【発明の詳細な説明】
冷間ミリングを用いたイルメナイト処理
技術分野
本発明は、二酸化チタン及び鉄を含有する鉱物(これは通常、チタン含有鉱物
と呼ばれる。)の処理方法に関する。これら鉱物の最も一般的なものはイルメナ
イト(ilmenite)である。更に詳しくは、本発明は、粒状のチタン含有鉱物に冷間
ミリングを行って、ナノ構造(nanostructured,微小構造)生成物を形成すること
に関し、そのナノ構造生成物から、その鉱物の鉄含有量(又は有意な量の鉄含有
量)を浸出工程(leaching process)によって除去し得る。
発明の背景
イルメナイト、FeTiO3及びチタン含有鉱物は、比較的不活性な鉱物であ
り、長い間、塗料中での白色顔料として、溶接棒を製造するための白色顔料とし
て、並びに化粧品工業及びセラミック工業での白色顔料として使用される二酸化
チタン、TiO2の主な供給源であった。イルメナイト及び他のチタン含有鉱物
から鉄を抽出することは、費用のかかる仕事であったし、今だにそうである。
現在使用されている、イルメナイトの冶金処理法には大抵、環境問題に関わる
、粒状鉱物の熱酸浸出が含まれる。例えば、イルメナイトから二酸化チタンを分
離するための「硫酸塩法」には、
(a)粉砕した乾燥イルメナイトと85〜92%硫酸とを混合する工程と、
(b)粉砕イルメナイトと硫酸との混合物を約160℃の温度(この温度で発熱
反応が始まる。)まで加熱する工程(この反応の生成物は、硫酸第一鉄、硫酸第
二鉄及び硫酸チタンの混合物である。)と、
(c)前記硫酸塩の混合物の水溶液(又は弱酸溶液)を形成し、次いで、鉄くず
を用いて硫酸第二鉄を還元し硫酸第一鉄にする工程と、
(d)前記溶液を沈殿法によって清澄化する工程と、
(e)前記溶液中の鉄を結晶化(FeSO4・7H2Oのような)によって除去す
る工程と、
(f)加水分解を適用して二酸化チタンを分離する工程と
が含まれる。
イルメナイトを処理するのに使用される他の技術は、いわゆる「塩化物法」で
あって、650℃〜1150℃の範囲の温度の塩素ガスを使用して純粋でないル
チル(rutile)を塩素化して四塩化チタン(TiCl4)を形成することが含まれ
る。次いで、TiCl4を酸化して純二酸化チタンを製造する。
「ベカー」法は、イルメナイトの品質を改善し、鉄を除去し、「塩化物法」の
ための供給原料を提供するためにも使用される。ベカー法においてイルメナイト
は、鉄還元キルン中、1100℃で石炭及びイオウと反応する。この反応によっ
て、イルメナイト中の鉄は還元されて金属形態になる。その反応の生成物を冷却
した後、鉄は腐食してスラリー形態となる。このスラリー形態には、腐食させる
ための触媒として作用する塩化アンモニウムが含有される。残りの鉄化合物は、
硫酸で浸出することによって除去される。
一層有望な代替的なイルメナイト処理方法の一つは、連邦科学工業研究協会(C
ommonwealth Scientific and Industrial Research Organisation)及びマルフィ
オアズ・プティ社(Murphyores Pty Limited)によって共同で開発され、「マルソ
法(Murso process)」として知られているが、オーストラリア特許第416,1
43号明細書に記載されている。マルソ法では、イルメナイトは酸化されて実質
的に全ての鉄は第二鉄状態に変えられ、次いで、前記の酸化済み物質は還元され
て実質的に全ての鉄は第一鉄状態に変えられる。イルメナイトの酸化及び後続の
イルメナイトの還元から成るこれらの工程によって、反応性の高まった物質が生
成される。その物質から、希塩酸で鉄を浸出することができる。還元剤として塩
酸を使用するコストと、浸出のために使用される塩酸の再生利用のコストとのた
めに、マルソ法の採用は商業的に魅力のないものとなった。幾度かマルソ法を部
分修正してその経済性を改善しようとする試みが成されたが、本明細書を書いて
いる時点では、そのようなマルソ法は商業的に採用されていない。
イルメナイトからルチルを生成するための他の改善方法の追及が続いてきた。
本発明の開示
本発明の主要目的は、イルメナイト及び他のチタン含有鉱物を処理して、かか
る鉱物を、簡単な浸出方法によって鉄含有量を除去し得る形態に転化する方法を
提供することにある。
この目的は、冷間ミリング方法によって達成される。
鉱石のボールミリングは、粉砕工程(粒径を一層細分化すること)を容易にす
るための添加剤を使用しても、使用しなくても、新規できない。しかし、ボール
ミリングで鉱石を早期に一層細分化し分離し得る可能性は一般的に達成されてお
らず、かかる鉱石処理技術に関する関心は減少した。オーストラリア国立大学(T
he Austrarian National University)での新規形態の高エネルギーボールミルの
開発、及びそのボールミルを用いて機械的合金化の研究において達成された成功
(例えば、国際特許出願番号PCT/AU91/00248、PCT/AU92
/00073及びPCT/AU94/00057の諸明細書を参照)によって、
鉱石の冷間ミリングに関する新たな関心が示された。国際特許出願番号PCT/
AU90/00471(WIPO公開番号WO 91/04810)に記載され
ているその新規ボールミルによって、負荷の制御済みエネルギー・ミリングを達
成することが可能となる。今回、本発明者は、あるミリング条件下でイルメナイ
トを還元し、その間、ナノ構造形態に変えることが可能であること、及びこの生
成物から鉄を除去し得ること(例えば、約100℃の温度の塩酸を使用して)を
発見した。
この冷間ミリング方法の基本的必要条件は、(i)高エネルギーミリングを室
温で十分な時間(300時間以下)行い、ナノ構造形態を有する粉末を生成する
こと、及び(ii)ボールミルの負荷に適した添加剤の存在下で、前記ミリングを
行うことである。
従って、本発明によると、チタン含有鉱石を処理して鉱石から鉄を除去し、ル
チルを製造する方法において、適切な添加剤の存在下、ナノ構造のチタン含有生
成物に形成するのに十分な時間の間、粒状形態の鉱石を高エネルギーミリングす
ることから成る、上記方法が提供される。
添加剤には、固体又は液体の還元剤が含まれる。一連の表面活性剤及び有機物
質(特に、長鎖炭化水素)を有するような非晶質ホウ素は有用な添加剤であるこ
とが分かった。本発明の添加剤を構成し得る表面活性剤には、
(a)酢酸ジヘキサデシルジメチルアンモニウム(DHDAA)、
(b)臭化ジドデシルジメチルアンモニウム(DDAB)、
(c)酢酸ジドデシルジメチルアンモニウム(DDAA)、
(d)水酸化ジドデシルジメチルアンモニウム(DDAOH)、及び
(e)硫酸ジドデシルナトリウム(SDDS)-アニオンダブルチェーン表面活
性剤(anionic double chained surfactant)
がある。
ドデカンは、本発明の添加剤として使用し得る好ましい長鎖炭化水素である。
本方法を拡大してルチルの製造を含むようにするためには、続いて、ミリング
済み鉱石を浸出し、鉱石から鉄を分離する必要がある(例えば、約100℃の温
度で塩酸を使用して)。
ミリングは好ましくは、国際特許出願番号PCT/AU90/00471号明
細書に記載され請求されている型のボールミル中で行う。
本発明の一層の理解は、次の、イルメナイトの冷間ミリングに関する実験室的
加工の記述及び検討によって得られるだろう。
冷間ミリング加工に関する記述
本発明者等は、粒状のチタン含有物質に長時間ミリングを行えば、鉱物が反応
性のナノ構造形に変化し、そのナノ構造形から、酸浸出又は磁気分離によりα−
Feを除去することが可能であるという仮説を立てた。この仮説を試験したとき
、イルメナイトを単純にミリングしても、鉱物の反応性ナノ構造形は生成しなか
った。しかし、ボールミルの負荷(charge)に添加剤を加えてイルメナイトをミリ
ングすれば、驚愕すべきことに、反応性ナノ構造形の生成物が生じたのである。
次いで、イルメナイト(その鉱物砂形態の)を用いて一連の実験を行い、この
現象を更に研究した。各々実験では、国際特許出願番号PCT/AU90/00
471号明細書に記載されている型のボールミル中で、粒状イルメナイトを長時
間の高エネルギーミリングにかけた。(適切な時間の間、他の型の高エネルギー
ボールミルでミリングしても同様の効果が得られるものと考えられる。)ミリン
グは、ボールミルの粒状イルメナイト負荷をナノ構造物質に変えるのに十分な時
間の間、行った。これはある時間の間、高エネルギーボールミリングを必要とし
、
この時間は、高エネルギーミリングの条件とボールミル負荷への添加物とに依存
した。
次いで、ミリング済み試料を、追加処理を全く行わないで浸出した。
前記諸実験の種々の工程で、次の諸技術、即ち、X線回折、メスバウアー分光
法、原子吸光法及びラザフォード後方散乱分光測定法の一つ以上を使用して、各
試料の組成を評価した。特に、ミリング済み試料の構造上の展開(development)
は、フィリップス拡散器を用いたコバルトKα放射のX線回折によってモニター
し、かつ、使用して、化学的に浸出した試料中の鉄の存在を分析した。
ボールミルの初期負荷と共に、一連の添加剤を使用した。各実験において、ミ
リングを行う間、ボールミルの負荷の中にその添加剤は残存した。ある添加剤の
濃度に多少のバラツキはあったが、添加剤の濃度又は添加剤の還元特性を最適化
するような試みはしなかった。イルメナイトだけを使用して(即ち、ボールミル
の負荷に添加剤は全く加えないで)一つの対照試験を行った。
実験で使用した特殊な添加剤は次の通りである。
1.DDAA(酢酸ジドデシルジメチルアンモニウム)、
2.DDAB(臭化ジドデシルジメチルアンモニウム)、
3.DHDAA(酢酸ジヘキサデシルジメチルアンモニウム)、
4.DDAOH(水酸化ジドデシルジメチルアンモニウム)、
5.SDDS(硫酸ジドデシルナトリウム)、
6.ドデカン、及び
7.非晶質ホウ素
ミリングは300時間以下の間続けたが、その間、ボールミルの負荷は室温(
約25℃)に維持した。上記の添加剤1〜5を使用する実験で、ミリングは水溶
液中で行った。イルメナイト粒子が電荷ゼロである点を考慮し、カチオン種の吸
着を得ることができるように、添加剤DDAA、DDAB及びDHDAAの水溶
液のpHが10の値となるようにpHを調整する必要があった。この値は、マイ
ナスに帯電したイルメナイト粒子に対応する。添加剤SDDSを用いた実験では
、アニオン表面活性剤SDDSの吸着を得ることができるように、pHは5の値
に調整した。この値はプラスに帯電したイルメナイト粒子に対応する。pHを
調整するために、水酸化カリウム及び塩化ナトリウムを使用した。添加剤DDA
OHを用いた実験では、水溶液のpH調整は全く不要であった。
添加剤(i)DDAOH、(ii)SDDS、及び(iii)非晶質ホウ素を用い
てイルメナイトをミリングすることによって得られるナノ構造イルメナイト生成
物は、80℃〜100℃の範囲の温度、4M塩酸で浸出した。浸出済み物質のラ
ザフォード後方散乱分光測定によるスペクトルによって、
(a)浸出後、DDAOHでミリングした試料中には鉄5原子%未満が残存した
こと、及び
(b)SDDSでミリングしたイルメナイト試料及び非晶質ホウ素でミリングし
たイルメナイト試料の鉄含有量は有意に減少したこと
が分かった。
DDAOHでミリングし、次いで塩酸で浸出した物質のX回折パターンは、ル
チルに対応するピークのみを示した。
このように、適切な添加剤を用いてイルメナイトを長時間ミリングすれば、ナ
ノ構造の粉末が生成し、この粉末は熱塩酸で浸出してイルメナイトの鉄成分を除
去し、ルチル(TiO2)を残すことが容易であると言う事が、実験によって分
かった。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION ilmenite processing arts present invention using cold milling minerals (which is usually referred to as a titanium-containing minerals.) Containing titanium dioxide and iron on how to process. The most common of these minerals is ilmenite. More specifically, the present invention relates to cold milling a granular titanium-containing mineral to form a nanostructured product, from which the iron content of the mineral is determined. (Or a significant amount of iron content) may be removed by a leaching process. BACKGROUND OF THE INVENTION Ilmenite, FeTiO 3 and titanium-containing minerals are relatively inert minerals and have long been used as white pigments in paints, as white pigments for producing welding rods, and in the cosmetics and ceramics industries. titanium dioxide used as a white pigment in, were the main source of TiO 2. Extracting iron from ilmenite and other titanium-containing minerals has been, and is still, an expensive task. Currently used ilmenite metallurgical processing methods often involve thermal acid leaching of particulate minerals, which is of environmental concern. For example, the "sulfate method" for separating titanium dioxide from ilmenite includes (a) a step of mixing ground dry ilmenite with 85-92% sulfuric acid, and (b) a mixture of ground ilmenite and sulfuric acid. Heating to a temperature of about 160 ° C., at which temperature an exothermic reaction begins, (the product of this reaction is a mixture of ferrous sulfate, ferric sulfate and titanium sulfate), and (c). Forming an aqueous solution (or weak acid solution) of the mixture of sulfates, and then reducing ferric sulfate to ferrous sulfate using iron scrap, and (d) clarifying the solution by a precipitation method. And (e) removing iron in the solution by crystallization (such as FeSO 4 .7H 2 O), and (f) applying hydrolysis to separate titanium dioxide. Be done. Another technique used to treat ilmenite is the so-called "chloride method", in which chlorine gas at temperatures in the range of 650 ° C to 1150 ° C is used to chlorinate impure rutile. Forming titanium tetrachloride (TiCl 4 ) is included. Then, TiCl 4 is oxidized to produce pure titanium dioxide. The "Bekah" process is also used to improve the quality of ilmenite, remove iron, and provide a feedstock for the "chloride process." In the Bekah process, ilmenite reacts with coal and sulfur in an iron reduction kiln at 1100 ° C. By this reaction, iron in ilmenite is reduced to a metal form. After cooling the product of the reaction, the iron corrodes into a slurry form. This slurry form contains ammonium chloride which acts as a catalyst for corrosion. The remaining iron compounds are removed by leaching with sulfuric acid. One of the more promising alternative ilmenite processing methods was co-developed by the Common Science Institute for Industrial and Industrial Research and Murphyores Pty Limited, and is referred to as the `` Murso process ''. ) ", But is described in Australian Patent 416,143. In the Marso process, ilmenite is oxidized to convert substantially all iron to the ferric state and then the oxidized material is reduced to convert substantially all iron to the ferrous state. These steps, consisting of the oxidation of ilmenite and the subsequent reduction of ilmenite, produce highly reactive materials. Iron can be leached from the material with dilute hydrochloric acid. The cost of using hydrochloric acid as a reducing agent and the cost of recycling the hydrochloric acid used for leaching have made the adoption of the Marso process commercially unattractive. Several attempts have been made to modify the Marso method to improve its economics, but at the time of this writing, such Marso method has not been commercially adopted. There has been a continuing search for other improved methods for producing rutile from ilmenite. DISCLOSURE OF THE INVENTION It is a primary object of the present invention to provide a method of treating ilmenite and other titanium-containing minerals to convert such minerals to a form in which the iron content can be removed by simple leaching methods. . This object is achieved by the cold milling method. Ball milling of ores cannot be novel with or without additives to facilitate the grinding process (to further subdivide the particle size). However, the possibility of early further fragmentation and separation of ores by ball milling has not generally been achieved and interest in such ore processing techniques has diminished. The success achieved in the development of a new form of high-energy ball mill at the Australian National University and in mechanical alloying studies using the ball mill (eg International Patent Application No. PCT / AU91 / 00248). , PCT / AU92 / 00073 and PCT / AU94 / 00057) have shown new interest in cold milling of ores. The novel ball mill described in International Patent Application No. PCT / AU90 / 00471 (WIPO Publication No. WO 91/04810) makes it possible to achieve controlled energy milling of loads. This time, the inventor is now able to reduce ilmenite under certain milling conditions, during which it can be transformed into a nanostructured morphology and to remove iron from this product (for example, at temperatures of about 100 ° C.). Using hydrochloric acid). The basic requirements of this cold milling method are: (i) high energy milling at room temperature for a sufficient time (300 hours or less) to produce a powder having a nanostructured morphology, and (ii) to load the ball mill. The milling is carried out in the presence of suitable additives. Therefore, according to the present invention, a method of treating a titanium-containing ore to remove iron from the ore and producing rutile is sufficient to form a nanostructured titanium-containing product in the presence of a suitable additive. A method is provided which comprises high energy milling an ore in granular form for a period of time. Additives include solid or liquid reducing agents. Amorphous boron, which has a range of surfactants and organic materials, especially long chain hydrocarbons, has been found to be a useful additive. Surfactants that can constitute the additive of the present invention include (a) dihexadecyldimethylammonium acetate (DHDAA), (b) didodecyldimethylammonium bromide (DDAB), and (c) didodecyldimethylammonium acetate ( DDAA), (d) didodecyldimethylammonium hydroxide (DDAOH), and (e) sodium didodecyl sulfate (SDDS) -anionic double chained surfactant. Dodecane is a preferred long chain hydrocarbon that can be used as an additive in the present invention. In order to extend the process to include the production of rutile, it is then necessary to leach the milled ore and separate the iron from the ore (eg using hydrochloric acid at a temperature of about 100 ° C. hand). Milling is preferably carried out in a ball mill of the type described and claimed in International Patent Application No. PCT / AU90 / 00471. A further understanding of the invention will be gained by the following description and discussion of laboratory processing for cold milling of ilmenite. Description of Cold Milling The present inventors have found that when a granular titanium-containing substance is milled for a long time, the mineral changes into a reactive nanostructured form, and from the nanostructured form, α leaching or magnetic separation is used to obtain α -The hypothesis was made possible to remove Fe. When testing this hypothesis, simple milling of ilmenite did not produce reactive nanostructured forms of the mineral. However, milling the ilmenite with the addition of the ball mill charge added, surprisingly, produced a reactive nanostructured form of the product. A series of experiments were then carried out with ilmenite (in its mineral sand form) to further study this phenomenon. In each experiment, granular ilmenite was subjected to prolonged high energy milling in a ball mill of the type described in International Patent Application No. PCT / AU90 / 00471. (Milling with other types of high-energy ball mills for an appropriate amount of time is believed to have the same effect.) Milling requires sufficient time to convert the granular ilmenite load of the ball mill into a nanostructured material. I went there during. This required high energy ball milling for a period of time, which depended on the conditions of high energy milling and additives to the ball mill load. The milled sample was then leached without any additional treatment. Evaluate the composition of each sample at various steps in the experiments using one or more of the following techniques: X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, atomic absorption and Rutherford backscattering spectroscopy. did. In particular, the structural development of the milled sample was monitored by X-ray diffraction of cobalt Kα radiation using a Phillips diffuser and used to detect the presence of iron in the chemically leached sample. analyzed. A series of additives was used with the ball mill initial load. In each experiment, the additive remained in the ball mill load during milling. Although there was some variation in the concentration of certain additives, no attempt was made to optimize the concentration of the additives or the reducing properties of the additives. One control test was conducted using only ilmenite (ie, no additives were added to the ball mill load). The special additives used in the experiment are as follows. 1. DDAA (didodecyldimethylammonium acetate), 1. DDAB (didodecyldimethylammonium bromide), 3. DHDAA (dihexadecyldimethylammonium acetate), DDAOH (didodecyldimethylammonium hydroxide), 5. SDDS (sodium didodecyl sulfate), 6. Dodecane, and 7. Amorphous boron milling was continued for 300 hours or less, while the ball mill load was maintained at room temperature (about 25 ° C). In the experiments using Additives 1-5 above, milling was done in aqueous solution. Considering that the ilmenite particles have no charge, it is necessary to adjust the pH of the aqueous solution of the additives DDAA, DDAB and DHDAA to a value of 10 in order to obtain adsorption of the cationic species. It was This value corresponds to negatively charged ilmenite particles. In the experiments with the additive SDDS, the pH was adjusted to a value of 5 so that adsorption of the anionic surfactant SDDS could be obtained. This value corresponds to positively charged ilmenite particles. Potassium hydroxide and sodium chloride were used to adjust the pH. In the experiment using the additive DDA OH, pH adjustment of the aqueous solution was completely unnecessary. The nanostructured ilmenite product obtained by milling ilmenite with the additives (i) DDAOH, (ii) SDDS, and (iii) amorphous boron has a temperature in the range of 80 ° C to 100 ° C, 4M hydrochloric acid. Leached in. Rutherford backscattering spectroscopy of the leached material revealed that (a) less than 5 atomic% iron remained in the DDAOH-milled sample after leaching, and (b) SDDS-milled ilmenite sample and amorphous. It was found that the iron content of the ilmenite sample milled with high quality boron was significantly reduced. The X-ray diffraction pattern of the material milled with DDAOH and then leached with hydrochloric acid showed only the peak corresponding to rutile. Thus, milling ilmenite with suitable additives for a long time produces a nanostructured powder that is leached with hot hydrochloric acid to remove the iron component of ilmenite and remove rutile (TiO 2 ). Experiments have shown that it is easy to leave.
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DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
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,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,
TD,TG),AP(KE,MW,SD),AM,AT,
AU,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C
Z,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU
,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LR,
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O,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SI
,SK,TJ,TT,UA,US,UZ,VN
(72)発明者 カルカ,アンドルゼユ
オーストラリア国2602 オーストラリアン
キャピトル テリトリー,エインスリ
ー,マジュラ アベニュー 178
(72)発明者 ミレット,パトリス
オーストラリア国2605 オーストラリアン
キャピトル テリトリー,ガーラン,ギ
ルモアー クレスセント 94
(72)発明者 ニンハム,バリー ウィリアム
オーストラリア国2614 オーストラリアン
キャピトル テリトリー,クック,ブー
ス クレスセント 18
(72)発明者 ウィリアムズ,ジェームス スタニスラウ
ス
オーストラリア国2611 オーストラリアン
キャピトル テリトリー,ホルダー,ト
ウィナム ストリート 15────────────────────────────────────────────────── ───
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AU, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, C
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O, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SI
, SK, TJ, TT, UA, US, UZ, VN
(72) Inventor Kalka and Andruzeyu
Australian 2602 Australian
Capitol Territory, Ainsuri
ー, Majura Avenue 178
(72) Inventor Millet, Patrice
Australia 2605 Australian
Capitol Territory, Garlan, Gi
Lemore Crescent St 94
(72) Inventor Ninham, Barry William
Australian country 2614 Australian
Capitol Territory, Cook, Boo
Scles cent 18
(72) Inventor Williams, James Stanislau
S
Australia 2611 Australian
Capitol Territory, Holder, To
Winnum Street 15