硫酸浸提石英加工泥渣制备硅微粉和石膏研究

石英加工泥渣是玻璃用石英粉加工产生的一种洗涤泥砂，多数直接排入河道，污染环境。石英砂的提纯方法分为物理法、化学法和微生物法，物理法有擦洗、重选、浮选、超声波选矿、磁选和水洗等，主要处理粗粒杂质；化学法主要是酸浸，常用酸有盐酸、硫酸、氢氟酸、醋酸、草酸、混合酸等。石英砂湿法提纯后废酸处理是行业的技术瓶颈，对石英加工泥渣及废酸处理尚鲜见报道。本试验以江油地区石英加工泥渣为样本，利用硫酸浸提石英加工泥渣制备硅微粉，利用石灰石中和处理废液中的硫酸制备石膏粉，实现“无废”排放和水的循环利用，具有良好的经济和环境效益。01试验原料石英加工泥渣取自江油某地区，水洗过120 目（0.124 mm）筛后烘干，采用XRF 分析其化学成分，结果（w/%）为：SiO2，81.53；Al2O3，14.06；Fe2O3，2.00；K2O，1.32；TiO2，0.60；SO3，0.05。02试验方法（1） 硫酸浸提石英加工泥渣：将石英加工泥渣水洗过120 目筛，静置后倒出上清液得到浆体，调整水用量可得不同固液比（浆体中固体和水质量比）的浆体。石英加工泥渣提纯主要是除去Al2O3 和Fe2O3，提高SiO2 含量。取一定量浆体于三口圆底烧瓶中，加入适量硫酸，将圆底烧瓶三口加塞，打开冷凝回流开关阀，调节磁力搅拌器至一定速率，加热至沸腾后保持微沸，反应一段时间，取下冷却至室温。（2）硅微粉制备：将上述试样抽滤，用水洗涤至中性，收集滤出液，洗涤后的硅微粉烘干，以备后续分析测试。（3）石膏制备：将适量的石灰石颗粒投入滤出液中，常温下反应至无二氧化碳气泡，加少量石灰粉反应至溶液呈中性，自然澄清后排出大部分澄清水，将获得的石膏浆堆放进一步失水晾干，再烘干后获得石膏产品。（4）水的循环使用：将石膏制备步骤中排出的澄清水回用作反应用水及洗涤用水，实现水的循环综合利用。03结果与讨论3.1 硫酸浸提石英加工泥渣的工艺条件3.1.1 固液比：固液比越大，石英加工泥渣的提纯效果越好，固液比为1∶1 时，水量少，有利于硅微粉洗涤，水回收利用，在相同条件下提纯效果优于固液比1∶2。固液比过大，浆体太黏稠，不利于浆体转移和试验反应。综合考虑，浆体固液比为1∶1。3.1.2 酸用量：石英加工泥渣中Al2O3 和Fe2O3 含量分别为14.06%、2.00%，称取固液比为1∶1 的浆体300.0 g，分别采用20.0 mL、22.0 mL、24.0 mL、29.0 mLH2SO4，按1.3.1 节试验方法搅拌反应1.5 h。硫酸用量过多会增加硅微粉洗涤水用量，增大滤液处理量，造成浪费；硫酸用量不足，反应不充分，提纯效果不佳。试验硫酸用量为24.0~29.0 mL，对制备的硅微粉进行XRF 分析，结果见表1。表1 不同硫酸用量对提纯石英加工泥渣制得硅微粉的影响（w/%）3.1.3 反应时间：反应时间对石英加工泥渣提纯影响较大。时间过短，除杂反应不够充分，时间过长增加能耗。称取300.0 g 固液比为1∶1 的浆体，加入29.0mL 浓H2SO4，反应时间为0.5~5.0 h，不同反应时间对硫酸提纯石英加工泥渣制得硅微粉化学成分的影响，见表2。由表2 可知，反应1.5 h 后SiO2 纯度达到88.31%，除铁率达85.5%，除铝率达28.4%。反应3.0 h后，Fe2O3 变化不大，说明在3.0 h 时已完全反应。取反应3.0 h 制得的硅微粉进行白度测试，白度在75%左右。当反应达到一定时间后，提纯难度增加，除杂速率降低，3.0 h 时SiO2 纯度在90% 左右，Fe2O3 基本去除，还剩部分铝杂质未反应。参考HG/T 3061-2009《橡胶配合剂 沉淀水合二氧化硅》中技术要求，本试验搅拌时间采用3.0 h。3.2 酸浸滤液制备石膏以提纯试验条件固液比1∶1、硫酸29.0 mL、搅拌反应时间3.0 h 为例，按理论计算H2SO4 反应16.2 mL，选择过量（10.0%）的石灰石颗粒中和滤液中残留的12.8 mL H2SO4，通过计算知获得的石膏纯度在85.0% 以上，主要杂质为铁、铝化合物，品位高于二级天然石膏，有效回收了可利用资源，具有良好的环境效益。硫酸浸提石英加工泥渣后滤液主要成分为硫酸、铁铝等离子，利用石灰石中和处理废液中的硫酸，既可制备石膏粉，也可解决废酸导致的环境问题，石灰石实际用量应超过理论用量，但不宜过高。一方面石灰石用量少会残留一部分硫酸，用量过多易造成浪费且影响石膏纯度。3.3 水循环利用设计考虑到水的物料守恒及回收利用，设计试验时要求固液比较大、硫酸适量，减少试验过程中水用量。试样的转移、硅微粉的烘干、石膏制备过程中反应、蒸发会损失部分水，将石膏制备步骤中排出的澄清水回用，水回用率达90% 左右，整个工艺达到清洁生产目的。