金建华，周成财，冯占明

（青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007）

锶及其锶盐是重要的无机化工产品，因有独特的物理及化学性能，在电子、化工、军工、建材、有色金属、航空航天、轻工、医药、食品等领域广泛应用，有很好的市场前景［1-2］。天青石（主要成分硫酸锶）在中国储量丰富，约占世界总储量的一半，居世界首位。其中青海省柴达木盆地大风山天青石矿是世界罕见的特大型矿床，其储量高，约占全国总储量的80%。当前，中国天青石矿主要用碳还原法生产碳酸锶，该法生产工艺较成熟，生产设备简单，所需材料品种较少且产品质量稳定，但矿石中锶利用率较低，通常在75%以下。青海天青石矿生产碳酸锶规模为3×104t/a，与此同时每年也会产生8×104t以上碳酸锶废渣。据统计，中国锶渣累计量已达4 500万t。锶渣产于碳酸锶生产的浸取工艺，是浸取后未反应的矿石和煤的混合物。目前，锶渣主要用于铺路、生产建筑水泥材料等［3-4］，虽然从一定程度上缓解了环境污染、安全隐患和土地占用等问题，但锶渣中的锶却未得到妥善回收利用，造成锶资源浪费，急需研究一种有效地从工业锶渣提取锶的方法。笔者立足地区现有资源，以盐酸-氯化铵为浸取剂，探究了碳酸锶锶渣浸取锶工艺，并采用3因素3水平的Box-BehnKen响应面分析法对锶浸取工艺进行了优化［5-6］，确定了碳酸锶锶渣浸取锶的最优工艺条件，以期为锶资源的回收利用提供参考。

1 实验内容

1.1 原料与仪器

原料：实验所用工业锶渣取自青海某锶盐厂，其成分和含量见表1。

表1 碳酸锶废渣主要化学组成 %

试剂：盐酸，四川西陇化工有限公司生产；氯化铵，国药集团化学试剂有限公司生产；乙二胺四乙酸二钠，国药集团化学试剂有限公司生产；氨水，国药集团化学试剂有限公司生产；铬黑T，国药集团化学试剂有限公司生产；甲基红，广东汕头新宁化工厂生产。所有试剂均为分析纯。

仪器：DF-101s水浴恒温磁力搅拌器；雷磁PHS-3B型数显pH计；BS22-4S型精密电子分析天平。

1.2 实验原理

在工业锶渣中加入作为浸取剂的盐酸与氯化铵混合溶液，主要化学反应式：

1.3 实验方法

在粒径约为0.075 mm的工业锶渣中，加入一定物质的量比的盐酸-氯化铵水溶液，启动水浴恒温磁力搅拌器，调至预定温度并恒温，在搅拌下反应一段时间后，过滤，得到含锶溶液。采用EDTA容量法测定出溶液中的锶含量，从而计算出锶的浸取率。

2 结果与讨论

2.1 响应面分析法优化设计

根据前期单因素实验的结果，本研究以锶浸取率（Y）作为响应指标，选取HCl与NH4Cl物质的量比、浸取时间、浸取温度等3个因素进行响应面分析法中Box-BehnKen实验设计，结果如表2和表3所示。

表2 3水平3因素响应面设计

表3 响应面实验设计及结果

2.2 响应面分析法优化模型建立及方差分析

通过Design-Expert8.0.8软件对表3数据做二次回归拟合，拟合得到锶浸取率与HCl和NH4Cl物质的量比、浸取时间、浸取温度的二次多项式回归模型，而后对构建的摸型做方差分析，结果如表4所示：

表4 二次多项式模型方差分析

通过方差分析（ANOVA），二次多项式模型F=48.72，模型P＜0.000 1，表明该模型具有统计显著性。实验中，HCl与NH4Cl物质的量比、浸取时间、浸取温度对Y值影响显著（P＜0.05），交互项AB、AC、BC影响显著（P＜0.05），二次项A2、B2、C2对Y值的影响极显著（P＜0.01）。一次项对Y值的影响顺序从强到弱为B、A、C，即浸取时间、盐酸与氯化铵物质的量比、浸取温度。

图1为锶浸取率实验值与预测值的比较。从图1可以看出，锶浸取率实验值与预测值非常接近，基本处于一条直线上，实验结果说明实验值与预测值拟合效果好。

图1 锶浸取率实验值与预测值比较

表5为模型的可信度分析表。从表5可知，模型的决定系数R2为0.984 3，校正决定系数Radj为0.964 1，变异系数为0.56，表明该模型可较好地预测锶的浸取率。表6为模型置信度分析表。从表6可知，模型拟合实验数据显著、重复性好。

表5 模型的可信度分析

表6 二次方模型置信度分析

图2～4为各因素之间交互作用对锶浸取率的影响。从图2～4可知，HCl与NH4Cl物质的量比、浸取时间、浸取温度这3个因素两两之间交互作用的响应曲面倾斜度大，等高线呈椭圆且线间距离较密集，表明3个因素之间存在明显的交互作用，这与方差分析结果相符。

图2 盐酸与氯化铵物质的量比和浸取温度对锶浸取率影响的响应曲面及等高线图

图3 盐酸与氯化铵物质的量比和时间对锶浸取率影响的响应曲面及等高线图

图4 时间和温度对锶浸取率影响的响应曲面及等高线图

2.3 锶浸取率优化工艺条件及实验验证

通过响应面分析法得到的优化工艺条件：盐酸与氯化铵物质的量比为4.32、浸取时间为104 min、浸取温度为33℃，锶浸取率的理论预测值为95.32%。在上述工艺条件下，实验验证结果见表7。

表7 验证锶浸取率实验结果

由表7可知，重复实验4次，所得到的锶浸取率平均值为95.15%，标准偏差为0.146 2，相对标准偏差为0.153 7%，表明建立的响应面优化分析法精密度高，重复性好，实验值与理论预测值95.32%基本吻合，也进一步阐明了响应面优化方法的可靠性。

3 结论

1）本实验是在前期单因素实验的基础上，采用3因素3水平的Box-BehnKen响应面分析法对碳酸锶锶渣盐酸-氯化铵锶浸取工艺进行了优化，确定出最优浸取锶工艺条件。在盐酸与氯化铵物质的量比为4.32、浸取时间为104 min、浸取温度为33℃的最优工艺条件下，重复实验4次，所得到的锶浸取率平均值为95.15%，标准偏差为0.146 2，相对标准偏差为0.153 7%，表明建立的响应面优化分析法精密度高，重复性好，实验值与理论预测值95.32%基本吻合，也进一步阐明了响应面优化方法的可靠性。2）通过研究可知，所选因素对锶浸取率影响由大到小顺序为：浸取时间、盐酸-氯化铵物质的量比、浸取温度。浸取时间和盐酸-氯化铵物质的量比是影响锶浸取率的主要因素，该研究以期为锶渣中锶资源的回收利用提供参考。