有机酸溶出转炉钢渣中磷组分的过程及机理研究

With the utilization of high phosphorus iron ore and implement of converter duplex dephosphorization technology, the content of P2O5 in steelmaking slag will increase to 10%, creating the condition for recycling phosphorus resource. Based on phosphorus fraction of steelmaking slag can be easily solved in organic acid, the leaching of phosphorus resource by organic acid is considered as effective way for removing phosphorus and solving the problem that phosphorus deficieny in the soils. But the digestion process and mechanism of phosphorus in organic acid are not completely clear, which prevents the efficient utilization of phosphorus resource. Therefore, the effects of slag composition and organic acid solution properties on digestion of phosphorus will be studied in this proposal, and the action mechanism of various factors on digestion will be confirmed. For verifying the digestion process and regulation rules of mineral phases, and ascertaining the transfer mechanism of phosphorus from mineral phases to organic acid solution, the Eh-pH diagram of elements and solubility phase diagram of phosphorus-containing phase in organic acid solution will also be established. The macro-kinetic model for digestion process of phosphorus will be established to obtain the restrictive step and hardening rule. These researches could enrich the related theories for wet leaching of phosphorus, and provide theoretical foundation and technical support to promote the technical progress in phosphate fertilizer which synthesized by steelmaking slag.

随着高磷铁矿石的开发利用以及转炉双联脱磷工艺的实施，钢渣中P2O5含量可增加至10%以上，这为磷资源的回收利用创造了较好的客观条件。根据钢渣中磷组分易溶于植物根部有机酸的特点，利用有机酸将其浸出被认为钢渣除磷以及解决土壤缺磷问题的有效途径。但目前磷在有机酸中的溶出过程及相关机理尚不明确，从根本上制约了磷资源的进一步高效利用。为此，本项目拟首先通过实验研究钢渣成分及有机酸溶液性质等对磷溶出行为的影响，揭示各因素对磷溶出的作用机制；建立有机酸溶液体系内元素的电位-pH图及含磷矿相的溶解度相图，解析出各矿物相的溶出过程及调控规律，查明磷在矿物相-有机酸溶液中的迁移机制；建立磷溶出过程的宏观动力学模型，得出磷溶出反应的限制性环节及过程的强化规律。项目的开展可丰富钢渣中磷湿法浸出的相关理论，进而为促进钢渣磷肥技术的发展提供理论基础与技术支撑。

为了回收钢渣中的磷资源，人们尝试利用钢渣易溶于有机酸的特点，分析了磷在有机酸中的溶解行为，但未对磷元素在有机酸溶液中的溶出机制进行研究。为此，本项目首先通过实验研究，分析了钢渣性质(粒度、成分、冷却方式、改质处理)及有机酸性质(种类、浓度)对磷溶出过程的影响规律；之后基于热力学理论，绘制了钢渣中各元素的浓度-pH图，计算了有机酸浸出液中各物质的浓度；最后建立了包含多因素的磷溶出反应动力学方程。项目顺利完成了拟定的研究计划，并取得以下研究结果：. (1) 随着钢渣碱度的增大，磷的溶出率呈先升高后降低的趋势；钢渣中2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的生成有利于磷的溶出；在钢渣中添加Na2O可促进2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的生成，进而使磷的溶出率提高，但当Na2O的添加量超过10%后，磷的溶出率变化不明显；降低钢渣的冷却速度可促进磷的溶出。. (2) 磷在苹果酸及柠檬酸溶液中的溶出率较高，但很难在酒石酸、乙酸和乳酸溶液中溶出；当柠檬酸浓度超过0.0104mol/L后，磷的溶出率可达80%以上，钢渣中的2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体相被大量溶解，但镁铁相很难溶解进入柠檬酸溶液中。. (3) 当初始柠檬酸的浓度较低时，各元素的溶出率都较低，浸出液中主要存在Ca2+、CaCit-、MgCit-、FeH2PO42+ 及 CaHPO4等物质，Ca5(PO4)3(OH)(s)也易在溶液中形成，导致磷的溶出率降低；当柠檬酸溶液的浓度提高至0.0104mol/L后，除了铁元素，其他元素的溶出率显著提高，浸出液中主要存在Ca2+、CaCit-、MgCit-、H2Cit-、H3Cit、FeH2PO42+等物质。. (4) 钢渣粒度、反应温度、搅拌速率对磷溶出的影响不大，但增大固液比可使磷的溶出率显著提高，磷的溶出反应符合内扩散控制的未反应核缩减模型，即磷在钢渣内部的扩散是反应的限制性环节，最后建立了包含有机酸浓度、钢渣粒度、反应温度、搅拌速率及液固比的动力学方程。. 通过以上研究结果，可系统解释钢渣中磷元素在有机酸中的溶出过程和机制，丰富了磷湿法处理的相关理论，可为实现磷资源的高效回收利用及钢渣磷肥技术的发展提供理论支撑。