一水硬鋁石型鋁土礦鹽酸浸出脫鐵過程表觀動(dòng)力學(xué)51較寬的浸出率范圍與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合.模型為":朋(1-1=,(2)式中n一反應(yīng)級(jí)數(shù)

7、,D擴(kuò)散系數(shù).由模型(1),令其中:,稱為界面反應(yīng)表觀速度常數(shù),用方程l一(1一x)=j分別處理圖2和圖3中的數(shù)據(jù),得圖4和圖5,界面反應(yīng)表觀常數(shù)見表2和表3.利用公式1n:Inf1/+nlnc0整理表2有關(guān)數(shù)據(jù),由1nKc對(duì)lI1的關(guān)系圖6,得n=2,507,r=O,9935(線性相關(guān)系數(shù)),于是,有I-(1一:r(3)由艮=器可獲得不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)見表3.根據(jù)Arhemos公式整理表3有關(guān)數(shù)據(jù),由Ink對(duì)liT的關(guān)系圖7,得5_952x109exp(一73655),mal(4)其線性相關(guān)系數(shù)r=O.9931,界面化學(xué)反應(yīng)的表觀活化能為73655J/oI.Paspal等在對(duì)一水軟

8、鋁石型鋁土礦鹽酸脫鐵過程的研究中,觀察到在浸出過程中礦粒由外及里將形成由SiO:,A03和TiO2等成分組成的多110I一0lt/ain圍5在不同濃度下l-(1-與f的關(guān)系(符號(hào)同田3)F嬉5Platsof1一(1一vsratdifferezltaddconomtratiomDb越瑪Fig卸表2鹽酸濃度對(duì)界面反應(yīng)表觀速率常數(shù)和表觀擴(kuò)散系數(shù)jrn影響Table2EffeaofdIDcacidconotrationoilapparentl-ale刪andappartdmion刪表3溫度對(duì)界面反應(yīng)表觀速率常數(shù)的影響Table3Effeaoftempemtureonrate.懵k宴-皇/x一/聲/ln

9、C圍6,與C的關(guān)系F唱.6PloBof&andvsc圍7速率常數(shù)與溫度的關(guān)系F7Aplotofratem恤lmnpm'ature有色金屬第5l卷lI'圈8在不同噩度下模型(2)的關(guān)系(符號(hào)同圖2)F8Plots0fm口dd圓atdiffelenttemperatures$meF2)孔固體層.據(jù)此,我們認(rèn)為在本浸出實(shí)驗(yàn)過程中,礦粒由外及里也會(huì)逐漸形成這類多孔固體層,其中所包含的溶液構(gòu)成了離子非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的液膜阻力層.由于該鋁土礦含鐵量較低(約4%),因而大部分鐵應(yīng)嵌布于礦粒內(nèi).臟著反應(yīng)的進(jìn)行,多孔固體層的增厚,反應(yīng)離子擴(kuò)散到反應(yīng)界面的阻力將會(huì)為液膜非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散控制.由

10、圖415亦可看出,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)明顯偏離直線,這說明浸出過程逐漸轉(zhuǎn)為液膜非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散控制.令方程(2)中8C',M/旦:KoFIR'系數(shù),用方程亂+3(1一曲一1=KDt分別處理3l4日根據(jù)公式(罟,/旦)整lm圖9在不同濃度下模型(2)的關(guān)系符號(hào)同圖3FPlo擔(dān)ofmodel圓atdifferentacidconoenWations岫Fig.3)理表3的有關(guān)數(shù)據(jù).由IlKD對(duì)tnc.的關(guān)系圖6,得n=O.9224,r=0.9811.于是,有4川【(1_1=由.=(y可計(jì)算得不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)見表4,根據(jù)Arrhenius公式整理表4的有關(guān)數(shù)lT'.Il圖10擴(kuò)

11、散系數(shù)與溫度的關(guān)系F10Aplotofd曲Ji曲ncoefficient,slemperatureD-0-601exp(一),鋤1(6)其線性相關(guān)系數(shù)r=0.9479,故流體反應(yīng)物HCI通過多孔固體內(nèi)液膜層非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的表觀括化能為5522Kl/mol.表4溫度對(duì)表觀擴(kuò)散系數(shù)%殛擴(kuò)散系數(shù)D的影響Table4Effectof證衄tlIIe0nappanatdiffusioncoefficientroanddim咖coeffmemD3結(jié)論(1)在浸出過程中,一水硬鋁石型鋁土礦鹽酸脫鐵浸出速率隨溫度升高而明顯加快,隨酸度增大而有所加快.(2)浸出的速率過程可分為兩個(gè)階段:當(dāng)xO.20,浸出過程速率由界

12、面化學(xué)反應(yīng)控制,其表觀括化能為73655J/mol;當(dāng)=0.200.80,浸出過程速率由流體反應(yīng)物HCI在多孔固體中的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散控制,其表觀活化能為5522Kl/mol.¨第3期龐思明等:一永硬韜石型鋁土礦鹽酸提出脫鐵過程喪觀動(dòng)力學(xué)參考史獻(xiàn)l楊冠群.有色金屬(冶煉),1991,(國:292楊升等.有色金屬(冶煉).1997,:153PaspaliamTsolakisH!d腫蚰l】r.1987,19:2594PaspalianYiouliPatermaraGTramInstMinMeta/lC.1989,98:C215Zivko,LicZD'StrbacNDl1dfo瑚喲I蟈f

13、,I994,36:2476SohnHWads,.olthME-RateProcessofE,tctivcMetallurgy.NewYork:PlmmPress,1979167陶東平.李振家.化工冶金,I985,呲50吲ES1NDIASPARICBAU/OTEBYH忸OCttLORICACpANGEiTainf1.TAO叼砷.Mt'.4/qG翻wrA帕地咐ofMetallurgy,KrningUrdvetityoyScienceand"D辨Ku,nning6500r)f&h.DlM瞳打曲Sclence曲dMettlutIEy,Nort.1',eater

14、n呻蜘11oo06)Theap】pa腫mkincsofleachingofironoxidesindiasparicbauxitebyhydrochloricacidhasbeenpreliminarilyinvestigated.Therullsshowthattheleac/aingrateofhematiteobviouslymca'easeswiththeO.80.rpectively.KEyW'ORI15kinetics.1eaching;bauxite;hydrochloricacid(oolltfltmp55)3吳成龍.周永益等.上海有色金屬,1987,2:424

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