预处理对攀西钛铁矿结构与性能的影响研究

摘要

钛铁矿作为生产钛系列产品的主要原料，因储量丰富、价格低廉，其综合利用受到了越来越多的关注。利用钛铁矿制取高品位富钛料一直是研究的热点，制备具有较好电化学性能的超级电容器电极材料是开发的新方向。针对我国攀西钛精矿的矿物结构及组成特征，本工作系统地研究了在利用攀西钛铁矿精矿制备富钛料过程中，氧化还原及球磨的预处理方式对钛铁矿精矿中三种单矿物的结构及酸浸效果的影响，并通过“球磨-碱浸”工艺制备出了纳米超级电容器电极材料FeTiO3。
　　 采用“氧化还原-球磨”预处理技术，研究预处理对钛铁矿精矿中三种单矿物钛铁矿、钛辉石及斜长石的影响，考察矿物中钙、镁及铁主要杂质元素的盐酸浸出行为，并通过XRD、SEM、EDS等方法对处理前后各单矿物进行了表征。结果表明，经过氧化还原-球磨处理，钛铁矿的物相明显发生改变，铁迁移至表面，形成了富铁的新表面，新表面疏松、凹凸不平，出现了大量的微裂缝，Fe的浸出率显著提高;钛辉石的物相结构未发生明显变化，但其表面变疏松，产生了裂缝与孔洞， Fe、Ca、Mg的浸出率得到提高;斜长石的物相结构和表面形貌均未发生明显变化，矿物表面仍坚硬紧实，Ca的浸出率基本未变。氧化还原强化了钛铁矿和钛辉石的球磨过程，进一步提高了钙镁铁杂质离子的浸出率，而对斜长石的浸出未产生明显的强化效果。
　　 对不同预处理钛铁矿精矿的盐酸浸出过程进行研究，结果表明，在68℃～108℃的温度范围内，未处理钛铁矿精矿、球磨钛铁矿精矿和氧化还原-球磨钛铁矿精矿的盐酸浸出过程遵循未反应收缩核模型。未处理的钛铁矿精矿的表观活化能为57.92kJ/mol;经过球磨活化2h处理后，钛铁矿精矿的浸出过程表现为活化层和未活化层的浸出，随着活化层活性的逐渐降低，表观活化能由16.53kJ/mol增大至19.76kJ/mol，浸出2h时仍未达到未活化层;经过氧化还原-球磨2h处理后，钛铁矿精矿的浸出反应处于活化芯层内反应，反应的表观活化能降至8.71 kJ/mol。
　　 采用“球磨-碱浸”工艺制备了FeTiO3纳米颗粒，考察了球磨方式、球磨时间、碱浸蚀等对产物结构、形貌及电化学性能的影响。通过SEM、XRD对电极材料进行形貌和物相表征，并通过循环伏安、恒流充放电、电化学阻抗谱等检测手段对其电化学性能进行表征。结果表明，电极材料FeTiO3主要表现出法拉第电容特征，在KOH溶液浓度为1mol/L、电流密度为0.1A/g时，比电容达到176.3 F/g。

目录

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摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．1．1 攀西钛铁矿的特点

1．1．2 钛铁矿的综合利用

1．2 钛铁矿精矿生产富钛料的方法

1．2．1 电炉熔炼法

1．2．2 硫酸浸出法

1．2．3 还原锈蚀法

1．2．4 盐酸浸出法

1．2．5 攀西钛精矿制备高品位富钛料的方法

1．3 钛精矿预处理技术的研究进展

1．3．1 热处理

1．3．2 机械球磨

1．4 纳米FeTiO3的制备及应用

1．4．1 纳米FeTiO3的制备

1．4．2 纳米FeTiO3的应用

1．5 超级电容器

1．5．1 超级电容器的工作原理

1．5．2 超级电容器的特点

1．5．3 超级电容器电极材料的研究进展

1．6 本课题的选题意义及研究内容

第二章 氧化还原-球磨-盐酸浸出对钛铁矿制备高品位富钛料的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器与试剂

2．2．3 实验方法

2．2．4 分析与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 氧化还原-球磨钛矿的盐酸浸出行为

2．3．2 氧化还原-球磨钛辉石的盐酸浸出行为

2．3．3 氧化还原-球磨斜长石的盐酸浸出行为

2．4 本章小结

第三章 氧化还原-球磨对钛铁矿精矿酸浸动力学的影响

3．1 浸出动力学模型

3．2 结果与讨论

3．2．1 搅拌速率的确定

3．2．2 钛铁矿精矿的盐酸浸出动力学

3．2．3 球磨钛铁精矿的盐酸浸出动力学

3．2．4 氧化还原-球磨钛铁矿精矿的盐酸浸出动力学

3．3 本章小结

第四章 球磨-碱浸对钛铁矿制备纳米FeTiO3的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器与试剂

4．2．3 纳米FeTiO3的制备

4．2．4 纳米FeTiO3电极的制备

4．2．5 分析与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 球磨和碱浸对产物结构及电化学性能的影响

4．3．2 球磨方式对产物形貌的影响

4．3．3 球磨时间对产物结构及电化学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位论文期间主要研究成果