电炉法黄磷炉渣硅钙铁分离及资源循环利用的基础研究

电炉法黄磷炉渣是工业黄磷生产过程中产生的固体废渣，主要成分为硅钙，同时含有磷铁等杂质，具有较高活性的玻璃体占90％以上，通过分离可制备应用价值较高的硅钙产品。本项目采用硝酸溶液浸出黄磷炉渣，以可溶性钙盐和铁盐的形式分离渣中钙、铁元素，再采用硫酸沉钙，可同时制取白炭黑和钙盐产品。通过研究黄磷炉渣原料中硅钙铁的存在形态及黄磷炉渣矿物学特性，硅酸钙、硅酸铁等硅酸盐、磷铁等与硝酸的化学反应规律，黄磷炉渣浸出的基础理论，硫酸沉淀浸出液中钙的基本规律和反应液的循环利用等过程的化学反应规律、影响因素及相关反应的机理，为黄磷炉渣固体废弃物的循环利用提供理论依据和基础数据。本项目的研究可丰富和完善硅酸盐与酸的化学反应的基础理论，为黄磷炉渣固体废弃物的循环利用提供一条新的应用途径，不仅可以充分利用工业废弃物黄磷炉渣，变废为宝，而且可以降低环境污染，节约资源，符合循环经济发展的基本要求。

黄磷炉渣是电炉法生产黄磷时产生的固体废弃物，主要含有二氧化硅、氧化钙以及少量的铁、铝、镁、氟等元素，可用于制取具有高附加值的硅、钙产品。本项目以黄磷炉渣为原料，采用硝酸溶液分解浸出，浸取渣经洗涤、干燥、煅烧可得到白炭黑产品，浸出液经硫酸沉钙可制得优质的硫酸钙产品。.实验研究表明，制取白炭黑的最佳工艺条件为：反应温度100℃，反应时间5h，液固比10:1，硝酸浓度20%，搅拌速度400rpm，洗涤终点PH 5.0，煅烧温度700℃，煅烧时间30min；在该工艺条件下，原料中各元素的浸出率分别为Fe 94.09%，CaO 99.94%，MgO 99.89%，Al2O3 97.98%，F 97.07%；制得的白炭黑产品SiO2含量可达99.18％，铁含量0.039%，白度达到90.12％，比表面积达到205cm2/g；产品经X-射线衍射和电镜分析确定为无定形的非晶态二氧化硅、粒度分布在0.23～27.28μm之间；黄磷炉渣的酸浸过程为固－液反应，可通过液固相反应粒径不变的收缩未反应核模型来描述，酸浸过程受化学反应过程控制，其表观活化能Ea＝21.70kJ/mol，化学反应级数为0.5005。.含硝酸钙的浸出液硫酸沉钙过程的最佳工艺条件为H2SO4质量分数为20%，反应温度20℃，H2SO4与HNO3浸出液的体积比0.6:1，反应时间30min。沉淀物经洗涤，110℃干燥后可得到CaSO4含量99.66%，结晶水含量19.43%的二水针状硫酸钙产品。HNO3浸出液沉钙过程中，有95%以上MgO、96%以上的Al2O3、91%以上的Fe和98％以上的F留存在液相中。浸出液沉钙过程为间歇动态过程，可用通过矩量变换法处理的间歇动态过程的粒数衡算方程来描述。项目采用间歇动态法研究得到了CaSO4晶体的成核和结晶动力学方程。.黄磷炉渣浸出液，采用H2SO4沉钙转换后，可用于黄磷炉渣的循环处理，循环次数可达到10次以上；而经多次循环使用的HNO3浸出液，通过中和净化处理，除去积累的铁、铝等杂质后，可继续用于黄磷炉渣的循环处理，循环次数同样可达到10次以上。循环液净化所得到的渣可作为水处理絮凝剂用于污染水处理，研究表明：废水中磷的去除率可达到74.69%、浊度去除率达到97.55%。