碱酸法提纯石墨试验研究

2021-03-07 08:07刘振楠姚金江
湖南有色金属 2021年1期
关键词:烧碱浸出液精矿

张 著,刘振楠,胡 亮,姚金江

(湖南有色金属研究院,湖南 长沙 410100)

石墨应具有良好的电热传导性、抗热震性、耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、润滑性、易于机械加工和可塑性等特点,广泛应用于冶金、化工、机械、轻工、电子和航空等领域[1,2]。天然石墨根据其结晶程度不同,可分为鳞片石墨和隐晶石墨两大类[3],其鳞片石墨的价值高,储量少,应用尤为广泛[4]。

鳞片石墨提纯的方法有化学法和高温通气法[5,6],化学法即用强酸、强碱分别去除石墨中的金属氧化物和非金属氧化物杂质[7],又分为碱酸法、氢氟酸法和氯化焙烧法等。本试验研究对比加碱焙烧和不焙烧碱酸法对提纯石墨的影响,探索了鳞片石墨碱酸法提纯工艺条件。

1 试 验

1.1 试验原料

本研究采用的原料为天然鳞片石墨经浮选后的精矿,石墨精矿固定碳含量为89.69%、挥发份为3.68%、灰分为6.63%,主要杂质成分为硅、铁、铝、镁和钙等,主要成分见表1。

表1 石墨精矿主要成分 %

对石墨精矿的粒径进行分析,粒径分布如图1所示,粒径分布较广,主要分布在0.5~10μm之间,D50为2.633μm,D90为6.286μm,粒度较细,所以提纯前不再进行球磨。

图1 石墨精矿粒径分布

图2 石墨精矿XRD图

对石墨精矿物相进行分析,石墨精矿XRD图如图2所示,从图2可知,石墨精矿XRD图谱中出现了d值为0.337 1 nm、0.213 4 nm、0.205 6 nm、0.168 6 nm、0.122 9 nm石墨的特征衍射峰。出现d值为1.003 8 nm、0.450 2 nm、0.258 1 nm、0.150 3nm云母特征衍射峰及d值为0.426 9 nm石英特征衍射峰。由特征衍射峰可知,石墨精矿中除石墨外还含有云母和石英等杂质矿物[8],化学提纯过程主要考虑除去石墨中的云母和石英。

1.2 试验主要仪器

试验主要仪器有:激光粒度分析仪、恒温干燥箱、分析天平、pH510型pH计、HZQ-C恒温水浴锅、JJ-1精密增力电动搅拌器、真空泵、抽滤瓶等。

1.3 试验方法

1.3.1 不焙烧

将石墨精矿、烧碱或盐酸加入至烧杯中,加入纯净水在设定条件下进行搅拌浸出,浸出浆料进行过滤,滤饼采用纯净水洗涤三次。滤饼在恒温干燥箱中干燥后,按照GB/T 3521-2008中方法分析石墨中固定碳含量。

1.3.2 加碱焙烧

将石墨精矿与碱混合均匀,加入适量水,制成直径0.5~1 cm的球,在恒温干燥箱中烘干。然后在设定的温度下焙烧,焙烧后焙砂磨细,加入纯净水在设定条件下进行搅拌浸出,浸出浆料进行过滤,滤饼采用纯净水洗涤三次。洗涤后滤饼加入盐酸和纯净水在设定条件下进行搅拌浸出,浸出浆料进行过滤,滤饼采用纯净水洗涤三次,在恒温干燥箱中干燥后,按照GB/T 3521-2008中方法分析石墨中固定碳含量。

2 试验结果及讨论

2.1 碱用量对石墨提纯的影响

采用烧碱直接提纯石墨,研究烧碱加入量(m烧碱/m石墨=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)对石墨提纯的影响,浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h,试验结果如图3所示。

图3 碱加入量对石墨提纯的影响

由图3试验结果可知,随着烧碱量的提高,提纯后的石墨固定碳含量增加,主要原因为石墨中杂质SiO2和Al2O3与烧碱反应,溶于水相,使石墨中固定碳含量升高[6]。当m烧碱/m石墨为0.4时,石墨固定碳含量达到92.82%;继续增加烧碱量,提纯后石墨固定碳含量不再增加。

2.2 盐酸用量对石墨提纯的影响

采用盐酸直接提纯石墨,研究盐酸加入量(m盐酸/m石墨=0.1、0.2、0.4、0.6、0.8)对石墨提纯的影响,浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h,试验结果如图4所示。

图4 盐酸加入量对石墨提纯的影响

由图4试验结果可知,采用盐酸直接提纯石墨,随着盐酸加入量的增加,提纯后石墨中固定碳含量增加,主要原因为石墨中可溶于盐酸的铁、铝、镁和钙等杂质进入水相,提高石墨固定碳含量。当m盐酸/m石墨为0.4时,提纯后石墨固定碳含量增加缓慢。

2.3 焙烧温度对碱酸法提纯石墨的影响

研究加碱焙烧温度(不焙烧、400℃、500℃、600℃、700℃)对碱酸法提纯石墨的影响,焙烧碱加入量m烧碱/m石墨为0.4,焙烧时间为1 h,焙砂浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出,浸出条件为盐酸加入量为m盐酸/m石墨=0.4,浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h,试验结果如图5所示。

图5 焙烧温度对提纯石墨的影响

由图5试验结果可知,不焙烧碱酸法提纯石墨后固定碳含量为94.08%,焙烧温度为400℃和500℃时,随着焙烧温度的增加,提纯后石墨固定碳含量增加。在高温条件下,石墨精矿中硅、铝杂质与熔融的碱发生反应更彻底,生成可溶性钠盐[9],提高石墨的纯度。温度为500℃时,提纯后石墨固定碳含量为95.86%。当焙烧温度超过500℃,提纯后石墨固定碳含量反而降低,可能原因有两种,其一为焙烧温度过高,石墨被氧化,使得石墨中固定碳含量下降;其二为焙烧过程,氢氧化钠与SiO2反应为放热反应,提高温度不利于反应彻底进行[10]。

2.4 焙烧时间对碱酸法提纯石墨的影响

研究加碱焙烧时间(0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h)对碱酸法提纯石墨的影响,焙烧碱加入量m烧碱/m石墨为0.4,焙烧温度为500℃,焙砂浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出,浸出条件为盐酸加入量为m盐酸/m石墨=0.4,浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h,试验结果如图6所示。

图6 焙烧时间对提纯石墨的影响

由图6试验结果可知,焙烧时间由0.5 h增加至1 h,提纯后石墨固定碳含量增加;当焙烧时间由1 h增加至2.5 h,提纯后石墨固定碳含量反而减少,可能原因为焙烧时间过长,石墨被氧化,使得石墨中固定碳含量下降。

3 结 论

1.焙烧碱加入量m烧碱/m石墨为0.4,焙烧温度为500℃,焙烧时间为1 h,焙砂浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出,浸出条件为盐酸加入量为m盐酸/m石墨=0.4,浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h,提纯后石墨固定碳含量达到95.86%。

2.碱加入量m烧碱/m石墨为0.4,浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出,浸出条件为盐酸加入量为m盐酸/m石墨=0.4,浸出温度为90℃,浸出液固比为5∶1,浸出时间为2 h,不焙烧碱酸法提纯石墨后固定碳含量为94.08%。

3.加碱焙烧碱酸法提纯石墨效果优于不焙烧碱酸法。

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