【摘要】：隨著社會(huì)快速發(fā)展,金剛石工具作為一種高效切割工具用量越來越大,使用過程中產(chǎn)生大量廢料,給環(huán)境保護(hù)和資源回收帶來了極大的壓力。金剛石工具含有大量的金剛石顆粒和Cu,Zn及Fe等有價(jià)金屬,開展有關(guān)廢舊金剛石工具回收處理技術(shù)的研究意義深遠(yuǎn)。廢舊金剛石工具回收研究在國內(nèi)起步較晚,現(xiàn)有的處理方法大多數(shù)都是在強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化劑體系中進(jìn)行,主要存在金屬回收率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重和處理成本高等缺點(diǎn),所以,根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)等政策的要求,提出本課題研究。為了實(shí)現(xiàn)廢舊金剛石工具中有價(jià)金屬初步分離、減少環(huán)境污染、提高金屬回收率目的,提出了采用氨水-硫酸銨-空氣體系一段浸出(簡(jiǎn)稱“一段浸出”)和硫酸/堿熔-水浸/硫酸-雙氧水三段浸出(簡(jiǎn)稱“三段浸出”)兩種不同工藝處理廢舊金剛石工具,一段浸出工藝有效分離了廢舊金剛石工具易溶金屬Cu、Zn與難溶金屬Fe、Sn;三段浸出工藝為聯(lián)合分離工藝,即先對(duì)Fe、Zn進(jìn)行分離,然后對(duì)Sn的分離,最后對(duì)Cu進(jìn)行分離。論文的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:首先將廢舊金剛石工具粗破碎,分析廢舊金剛石工具組成,確定其資源特性。繪制了一段浸出體系Cu、Zn、Fe的E-p H圖和lg[Me]_T-pH圖以及三段浸出體系Cu、Zn、Fe、Sn的E-pH圖,并對(duì)金屬浸出過程進(jìn)行了熱力學(xué)分析。結(jié)果表明在合適的pH值和電位范圍內(nèi),一段浸出體系中,Cu和Zn可與氨在通入空氣的條件下形成絡(luò)合離子而選擇性地浸出,氨濃度的增大會(huì)促進(jìn)金屬浸出;三段浸出體系中,Fe、Zn首先可用酸浸出,從而與Cu、Sn分離,酸濃度的增大會(huì)促進(jìn)金屬浸出。研究了廢舊金剛石工具的一段浸出過程,確定了較佳的浸出工藝條件。浸出溫度為45°C,浸出時(shí)間為3h,液固比為50mL/g,攪拌速度為200rpm,氨與硫酸銨的濃度分別為4.0mol/L和1.0mol/L,空氣流量為0.2L/min,在此實(shí)驗(yàn)條件下,Cu與Zn的浸出率分別為65%和70%。通過動(dòng)力學(xué)分析可知該體系浸出Cu過程受混合反應(yīng)控制,低于35°C時(shí),活化能為109.50kJ/mol,Cu浸出過程受表面化學(xué)反應(yīng)控制;高于35°C時(shí),擴(kuò)散活化能較小為38.33k J/mol,Cu浸出過程受擴(kuò)散控制。研究了廢舊金剛石工具的三段浸出過程,確定了較為適宜的浸出工藝條件。第一步采用3.0mol/L硫酸作為浸出劑,Cu,Fe和Zn的浸出率分別為0.343%,95.13%和76.48%;第二步采用堿熔-水浸提取Sn,在最佳反應(yīng)條件下,進(jìn)行了三次重復(fù)實(shí)驗(yàn),Sn的浸出率均維持在91%左右;第三步采用硫酸-雙氧水為浸出劑,Cu的浸出率為92.55%,同時(shí)進(jìn)行了五因素四水平正交優(yōu)選實(shí)驗(yàn),得因素主次順序?yàn)榱蛩釢舛纫汗瘫冉鰰r(shí)間雙氧水量反應(yīng)溫度,最佳實(shí)驗(yàn)方案為:A_4B_4C_2D_1E_4,即硫酸濃度為3mol/L,浸出時(shí)間為3h,反應(yīng)溫度40°C,液固比為5:1,雙氧水用量為20ml,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)比較吻合。一段浸出及三段浸出的第三步浸出工藝都涉及到氧化浸出過程。一段浸出空氣中的氧通過壓縮機(jī)鼓入,在溶液中濃度低,不易與金屬表面接觸,容易以大氣泡形式浮到溶液表面,導(dǎo)致空氣氧化效率低,Cu與Zn的浸出率不高。雖然三段浸出的第三步浸出工藝采用雙氧水,Cu的浸出率較高,但是雙氧水價(jià)格昂貴,且易殘留,對(duì)后續(xù)處理不利,因此本研究開發(fā)了一種微泡空氣氧化反應(yīng)器,用以提高氧在溶液中與固體反應(yīng)物的接觸幾率,提高浸出率。采用流體力學(xué)軟件Fluent模擬了微泡空氣氧化反應(yīng)器核心部件文丘里噴射泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)如入口半錐角,出口半錐角,喉管總長(zhǎng)度以及喉管內(nèi)徑對(duì)流場(chǎng)內(nèi)壁壓力的影響,得出了產(chǎn)生最大負(fù)壓的參數(shù):入口半錐度為10°,出口半錐度為10°,喉管長(zhǎng)度L為140mm,喉管直徑d為6mm。依據(jù)該優(yōu)化參數(shù),制備了文丘里噴射管,組裝了微泡氧化反應(yīng)器,探索了微泡空氣氧化法強(qiáng)化氨性浸出Cu工業(yè)小試研究,得出了最佳浸出條件:反應(yīng)時(shí)間為6h,反應(yīng)溫度為40℃,此條件下Cu的浸出率為95.34%。因其速度快、效率高,有望成為一種高效氧化浸出的替代設(shè)備。通過對(duì)一段和三段浸出比較,三段浸出工藝具有明顯優(yōu)勢(shì),金屬分離徹底,回收率高,Cu,Fe與Sn的回收率達(dá)90%以上,Zn的回收率接近80%,且后續(xù)從浸出液提取金屬產(chǎn)物容易。
【圖文】：

武漢科技大學(xué)博士學(xué)位論文第 2 章 實(shí)驗(yàn)原料及研究方法分剛石工具來源石工具是由切割材料、胎體材料及結(jié)合劑組成。受金剛石家和生產(chǎn)年代影響，各種廢舊金剛石中金屬尤其銅含量都的原料要采取不同的處理方法。本試驗(yàn)樣品取自于山東 所示,顏色呈黃棕色和褐色，，褐色部分為鐵銹,取極稀的鐵銹然后烘干。首先錘子錘擊，盡量使骨架散架，然后小長(zhǎng)條狀，將樣品置于干燥器內(nèi)備用。

體發(fā)射光譜儀原理及使用方法參閱本文獻(xiàn)[79]。公司生產(chǎn)的 ICP2000 型電感耦合等離子體發(fā)射，化學(xué)干擾少，準(zhǔn)確度高。譜儀（FT-IR）譜儀原理及使用方法參閱本文獻(xiàn)[80]。本研變換紅外光譜儀對(duì)廢舊金剛石官能團(tuán)和分子結(jié)工具破碎后組織分析經(jīng)破碎、篩分，用掃描電鏡觀察顯微結(jié)構(gòu)和面看出，金剛石刀具中主要含有金剛石、Fe、Cu纖維，黑色塊狀物為金屬，金剛石主要以嵌入常致密，結(jié)合緊密，不利于破碎和分離。
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TF111.3

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