通过磁场强化反应过程：引导钛的水解反应，以实现从高钛含量的钒钛磁铁矿中分离铁和钛

《Minerals Engineering》：Process intensification via magnetic field: Steering titanium hydrolysis for separation of iron and titanium from high?titanium vanadium titanomagnetite

　　

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  磁场能够将钛的水解过程与铁的浸出过程分离。
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  通过调节反应路径，磁场使残留物中的钛含量提高了33%。
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  磁场纯化处理后，TiO₂中仅含有一种类型的氧空位。
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  揭示了磁场调控钛水解的多尺度机制。

引言

中国辽西地区拥有约30万吨的钒钛磁铁矿资源（Cheng等人，2023a）。与中国的攀西和承德地区以及俄罗斯、南非和新西兰的类似矿床相比，该地区的矿石具有较高的钛和钒含量以及相对较低的铁含量。钛主要用于航空航天钛合金，而钒广泛应用于新型能源电池和特种钢材；因此这两种元素都具有很高的回收价值（Chen等人，2015；Peng等人，2022；Qiu和Guo，2022；Zhu等人，2011）。然而，高含量的钛给传统的加工技术带来了严峻挑战，迫切需要开发高效的分离和回收铁、钒和钛的方法。

目前，处理钒钛磁铁矿的主要工业方法是高炉工艺。当炉料中的钛含量过高时，会在还原过程中形成碳化钛（Ti(C,N)）。由于Ti(C,N)的熔点超过2000°C，会导致熔渣粘度急剧增加，使得正常的冶炼操作无法进行（Cao等人，2023；Liu等人，2015）。非高炉工艺通过空间分离还原和熔炼步骤来避免高炉工艺的一些缺点。然而，本质上它们只是将钛从一种相转移到另一种相；获得TiO₂纯度超过90%的富钛材料仍然非常困难，而且铁、钒和钛的整体回收率同时超过80%也几乎是不可能的（Chen等人，2022；Cheng等人，2023；Fan等人，2021）。湿法冶金在处理复杂的多金属材料方面具有固有的优势，近年来开发了多种工艺路线，如预还原-浸出和焙烧-相转化-浸出（Bian等人，2021；Safdar等人，2020；Yan等人，2022）。其中，直接酸浸法因其流程简单而受到广泛关注。特别是盐酸体系，利用钛易于水解的特性，通过耦合的浸出-水解过程实现了铁和钒的有效浸出，并同时通过原位水解和钛的沉淀实现了铁和钛的分离（Bian等人，2022；Kopkova等人，2013）。

在浸出-水解耦合策略中，钛的水解不仅为铁和钛的分离提供了化学基础，还直接决定了分离效率和产品质量。然而，迄今为止，研究主要集中在优化浸出阶段，而对水解过程的控制则关注较少（Guo等人，2021；Medyanik等人，2022；Sachkov等人，2017）。实际上，浸出和水解在时间尺度上有很大的重叠：钛从固相溶解的同时以水解产物的形式重新沉淀。这种耦合特性使得难以独立控制水解过程，从而限制了分离效率和产品质量的提高。因此，实现浸出和水解的有效分离，并有针对性地调控水解路径，是成功实施这一策略的关键前提。

作为非接触式物理场，磁场在矿物加工、水处理和电化学等领域展示了独特的调控能力（Bu等人，2025；Ding等人，2025；Faraudo等人，2016；Liu等人，2019；Tao等人，2025；Yavuz等人，2006）。先前的研究表明，磁场可以驱动磁性颗粒的运动，增强固液相传质，影响溶液中离子的迁移和协调行为，甚至改变水分子的簇结构（Alabi等人，2015；Hayashi，1992；Jiang等人，2015；Wang等人，2014；Zhang等人，2021；Zhang等人，2025b）。在湿法冶金领域，磁场已被用于强化从锌渣中浸出镓和锗（Liang等人，2024；Zheng等人，2025）。然而，这些研究主要集中在宏观动力学和提高有价值金属的溶解速率上，对于磁场调控浸出反应的微观机制研究还很少。在HCl浸出-水解耦合系统中，钛的水解直接决定了Fe-Ti分离的效率和最终产品的质量，使得这一步骤与浸出过程本身同样关键。然而，磁场在浸出过程中对水解过程的影响机制尚未得到充分研究。此外，这些微观效应与水解行为之间的联系也尚未建立。作为一种物理强化方法，磁场不会引入化学杂质，具有清洁、原位强化的独特优势。基于这些考虑，本研究旨在系统探究磁场在HCl浸出-水解耦合过程中的作用。

基于上述分析，本研究系统研究了磁场在高钛钒钛磁铁矿的HCl浸出-水解耦合过程中的作用。首先，考察了磁场对Fe、V和Ti浸出行为的影响，并通过化学相分析揭示了相变过程。随后，利用X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱扫描电子显微镜（SEM-EDS）和电子探针微观分析（EPMA）阐明了磁场对浸出残留物晶体形态和结构的调控作用。最后，通过热重分析-差示扫描量热法（TG-DSC）、拉曼光谱和电子顺磁共振（EPR）结合使用，研究了磁场对离子运动的影响，并揭示了磁场调控钛水解路径的机制。本研究有望为湿法冶金过程中的原位物理场调控提供新方法，并为多相反应过程的清洁强化提供新的见解。

章节片段

浸出实验

浸出实验是在配备循环油浴夹套的玻璃反应器中进行的。温度由油浴控制，混合通过顶置机械搅拌器实现。在典型的实验条件下（110°C，18 wt.% HCl，液固比为8 mL/g），将稀盐酸（天津凯米欧化学试剂有限公司）预热到设定温度，然后加入钒钛磁铁矿样品（辽宁

磁场增强浸出的效果

在HCl浸出系统中，磁铁矿、钛磁铁矿和钛铁矿是主要的反应矿物相。磁铁矿（Fe₃O₄）和钛磁铁矿（Fe_3-xTi_xO₄）在盐酸中分解，铁以FeCl₂和FeCl₃的形式进入溶液，钛以可溶性钛酰化合物TiOCl₂的形式溶解。钛铁矿（FeTiO₃）也发生类似的分解。随后，溶液中的TiOCl₂在加热下水解，形成水合TiO₂沉淀并释放HCl。这些过程可以

结论

本研究系统探讨了磁场增强的高钛钒钛磁铁矿HCl浸出-水解耦合过程。主要结论如下：

• (1)
  磁场在酸浸分离过程中起到了双重强化作用。它改变了钛的溶解-水解平衡。在磁场的作用下，最终的钛浸出效率从8.32%下降到5.53%，相对降低了约33%，使得残留物中的钛含量增加

CRediT作者贡献声明

Baoxun Zhao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，数据分析。Yijun Cao：撰写 – 审稿与编辑，指导，资源协调，概念化。Guixia Fan：数据可视化，方法学，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC2908301）和国家自然科学基金（编号92575301）的财政支持。

Baoxun Zhao | Yijun Cao | Guixia Fan