纯碱法清洁、高效综合利用硼泥有价元素过程的反应机理研究

Boron mud is a kind of industrial solid wastes with strong basicity and it seriously endangers ecological environment. Now, the value of the recovery products of boron mud is low and the elements of the boron mud aren't taken full advantage of is the key way to solve the problem of boron mud. The project investigates the reation mechanism of the elements of boron mud in the process of cleaning and high efficient comprehensive utilization by sodium carbonate and targets the elements containing in boron mud on investigating in order to achieve the multicomponent comprehensive utilization of boron mud for high value and recycling reaction medium.The concrete matters include:the component, structure, character of boron mud and the reaction mechanism and the control step of reaction process of the elements of boron mud in the process of melting in sodium carbonate and reducing in high temperature and the correlative reaction kinetics are researched; the phase equilibrium of multicomponent system are also researched, the reaction mechanism and the control step of reaction process of carbonating the sodium silicate solution are studied. To find the transformation rule and interreaction rule of the elements of boron mud in the process of cleaning and high efficient comprehensive utilization by sodium carbonate can provides fundamental basis for leaching, separating and purifying of the elements and technical support for cleaning and high efficient comprehensive utilization of boron mud for high value and theory and techniques basis for cleaning and high efficient comprehensive utilization of boromagnesite and paigeite.

硼泥是一种具有强碱性的工业固体废物，严重危害生态环境。目前，回收产物附加值低，有价元素不能充分回收利用成为制约解决硼泥问题的瓶颈。为实现硼泥资源高附加值、多组元和反应介质内循环的清洁、高效综合利用，本项目以硼泥中有价元素为研究对象，对纯碱法综合利用硼泥过程中有价元素的反应机理进行研究。具体内容包括：熔融纯碱介质中的硼泥有价元素和高温还原条件下硼泥脱硅渣中的有价元素的组成、结构、性质和转化机制、反应过程控制步骤以及反应动力学的研究；纯碱介质中多元体系相平衡的研究；硅酸钠溶液碳酸化过程中有价元素析晶机理及多元体系相平衡的研究。揭示硼泥有价元素在纯碱法清洁、高效综合利用过程中的转化规律及组分间的相互作用规律，为硼泥有价元素的提取、分离、提纯奠定理论基础，为硼泥资源的清洁、高效综合利用提供技术上的支持，也可为硼镁（铁）矿的清洁、高效综合利用提供典型示范奠定理论和技术基础。

硼泥是生产硼砂过程中所产生的一种具有强碱性的工业废弃物，若将其有效的回收利用，会产生可观的经济效益和社会效益。本项目对熔碱法综合利用硼泥过程中有价元素的反应机理进行研究。具体内容包括：熔融碱介质中的硼泥有价元素转化机制、反应过程控制步骤以及反应动力学的研究；正硅酸镁碱熔反应机理；氧化铁还原反应动力学；碱介质中多元体系相平衡的研究；硅酸钠溶液碳酸化过程中有价元素析晶机理及动力学。通过研究得到如下结果：硼泥与氢氧化钠反应提硅和提硼的过程都符合有固体产物层生成的未反应核模型，其反应过程分为两个阶段，第一阶段的反应时间为0～20min，第二阶段的反应时间为20～50min，反应的第一阶段是由界面化学反应控制，反应的第二阶段是由产物层扩散控制，经过动力学研究得到了相应的动力学方程; NaOH对岛状结构的Mg2SiO4作用中Na离子对Mg离子的替换是逐次进行的; 碳还原氧化铁过程分三步进行，确定了三步反应的速率方程；分别得到了25℃下的NaOH-Na2SiO3-H2O和Na2CO3-Na2B4O7•10H2O-H2O的三元体系水溶液相图；对碳分过程进行动力学分析可知，碳分过程主要由二级化学反应控制，反应分为三个阶段。在硅酸钠浓度为1mol•L-1，反应温度为60℃，三个阶段的反应速率常数分别为k1=0.0064L•h•mol-1，k2=3.178 L•h•mol-1，k3=1.130 L•h•mol-1。本项目的成功实施揭示了硼泥有价元素在熔碱法综合利用过程中的转化规律，为硼泥有价元素的提取、分离、提纯奠定理论基础，为硼泥资源的清洁、高效综合利用提供技术上的支持，也可为硼镁（铁）矿的清洁、高效综合利用提供典型示范奠定理论和技术基础。