硼精矿加压碱解法偏硼酸钠清洁制备工艺研究

摘要

针对硼工业碳碱法处理翁泉沟硼精矿生产硼砂硼酸存在的高能耗、低资源利用率和硼泥严重污染环境等问题，开发了处理硼铁矿选矿所得硼精矿的加压碱解–苛化除杂–结晶分离新工艺，实现了偏硼酸钠清洁生产。本论文以NaOH强化分解硼精矿为切入点，进行应用基础研究和过程优化，主要取得以下创新性进展：
　　(1)首次提出处理硼精矿的加压碱解–苛化除杂–结晶分离工艺。NaOH溶液选择性溶出硼精矿中B，达到与Mg和Fe良好的分离效果，溶出反应快，溶出率高。系统考查了初始NaOH溶液浓度、溶出温度、反应时间、液固比、搅拌速度和矿石粒度等因素对B溶出率的影响。实验结果表明，在初始NaOH溶液浓度25％、溶出温度140℃、反应时间2 h、NaOH溶液与硼精矿质量比4:1、搅拌速度500 r/min和矿石粒度小于74μm的优化条件下，B2O3渣计溶出率为95.91%。
　　(2)研究了硼精矿加压碱解过程的宏观反应动力学。结果表明，硼精矿中B的溶出过程为收缩核模型的表面化学反应控制，实验条件下宏观动力学方程为1?(1?X)1/3=1.3712×102×e(?31640/(RT))×t，表观活化能E=31.64 kJ/mol。采取提高溶出反应温度和初始NaOH溶液浓度等措施能强化B的溶出过程。
　　(3)初步研究了溶出液CaO苛化除杂和硼泥洗涤。结果表明，温度对苛化效果影响明显，100℃苛化2 h，溶出液脱Si率69.93%。硼精矿最优溶出条件所得湿硼泥在各级洗涤温度90℃、时间1 h、洗水和湿硼泥质量比3:1下三级逆流浆化洗涤，Na2 O和B2 O3含量分别降至0.35%和0.45%，浆洗效果显著。
　　(4)测定了NaOH?NaBO2?H2O理想体系的结晶成核诱导期和40和90℃的溶解度等温线。结果表明，该体系结晶成核诱导期短，属易结晶体系；NaBO2溶解度随温度升高而明显增大，随NaOH溶液浓度增大而先减小后变缓，可采用冷却结晶从溶出液中分离偏硼酸钠，避免了蒸发结晶的高能耗问题。
　　(5)探索实验表明，影响串联溶出反应B转化率的主要因素为NaOH补加量、溶液中B浓度和溶出温度等。B主要伴生元素Mg, Fe, Si和Al等的溶出行为研究表明，硼精矿加压碱解过程部分Si和Al从固相转入液相，Mg和Fe等基本富集于渣相终硼泥，终硼泥主要物相为 Mg(OH)2。两级串联溶出的四次循环工艺实验研究结果表明，第一级最优溶出条件，第二级温度150℃，其余参数和第一级一致的溶出条件下，各次溶出 B转化率86.84~96.26%，第二级溶出液含 B27.33~29.84 g/L，而Si和Al等杂质维持低浓度而无明显提高。二级溶出液经苛化除杂和净化液90℃密闭陈化脱色后自然降温至25℃恒温搅拌结晶6 h(200 r/min)，约2 h达平衡，粗晶依次用无水乙醇和饱和偏硼酸钠溶液洗涤，40℃干燥，制得截面平行四边形或六边形的晶体NaB(OH)4，结晶率>70%，纯度约90%。

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第一章 文献综述

1.1 硼矿资源概述

1.2 硼矿加工工艺

1.3 本课题研究思路和内容

第二章 硼精矿加压碱解工艺及动力学研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 溶出液苛化除杂和硼泥的洗涤

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 实验结果和讨论

3.4 本章小结

第四章 NaBO2?NaOH?H2O理想体系溶解度测定和初级成核动力学研究

4.1 引言

4.2 理论基础

4.3 实验部分

4.4 实验结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 偏硼酸钠清洁制备全流程实验

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 实验结果与讨论

5.4 硼精矿加压碱解全工艺流程

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢