电解锰渣体系中硫酸钙特性的研究
来源:保捱科技网
第3O卷第5期 2010年l0月 矿冶 工程 ERING Vo1.3O№5 0ctober 20l0 MINING AND METALLURGICAL ENG帆电解锰渣体系中硫酸钙特性的研究① 张 强,彭 兵,柴立元,王 佳,张金龙,闵小波 (中南大学冶金科学与工程学院,湖南长沙410083) 摘要:采用DTA与XRD分析了煅烧温度对电解锰渣中主要物质硫酸钙晶型的影响,并检测了电解锰渣中硫酸钙溶解度的变化, 以及煅烧锰渣掺入矿渣中对矿渣的激发性能。结果显示:电解锰渣中硫酸钙在71.6,133.9,540.8,875.9和1 149.4 oC发生晶型转 变,经过350℃以上煅烧的电鳃锰渣中硫酸钙溶解度较大,对矿渣的活性激发效果也较好。研究结果可为电解锰渣应用于胶凝材 料的生产提供理论依据。 关键词:电解锰渣;硫酸钙;晶型转变;溶解度;活性指数 中图分类号:TF046 文献标识码:A 文章编号:0253—6099(2010)05—0070—04 Study on Characteristics of Calcium Sulfate in Electrolytic Manganese Residue ZHANG Qiang,PENG Bing,CHAI Li—yuan,WANG Jia,ZHANG Jin—long,MIN Xiao—bo (School of Metallurgical Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China) Abstract:Effects of calcination temperature on the crystal form of calcium sulfate in electrolytic manganese residue were analyzed by D rA and XRD.The solubility changes of calcium sulfate in electrolytic manganese residue were detected and the activation ability of the electrolytic manganese residue mixed with blast fumace slag was analyzed.The results showed that the crystal fornq of calcium sulfate in electrolytic manganese residue transformed at temperature 7 1.6. 133.9.540.8.875.9 and 1 149.4℃.The solubility of calcium sulfate in electrolytic manganese residue caleinated above 350℃was higher and the activation effect on the slag was better.This will provide theoretical base for the utiliza. tion of electrolytic manganese residue in production of the gels. Key words:electrolytic manganese residue;calcium sulfate;crystal form transformation;solubility;activity index 近年来,随着我国电池行业的快速发展,电解二氧 化锰的生产与消费量也越来越大。2003年,我国电解 二氧化锰年销售总量跃居世界第一,随之而来的是电 解二氧化锰生产企业产生的电解锰渣迅速增加。电解 锰渣(以下简称锰渣)是在碳酸锰矿粉中加入硫酸溶 液电解生产二氧化锰过程中产生的滤渣 。据统计, 每生产1 t电解二氧化锰,就会排放5~6 t锰渣 。 这些酸浸废渣含水率高且颗粒细小,含有一定量的重 金属元素,若长期露天堆放,这些重金属元素会通过土 层渗透,进入地下水,污染地下水水质。同时,电解二 氧化锰生产企业须大量征用土地堆存产生的锰渣,这 就增加了企业的生产成本,因此锰渣成为制约企业可 持续发展的重要因素。 锰渣的主要成分是SiO2和CaSO4・2H:O,根据硫 ①酸钙含量可以归为工业副产石膏废弃物 。目前,电 解二氧化锰生产企业对锰渣的处置方式多为渣场堆 置。对锰渣展开的资源化利用探索主要有开发富硒全 价肥 和利用锰渣返土还田 等。这些利用途径受 到其产品产量和工艺成本等因素的,很难大规模 推广,因而不能从根本上解决锰渣的问题。目前锰渣 作为工业副产石膏大量应用于胶凝材料生产成为了研 究热点¨ ,从实验和工艺的角度论证了锰渣用于生 产胶凝材料的可行性,但对于锰渣体系中硫酸钙特性 缺少深入的研究。国外针对石膏及脱硫石膏中硫酸钙 特性展开了较为深入的研究L8 。。,但目前针对锰渣体 系中硫酸钙特性的研究还没见报道。因此,针对锰渣 体系中硫酸钙的特性开展研究,可为锰渣用于胶凝材 料的生产提供理论依据。 收稿日期:2010-05-09 基金项目:湖南省节能减排科技重大专项(2008FJ1013,2009FJ1008) 作者简介:张强(1983一),男,广西贵港人,硕士研究生,主要从事冶金环境工程固废资源化技术研究。 通讯作者:彭兵(1956一),男,湖南泪罗人,博士,教授,主要从事冶金环境工程资源化技术研究。 第5期 张强等:电解锰渣体系中硫酸钙特性的研究 1 实验原料与研究方法 1.1实验原材料及预处理 实验使用的原材料为:湘潭电化集团提供的锰渣; 湖南南方水泥有限公司生产的熟料;湘潭钢铁集团有 限公司提供的矿渣。其主要化学成分见表1。实验用 Ca(OH):为过100目(0.15 mm)标准筛的分析纯 试剂。 表l 电解锰渣、熟料和矿粉的化学成分(质量分数)/% 名称 SiO2 A1203 Fe203 CaO MgO SO3 MnO烧失 熟料 22.42 4.67 3.89 63.72 0.64 0.50 — 2.20 矿粉32.03 11.94 0.14 37.80 8.54 2.50 0.34 2.80 锰渣 30.60 6.83 7.19 17.10 0.94 24.50 5.24 5.45 以只经简单的风干处理的锰渣为原渣,原渣经 105 oC烘干至恒重,再研磨过100目标准筛,分别在 120,250,350,450,550和750 oC条件下煅烧1 h后随 炉冷却,得到煅烧锰渣粉料。从水泥厂回转窑取回的 熟料经打散和研磨,过100目标准筛得到熟料粉料。 矿粉经粉磨,过100目标准筛,采用N 吸附法测得的 比表面为1.15 m /g。 1.2实验研究方法 1.2.1锰渣中物相晶型转变分析对煅烧锰渣进行 XRD衍射分析(日本理学电机株式会社生产的x射线 衍射仪(D/max 2550pc)),确定锰渣的主要物相及其 在不同温度条件下的存在形态。此外,用美国Tain— struments公司生产的同步热分析仪(SDT—Q600)对原 渣进行热重一差热分析,确定锰渣中物相转变的温 度点。 1.2.2煅烧锰渣中硫酸盐溶解度的测量将2.0 g 不同温度煅烧锰渣放入装有50 mL水的锥形瓶中,在 25 cc恒温水浴条件下进行搅拌溶解,到达规定时间过 滤取滤液,参照HJ/T 342—2007… 的方法测量滤液中 的硫酸根离子浓度。同时通过测量滤液中的钙离子以 及ICP分析结果来判断滤液中的硫酸盐存在形态。 1.2.3煅烧锰渣掺合料活性指数的测定将煅烧锰 渣、矿粉、Ca(OH):以及熟料等按照20:70:3:7配比混 合得到掺合料,参照GB/T 18046—2000_l 方法,制成 25 mm x25 mm的试样。测定试样7 d和28 d的抗 压强度,计算活性指数,并通过活性指数来评价煅烧锰 渣对矿粉的激发性能。 A7=R7/R07×100 (1) 式中4 为7 d活性指数,%;R町为对比样品7 d抗压 强度,MPa;尺 为试验样品7 d抗压强度,MPa。 A28=R28/R【)28×100 (2) 式中A 为28 d活性指数,%;尺028为对比样品28 d抗 压强度,MPa; 为试验样品28 d抗压强度,MPa。 2结果与讨论 2.1锰渣中物相晶型转变分析 2.1.1 煅烧锰渣XRD分析图1和图2是不同温度 煅烧锰渣的XRD图谱。从图中可看出,锰渣中主要物 相为SiO:和CaSO ,随着煅烧温度的升高,SiO 物相 没有发生改变,而其中的硫酸钙发生了晶型转变。在 图1中,原渣在2 为11.52。、23.24。、29.00。、31.94。、 34.48。时有CaSO ・2H O的特征峰。当煅烧温度在 120 oI二以上时,这些特征峰消失,CaSO ・2H2O晶型发 生了转变。对比120、250、350 cCI的谱线可知,120、250 ℃谱线特征峰的位置基本一致,120 oC主要为CaSO ・ 0.67H O的特征峰,而250 oC主要是CaSO ・0.5H O特 征峰,这说明硫酸钙晶型的转变是一个逐渐的过程;当 煅烧温度为350 oC时,CaSO ・0.5 H O谱线在2 为 14.62。、42.20。、49.30。、55.o0。的特征峰消失,而在2 为25.42。、31.32。、39.38。、40.78。、52.32。、55.74。处 出现了CaSO 的特征峰。与图2对比可以看出,450、 2o/(。) 图1原渣及120~350℃煅烧锰渣XRD图谱 20/(。) 图2 450~750℃煅烧锰渣XRD图谱 矿冶工程 第3O卷 550、750℃煅烧锰渣的谱线和350 oC的谱线一致,说 明了当温度高于350 oC时,锰渣中的硫酸钙已完全转 0 4 { m 舶珈 变为无水型。 2.1.2锰渣热重一差热分析为了研究锰渣中硫酸钙 晶型转变的温度,对原渣进行热重一差热(TG—DTA) 分析,其TG—DTA曲线如图3所示。 》 \ 礴 温度/℃ 图3原渣TG—DTA曲线图 原渣中的主要成分CaSO ・2H O(二水石膏)在常 温下能稳定存在,随着处理温度的上升和外界条件的不 同,可以得到半水型硫酸钙(半水石膏)与无水型硫酸钙 (无水石膏)。由DTA曲线可知,从常温加热至1 200 ℃,曲线出现了5个明显的吸热峰或放热峰,出现的温 度点分别为71.6,133.9,540.8,875.9和1 149.4℃。前 4个峰与锰渣中硫酸钙晶型转变有关,71.6和133.9 ℃处的吸热峰与二水石膏转变成p一半水石膏、p一半水 石膏转变成Ⅲ型无水石膏紧密相关,这也可以从XRD 分析结果得到印证;540.8℃处的放热峰表示Ⅲ型无 水石膏转变成Ⅱ型无水石膏,这与已有的研究结果基 本一致 15]。875.9 oC处的吸热峰与Ⅱ型无水石膏 转变成I型无水石膏有关。TG曲线在1 149.4 oC左右 处下降明显,表明锰渣中有物质开始分解并产生气体, 因此1 149.4℃处的吸热峰与I型无水石膏以及其他 物相开始分解有关。这与已有研究结果_l 不一致,可 能原因是在高温条件下,锰渣中其他物质对硫酸钙晶 型转变产生影响。 2.2煅烧锰渣中硫酸盐溶解度分析 2.2.1 两种计算方法得到的溶解度对照 分别按硫 酸根离子浓度、钙离子浓度计算不同煅烧温度下的硫 酸钙溶解度,结果如图4所示。从图4可以看出,煅烧 锰渣溶于水后所得溶液中硫酸根离子浓度大于钙离子 浓度,这说明了溶液中还存在其他的阳离子。ICP分 析结果(表2)显示,这些阳离子主要是K 、Na 。此 外,随着煅烧温度升高,硫酸根离子浓度和钙离子浓度 差值增大,并于450 oC左右达到最大值。这主要与温 度升高、硫酸钙的晶型发生转变有关。根据不同晶型 的硫酸钙溶解度D6],Ⅲ型无水石膏中硫酸钙的溶解 度最大。由热重.差热分析可知,450 oC煅烧的锰渣中 硫酸钙主要以Ⅲ型无水石膏形态存在。因此从溶解度 差值可以间接地印证锰渣中硫酸钙晶型发生的变化。 \ 赵 襞 缝 躲 甾 撂 煅烧温度/℃ 图4不同煅烧温度下的硫酸钙溶解度 (溶解时间30 min) 表2锰渣中主要金属元素ICP分析结果 主要元素 含量/( g・g ) K 8 556 Na 1 880 Ti l 893 Ba 8O6 2.2.2锰渣中硫酸钙溶解度随煅烧温度的变化 图 5为在不同溶解时间条件下煅烧锰渣中硫酸钙溶解度 (以硫酸根计)与煅烧温度的关系。从图中可以看出, 随煅烧温度升高,锰渣中硫酸钙溶解度先增加后减小, 在450~550℃达到最大值。这与硫酸钙晶型转变有 关,在250℃以前,锰渣中的硫酸钙主要以半水形态存 在,溶解度较小;当温度升高,半水形态逐渐变成Ⅲ型 无水石膏(可溶性石膏),因而溶解度增大。理论上, 250 oC以上锰渣中硫酸钙就已转变成Ⅲ型无水石膏, 但实际过程中,晶型转变是一个逐渐的过程,直到450 ℃甚至更高的温度转变才全部完成,因而450~550 oC 的溶解度最大。当温度超过550℃,部分Ⅲ型无水石 膏转变成Ⅱ型无水石膏(不溶性石膏),因而溶解度逐 渐下降。 分析图5中不同溶解时间的溶解度可知,同一煅 烧温度的溶解度并不都是随溶解时间增加而增大。溶 解时间为30 rain时,溶解于水中的硫酸钙就达到了一 个较大的值。随后随溶解时间的增加溶解度出现波 动,说明在溶解的过程中硫酸钙很快就达到了过饱和 状态,然后硫酸钙开始结晶析出,使得溶液中的硫酸钙 过饱和度降低,锰渣颗粒中硫酸钙又开始溶解进入溶 第5期 一 _1.嚣)\^ 7 6 张5 强等:电解锰渣体系中硫酸钙特性的研究 4 5 鹾 v谜琏蜓 甾鳝 液,使得硫酸钙“溶解.结晶一溶解”的过程处于一个动 态的过程下。由于不同温度条件下煅烧得到的锰渣中 硫酸钙晶型不一样,因此其溶解度的变化规律也不完 硫酸钙在掺合料体系中起到激发剂和缓凝剂的双 重作用。在矿渣中掺入煅烧锰渣,激发了矿渣的活性, 同时也对掺合料的凝结时间产生影响。由图7可知, 全一致。 煅烧温度/℃ 图5煅烧锰渣中硫酸钙溶解度与煅烧温度的关系 2.3煅烧锰渣活性激发性能的评价 石膏在水泥生产中是一种重要的缓凝剂,同时石 膏中硫酸钙以及其他硫酸盐也是矿渣活性的重要激发 剂。不同温度下煅烧的锰渣中硫酸钙晶型不一样,因 此需要研究煅烧锰渣对矿渣的活性激发性能。图6是 不同温度下煅烧锰渣与Ca(OH) 、熟料、矿渣混合所 得掺合料的活性指数。 煅烧温度/℃ 图6不同温度下煅烧锰渣掺合料的活性指数 从图6可以看出,与同等实验条件下的对比样 (425 水泥)相比,煅烧锰渣掺合料的活性指数小于 100%,7 d与28 d活性指数都在80%左右。这是因为 煅烧锰渣掺合料的粒度大于对比样水泥的粒度。对比 相同条件下的锰渣掺合料活性指数,随煅烧温度上升, 7 d与28 d活性指数都出现了先逐渐上升后逐渐下降 的趋势。7 d活性指数在450℃时达到最大值81%, 28 d活性指数最大值出现在350℃,为91%。说明经 过350~450℃煅烧的锰渣对矿渣活性有较大的激发 作用。 煅烧锰渣掺合料的初凝时间随煅烧温度的上升逐渐减 少,而终凝时间在450℃及550℃出现增加的现象。 掺人原渣的掺合料初凝时间和终凝时间都最长,表明 了原渣对矿渣的激发效果较小。当煅烧温度升到120 ~250℃时,掺合料体系的初凝时问和终凝时间与原 渣相比有大幅下降,锰渣中硫酸钙对矿渣起到了较好 的激发作用。当温度高于350℃时,锰渣中硫酸钙逐 渐变成可溶性硫酸钙,其溶解度开始增大,在对矿渣起 到很好的激发的同时,也对凝结产生了较大的影响,使 得终凝时问延长。当温度高于550℃时,不溶性石膏 出现,硫酸钙的缓凝效果减弱,因而其终凝时间减少。 .量 昌 \ 鲁 煅烧温度/℃ 图7 不同温度下煅烧锰渣掺合料的凝结时间 3结 论 1)锰渣中硫酸钙随着煅烧温度的升高而发生晶型 转变,转变温度点分别为71.6,133.9,540.8,875.9和 1 149.4 。71.6℃时二水石膏转变成B一半水石膏, 133.9℃时B一半水石膏转变成Ⅲ型无水石膏,540.8 ℃时Ⅲ型无水石膏转变成Ⅱ型无水石膏,875.9 oC时 Ⅱ型无水石膏转变成I型无水石膏,而1 149.4℃硫 酸钙开始分解。 2)锰渣中硫酸钙溶解度随煅烧温度升高先增加 后减少,在450~550℃达到最大,溶解度的变化与硫 酸钙晶型转变有关。 3)经高温煅烧的锰渣表现出较强的硫酸盐活性 激发性能,煅烧温度在350 oC以上的锰渣掺人矿渣中 能较好的激发矿渣的活性,使得所得到的掺合料具备 较好的胶凝特性,煅烧锰渣应用于胶凝材料的生产是 可行的。 (下转第78页) 78 矿冶工程 二J 1i 1j第3O卷 1j(上接第73页) ulfurization gypsum:study of basic mechanical hydric and thermal 参考文献: 柯,刘巽伯.电解金属锰废渣胶凝材料[J].硅酸盐建筑制 品,1995(4):28—32. properties[J].Construction and Building Mateirals,2007,21(7): 15o0一l5o9. [10] Chu Kyung-jun,Yoo Kyung—seum,Kim Kyong-tae.Characteristics f ogypsum crystl agrowth over calcium—based slurry in desulfurization re— 刘胜利.电解金属锰废渣的综合利用[J].中国锰业,1998,16 (4):34—36. actions[J].Materilas Research Bulletin,1997,32(2):197—204. [11]HJ/T 342—2007,水质硫酸盐的测定——铬酸钡分光光度法(试 行)[S]. [12] GB/T 18046—2000,用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉—— 李坦平,周学忠,曾利群,等 电解锰渣的理化特征及其开发应 用的研究[j].中国锰业,2006(2):13—16. 兰家泉.电解金属锰生产“废渣”——富硒全价肥的发利用研究 [J].中国锰业,2005,23(4):28—31. 王槐安.电解金属锰废渣返土还真的试验研究[J].中国锰业, 1998,16(4):37—39. 粒化高炉矿渣粉活性指数[s]. [13] 向才旺.建筑石膏及制品[M].北京:中国建材工业出版社, 1998. 李坦平,何晓梅,谢华林,等.电解锰渣一生石灰.低等级粉煤灰复 合掺合料的试验研究[J].新型建筑材料,2007,1:66—69. 关振英.电解锰生产废渣用作水泥生产缓凝剂的研究[J].中国 锰业,2000,18(2):36—37. Powell D A.Transformation of the d—and B—forms of calcium sulphate [14]严吴南,计丽珠,彭小芹,等.建筑材料性能学[M].重庆:重庆 大学出版社,1993. [15]石庆忠.磷石膏为原料制硬石膏的初步研究[J].磷肥与氮肥, 2006,21(1):65—66. [16]Freyer Daniela,Voigt Wolfgang.Crystallization and stabiliity of c ̄so, and CaSO4-base salts[J].Monatshfte Fur Chemie,2003,134:693 —hemihydrate to insoluble anhydfite[J].Nature,1958,182:792—796. Pavel Tesarek,Jaroslava Drachalova,Jiri Kolisko,et a1.Flue gas des. 719