低品位鉀礦重結晶過程中鈣鹽和泥的共沉機理研究

《低品位鉀礦重結晶過程中鈣鹽和泥的共沉機理研究》是依託山西大學，由成懷剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低品位鉀礦重結晶過程中鈣鹽和泥的共沉機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：成懷剛
• 依託單位：山西大學

項目摘要

開發高效節能的礦藏綜合利用技術是實現鹽湖礦業可持續發展的有效途徑，擬採用太陽能快速重結晶法製備光鹵石的技術來加工低品位鉀礦，而兌鹵過程中鈣鹽和泥的共沉效果是影響產品品位的重要因素，研究關鍵在於共沉選擇性的掌控。針對共沉及其選擇性機理的科學問題，基於擴散、吸附和結晶的原理，結合微觀分子模擬和巨觀實驗手段，著重考察液相離子在微觀力作用下擴散及趨向性聚集的傾向，從體系電荷分布狀態和離子擴散優先性的角度分析重結晶過程中多組分共沉的機理及選擇性，深化巨觀研究的微觀理論基礎。研究工作可望在液化礦重結晶方面建立新的研究方法，獲取新的低品位礦物加工及濕法冶金技術的原理，處理泥固廢的同時有望實現除雜與資源循環利用的附加效益，達到以廢治廢、綜合利用的目的。

結題摘要

流體中細泥的有效脫除是存在於諸多工業生產過程中的問題之一。在採用溶解低品位高泥鉀礦及太陽能快速蒸發重結晶方法製備光鹵石的技術研發過程中，含泥滷水的脫泥效率被認為是影響產品品位的一個關鍵因素。由於滷水中形成的硫酸鈣類微溶無機鹽顆粒和懸浮的細粒礦泥之間存在共同沉降的現象，據此該現象被用來天然地調控並強化滷水的淨化。在此背景下，為了指導脫泥環節的工藝最佳化，本項目開展了鈣鹽和泥的共沉機理研究，試圖揭示其科學原因並加以套用。研究發現，引起滷水中礦泥沉降的硫酸鈣類無機鹽主要是二水硫酸鈣，礦泥中能與鈣鹽共沉的組分主要是粉砂和粘土類物質，其共沉效果受到溫度、pH值、鹽度等因素的影響。構建了代表顆粒表面的結構模型，採用分子動力學模擬方法研究鈣鹽和泥的共沉積傾向，確定了基於球形水體的模擬算法。利用該算法以及DLVO理論計算方法，重點考察了體系中的庫侖力和范德華力、微粒擴散及其自由能的變化規律，用以評價不同顆粒之間的共沉趨勢。鈣鹽和泥的共沉機理被歸納為如下幾點。在粘土和粉砂顆粒的沉降過程中，除了鈣離子壓縮顆粒雙電層的影響之外，硫酸鈣及水合鹽顆粒也能降低其體系的分散性。對於滷水中具備成核結晶條件的常見離子或不溶微粒，電荷/質量比值是評價其能否引起共沉的指標之一，電荷/質量比值較大的微粒更容易發生共沉。與范德華作用能等勢能相比，顆粒間靜電作用是影響泥和鈣鹽共沉的關鍵之一。從作用勢能數值上分析，粘土類礦物和鈣鹽共沉趨勢最大，次之是粉砂類礦物。根據結合鍵能的考察，認為電性中和與離子交換也是引起鈣泥共沉的潛在原因，泥顆粒中的Al-OH基團比Si-O基團具有更強的吸引鈣的能力。硫酸鈣類無機鹽晶體的生長及對其它顆粒的網捕作用也能夠促使礦泥顆粒沉降，鈣鹽表面裸露的或者液相中游離的鈣離子被推測是礦泥顆粒附著到鈣鹽上的誘因。基於鈣鹽和泥的共沉機理研究，最佳化了鹽湖現場的共沉脫泥工藝。通過自然沉降和旋流脫泥方法的比選，推薦在實用中採用自然沉降的脫泥工藝，據此最佳化了二水硫酸鈣的添加量、沉降時間等工藝參數，並在現場試驗中達到了滷水淨化的目的。研究工作構建了一種面向顆粒物共沉的固液界面分子動力學模擬算法，這有助於對沉降分離過程的機理研究提供一定的借鑑和參考；在套用方面發展並最佳化了泥和鈣鹽兩種固廢的同步脫除工藝，可望提高低品位鉀礦重結晶精製過程的效率。