含铂族金属铁合金碱焙烧脱硅预处理研究.pdf
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1、第14卷第2 期2024年2 月doi:10.3969/j.issn.2095-1744.2024.02.008有色金属工程Nonferrous Metals EngineeringVol.14,No.2February2024含铂族金属铁合金碱焙烧脱硅预处理研究何改涛,赵雨,张纯熹13,赵家春1.3,杜文晶,董海刚1.3(1.昆明贵金属研究所,昆明6 50 10 1;2.贵研资源(易门)有限公司,云南玉溪6 5110 0;3.云南贵金属实验室有限公司,昆明6 50 10 1)摘要:针对含铂族金属铁合金结构复杂、难以溶解的问题,开展碱焙烧脱硅预处理研究以破坏稳定致密的合金结构。经试验验证,适宜
2、的焙烧条件为:碱料质量比1.4、焙烧温度6 0 0、焙烧时间2.0 h,此条件下合金相完全分解,转化为NaFeO2和NaaSiO4,Na4SiO经水浸脱除,所得水浸渣中硅含量降至0.8 4%。脱硅预处理后物料结构疏松、活性较高,易于酸溶除铁,有利于铂族金属精炼回收。关键词:铂族金属;铁捕集;含铂族金属铁合金;碱焙烧;脱硅中图分类号:TF833文献标志码:A文章编号:2 0 95-17 44(2 0 2 4)0 2-0 0 57-0 6Study on Pretreatment of Platinum Group Metal Ferroalloy byAlkali Roasting for De
3、siliconizationHE Qitao,ZHAO Yu,ZHANG Chunxi3,ZHAO Jiachun3,DU Wenjing,DONG Haigangl-3(1.Kunming Institute of Precious Metals,Kunming 650101,China;2.Guiyan Resources(Yi Men)Co.,Ltd.,Yuxi 651100,China;3.Yunnan Precious Metals Laboratory Co.,Ltd.,Kunming 650101,China)Abstract:In view of the complex str
4、ucture and insoluble problems of platinum-containing group metalferroalloys,alkali roasting desiliconization pretreatment was carried out to destroy stable and dense alloystructures.The experimental results show that the optimum roasting conditions are as follows:mass ratio of alkali tomaterial 1.4,
5、roasting temperature 60o C,roasting time 2.0 h,under these conditions,the alloy phase is completelydecomposed into NaFeO2 and Nay SiO4,Na SiOx is removed via water leaching,and the silicon content in the obtainedwater leaching residue is reduced to 0.84%.After desiliconization,the material has loose
6、 structure,high activity,andis easy to remove iron via acid dissolution,which is conducive to the refining and recovery of platinum group metals.Key words:platinum group metals;iron trapping;ferroalloys containing platinum group metals;alkaliroasting;desiliconization收稿日期:2 0 2 3-10-0 9基金项目:云南贵金属实验室科
7、技计划项目(YPML-2022050236);云南省重大专项(2 0 2 10 2 AB080007-4)Fund:Yunnan Precious Metals Laboratory Science and Technology Project(YPM L-2 0 2 2 0 50 2 36);K e y Pr o j e c t o f Yu n n a n Pr o v i n c e(202102AB080007-4)作者简介:何散涛(1998 一),男,硕士研究生。通信作者:董海刚(198 1一),男,博士,研究员。引用格式:何散涛,赵雨,张纯熹,等:含铂族金属铁合金碱焙烧脱硅预处理研
8、究J.有色金属工程,2 0 2 4,14(2):57-6 2.HE Qitao,ZHAO Yu,ZHANG Chunxi,et al.Study on Pretreatment of Platinum Group Metal Ferroalloy by Alkali Roasting for DesiliconizationJ.Nonferrous Metals Engineering,2024,14(2):57-62.58铂族金属(PGMs)具有优异的理化性能,广泛应用于催化、电子、制药等行业,被许多国家视为战略金属或关键金属1。PGMs资源稀缺,且分散度高,需富集之后再进行提取或溶出2-4
9、1,等离子炉熔炼法是富集PGMs的有效手段,2 0 世纪8 0 年代,等离子体熔炼法已相对成熟,在美国MultimetcoInc、日本 Tanaka、英国 Jonson-Matthey、德国Basf、捷克Safina等公司得到工业应用5-7 ;2012年我国贵研资源(易门)有限公司从英国Tereonics公司进口了等离子体熔炼炉进行捕集贵金属研究8 。铁与PGMs具有较高的亲和力,自然界中PGMs常与铁共生形成铁系矿物,如沙铂矿、铁质橄榄石等9;铁与PGMs还具有相同的晶体结构和相近的晶胞参数,二者易形成连续固溶体合金,基于此,常采用铁作为捕集剂10-13。捕集过程将含铂族金属资源、铁或含铁矿
10、物等按比例混匀放人等离子炉中,利用电极与物料间产生的等离子弧为热源熔炼,使铂族金属进人金属铁相中,实现铂族金属富集。等离子熔炼铁捕集技术具有绿色清洁、配料简单、原料适应性强等优点,但因熔炼温度过高,会使渣中的SiO2还原为Si进人金属相中,形成含PGMs-硅铁合金;该合金极其惰性、耐酸碱腐蚀、硬度极高,经过反复精炼溶解,铂族金属都残存于合金中,阻碍了铂族金属的回收14-16 。日本曾向美国购买等离子熔炼铁捕集富集料进行研究,最后因技术原因而放弃,2 0 世纪末期我国学者对美国MascatInc公司等离子炉产生的铁合金进行了物相分析,结果表明主体物相为以铁为基含PGMs 的合金固溶体相、铂钯固溶
11、体相和硅化物相等,各相中都赋存PGMsC17;有研究采用HCI-NaCIO,体系溶解含PGMs-铁合金,PGMs浸出率不足6 0%,浸出率低18 1;也有研究采用熔炼脱硅工艺处理铁合金,高温熔炼使硅含量由10%降低至0.5%,合金相变为易于酸溶的单质铁19-2 1,但该方法存在熔炼温度有色金属工程1实验1.1实验原料实验原料为贵研资源(易门)有限公司通过等离子熔炼铁捕集富集所得含PGMs-铁合金,合金采用高压雾化喷粉制粒,筛分至10 0%能过8 0 目筛孔进行试验。铁合金主体成分为铁,含量7 5.7 9%;有价成分PGMs,含量4.0 9%(Pt0.25%,Pd3.44%,Rh0.40%);耐
12、蚀元素硅,含量6.6 1%;还含有C、W、P、A l 等少量元素。铁合金X射线衍射分析如图1所示,结果显示主要物相为Fe:C、Fe s Si、Pd,Si以及单质铁;微观结构分析如图2 所示,可看出铁合金结构致密,呈不规则状。图2 中选取4个点进行能谱元素分析(表1),可看出铁合金基体为Fe-Si-C相,少量Pt分散于其中,而Pd则与Si、Fe 结合形成固溶体相,聚集分布于Fe-Si-C合金基体中。综上分析可知,该合金结构为含有多种微量元素的Fe-Si-C-PGMs合金相。2040图1含PGMs-铁合金X射线衍射图Fig.1XRD pattern of PGMs-ferroalloy第14卷A-
13、FeC,V-Fe,Si-Pd,si.-Fe608020/()B100高、耗能大等问题。基于上述难点及前期研究,本文以难溶的含PGMs-铁合金为研究对象,采用NaOH进行熔融焙烧,考察了碱料质量比、焙烧温度、焙烧时间等因素对含PGMs-铁合金脱硅的影响,为铂族金属分离精炼提供了依据。2mBSE图2 含PGMs-铁合金背散射电镜图Fig.2 Backscatter electron microscopy of PGMS-ferroalloy第2 期何散涛等:含铂族金属铁合金碱焙烧脱硅预处理研究59表1含PGMs-铁合金能谱分析结果表Table 1EDS point analysis results
14、 of PGMs-ferroalloyMass fraction/%PositionFeA18.41B6.93C23.24D72.641.2试验原理含PGMs铁合金碱焙烧水浸脱硅原理为:一定条件下合金中的铁、硅与熔融氢氧化钠反应,生成铁酸钠和可溶性硅酸钠,过程主要发生化学反应,GT图见图 3。Fe+Na0H+3/402(g)=NaFeO2+1/2H,0(1)1/4Si+Na0H+1/40,(g)=1/4Na Si04+1/2H,0-150-200-250F-300-350-400300图3焙烧过程中铁、硅反应AGT图Fig,.3 G-T d i a g r a m o f i r o n a
15、n d s i l i c o n r e a c t i o n i nroasting process由图3可知,在焙烧过程中,Fe、Si与NaOH反应吉布斯自由能均小于零,表明反应能够进行,由反应式(1)、(2)可知,反应过程中铁转变为铁酸钠,硅反应生成硅酸钠,有效地破坏了其致密的、化学惰性的合金结构,实现了物相转变,且硅酸钠为可溶性盐,可经热水浸出除去,所得水浸渣结构疏松,经硫酸能轻松溶解除铁,从而实现PGMs的深度富集。1.3实验方法称取一定量含PGMs-铁合金,按比例加入NaOH,混匀后装人镍材质埚于马弗炉中焙烧,在一定温度下反应一段时间,反应结束后取部分样品进行XRD分析。余样放
16、入烧杯中在9 0 下热水Si一14.5514.1612.43(2)(1)(2)上上400500C26.611.31一11.39浸出0.5h,过滤烘干,取样分析渣中硅含量。2结果与讨论2.1石碱料质量比对铁合金脱硅的影响考察了不同碱料质量比对焙烧水浸渣中硅含量的影响,控制焙烧温度6 0 0、焙烧时间2.0 h,结果如图4所示。由图4可知,碱料质量比对焙烧水浸渣中硅含量影响较为显著,碱料质量比增大即增加反应物的浓度,可促进反应正向进行;碱料质量比0.8时,硅含量由原料中的6.6 1%下降至1.8 9%,继续增大碱料质量比至1.4,水浸渣中硅含量下降至0.8 4%,后趋于稳定。考虑试剂成本及后续处理
17、步骤,选取碱料质量比为1.4。51600700T/Pt一一一1.838009001000Pd20.1466.1657.55一2F10.4图4碱料质量比对硅含量的影响Fig.4Effects of alkali-feed ratio on desilication rate图5为不同碱料质量比条件下获得的焙烧渣XRD图谱。由图5可知,随着碱料质量比升高,NaFeO2、Na,SiO,衍射峰不断增强,而Fe、Fe Si衍射峰逐渐减弱,表明铁、硅发生了物相转变,生成了对应的钠盐。碱料比0.8 时,焙烧渣中尚含有Fe、Fe:Si相,说明碱用量不足,碱料质量比1.4时,Fe、Fe:Si衍射峰完全消失,说明
18、反应完全,这与碱料质量比1.4时硅含量较低相吻合。0.60.8Alkali-feed ratio1.01.21.41.66010图5不同碱料质量比下焙烧铁合金产物XRD图谱Fig.5XRD patterns of ferroalloy products roastedat different alkali mass ratio2.2火焙烧温度对铁合金脱硅的影响加热是促进反应进行的有效方法。温度高于NaOH熔点(318.5)时,固固反应转变为液固反应,升高温度能降低熔融NaOH黏度,提高熔体流动性,使物料间充分接触,加快反应速度。在碱料质量比1.4、焙烧时间2.0 h条件下,不同焙烧温度对水浸渣
19、中硅含量的影响如图6 所示。由图6 可知,温度由450 升高至6 0 0 时,水浸渣中硅含量由4.63%下降至0.8 4%,说明温度升高有利于硅的水浸脱除;继续升高温度,硅含量略有升高,原因是温度过高造成过物料度烧结、硬度大,水浸时不能将硅完全浸出除去;其次,镍埚在6 50 时开始氧化造成破坏,综合考虑,选择焙烧温度为6 0 0。5403/(ts)021450图6 焙烧温度对硅含量的影响Fig.6Effects of temperature on desilication rate不同焙烧温度下焙烧渣XRD图谱如图7 所示。由图7 可知,焙烧温度450 时,焙烧渣主要物相为NaOH!H,O、F
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