论文部分内容阅读
Na2SO4（俗称无水芒硝、元明粉），广泛应用于轻工、化工等20多种行业，是重要的工业原料。因其价格低廉、衍生加工性强，近年来又开发出药用芒硝和芒硝储能材料等高附加值的终端产品。此外，芒硝生物转化制纯碱的相关研究也已展开。它们的出现改变了Na2SO4廉价基础原料的传统定位，同时预示着未来Na2SO4的需求量将得到大幅增长。钙芒硝矿是以复盐钙芒硝(Na2SO4·CaSO4)为主要成分的沉积型盐类矿床，为我国芒硝资源的主要来源之一，与其它含芒硝矿床相比，我国钙芒硝矿的赋存具有空间分布广泛，大型、超大型矿床居多的特点。科学的开发钙芒硝矿床对促进地方经济发展，协调区域资源供给具有重要意义。 溶浸采矿是利用物理化学原理，采用某些可以溶解矿石中有用成分的溶浸液，将矿物从固态转化为液态再进行回收，从而达到开采矿石目的的一种采矿方法，它集采选于一体，具有生产成本低、工艺简单等显著优势，且安全性高、对环境污染小，被誉为绿色采矿技术。人们使用就地破碎水溶开采技术开发钙芒硝矿已历多年，并且取得了一定的社会与经济效益。然而，现有的水溶工艺同样存在着溶浸周期长、资源回收率低、资源未能综合利用等严重缺陷，拥有很大的提升空间。矿产资源属于不可再生资源，回采率低、资源不能综合利用等问题势必严重影响矿山的可持续发展;而溶浸周期长等问题又制约着企业的经济效益。因此，研究新的高效、资源可综合利用的改良方法就势在必行、意义重大。同时，理论研究仍然滞后于工程实践，具有很大潜力的群井致裂控制溶解技术因缺乏关键的溶浸理论支撑而未能得到应用。所以，开展溶浸理论研究十分迫切，理论与工艺研究并重，才能大大推进钙芒硝矿溶浸开采技术的进步。 本论文以难溶复盐钙芒硝矿化学浸出与CO2矿物封存技术研究作为研究课题，通过实验研究、理论分析的方法对围绕该课题的钙芒硝矿水溶浸出机制、钙芒硝矿的化学浸出、钙芒硝矿的二氧化碳与氨水浸出及条件优化、二氧化碳的矿物封存进行了系统的研究。 主要研究内容及结果如下: (1)钙芒硝矿水溶浸出机制研究。钙芒硝是一种特殊的复盐，由钠离子、钙离子和硫酸根离子化合而成，并非两种单盐——硫酸钠和硫酸钙——简单的混合。硫酸钠易溶于水，硫酸钙微溶于水，而复盐钙芒硝在水中的溶解非常缓慢，其具体的水溶机制如何，尚无定论。因此，本文利用定量的化学分析，开展了钙芒硝矿水溶浸出机制的研究。研究结果表明，复盐钙芒硝是一个整体，有其独特的溶解方式:钙芒硝遇水后开始发生溶解，硫酸钠与硫酸钙同步进入水中，硫酸钠的溶解量始终与硫酸钙相同。硫酸钙很快饱和，重结晶生成石膏，促使复盐钙芒硝继续溶解分离。由于硫酸钙的溶解度很低，可以说钙芒硝的溶解取决于硫酸钙的溶解重结晶的转化过程。 (2)钙芒硝矿的化学浸出研究。钙芒硝矿的水溶浸出效率低下，导致浸出周期很长;同时，由于硫酸钙溶解重结晶形成致密固体层石膏，覆于矿石表面，影响水与矿物接触，导致矿石浸出率低。因此，本文进行了钙芒硝矿的化学浸出研究。在探明钙芒硝水溶机制的基础上，选用了可以和硫酸钙发生反应的三种化学试剂的溶液对钙芒硝进行化学浸出，分析了化学浸出的原理与过程。研究结果表明，化学浸出相比水溶浸出效率有了极大的提升，在综合考虑浸出成本、浸出效率以及资源利用率等条件后，得出碳酸盐是一种较好的浸出剂。 (3)钙芒硝矿的二氧化碳与氨水浸出及条件优化。提出了以二氧化碳与氨水作为浸出剂，将钙芒硝矿在氨-碳酸氢铵体系中进行化学浸出的新工艺，分析了化学浸出的机制，并考察反应温度、氨与碳酸氢铵用量、液固比、浸出时间等因素对硫酸钠浸出率的影响。研究结果表明:氨-碳酸氢铵体系化学浸出过程中，硫酸钙与氨-碳酸氢铵发生了化学反应，避免了石膏的结晶析出，同时促进了复盐的分离溶解，提高了硫酸钠的浸出率，反应同时生成了硫酸铵，提高了资源的综合利用率。在氨和碳酸氢铵的用量为理论用量的1.1倍，反应温度为50℃，液固比为8∶1，反应时间为3h时，硫酸钠的浸出率达到95.4％，硫酸铵的生成量与硫酸钠基本等同。 (4)二氧化碳的矿物封存。二氧化碳作为主要的温室气体，其处置始终是重要的课题。二氧化碳的矿物封存具有很多优点:成本低、效率高、安全稳定、对环境影响小，故具有很大的应用潜力。钙芒硝矿储量巨大、分布广泛，利用之前提出的二氧化碳与氨水浸出的方法可将矿物开采与二氧化碳的矿物封存统一起来，实现了资源开发与环境保护的良好结合。对二氧化碳的钙芒硝矿物封存进行了初步的分析。