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晶种分解过程中铝酸钠溶液的结构演变

王丹琴  
【摘要】:铝酸钠溶液分解是从铝土矿提取氧化铝过程中至关重要的工序之一,直接影响产品的物理和化学性能以及分解过程的效率,是当前氧化铝工业上的技术瓶颈之一。要实现铝酸钠溶液的强化分解,必须首先在铝酸钠溶液的结构及其分解理论上寻求突破。本论文通过计算铝酸根阴离子的迁移数,结合红外光谱分析,研究了铝酸根离子的电迁移性质与其结构间的关系,分析了铝酸钠溶液分解过程中各种铝酸根离子的反应行为,并最终确定了有利于铝酸钠溶液分解过程的离子类型。通过调控铝酸钠溶液的离子结构,使其向含有更多有利于分解过程的铝酸根离子转化,并最终促进了铝酸钠溶液的分解过程。论文的主要研究结果如下: (1)铝酸钠溶液的电导率随着Na2O质量浓度的升高先变大后减小,在100~120g/L出现一极大值,符合强电解质电导率变化规律。根据电解质溶液离子迁移数的计算方法,计算了铝酸钠溶液中各种铝酸根离子的离子迁移数,结合红外光谱,研究了铝酸根阴离子的导电能力和结构的关系。研究发现:较低Na2O质量浓度(175g/L)下,铝酸根阴离子的迁移数为0.6左右,红外光谱显示在这个浓度范围内离子结构主要为Al(OH)4-;中等Na2O质量浓度(175-330g/L)下,铝酸根阴离子的迁移数为0.2左右,此时溶液结构为A1(OH)4-和[Al2(OH)8(H2O)2]2-;高Na2O质量浓度(330g/L)下,铝酸根阴离子的离子迁移数接近于0,对应的溶液结构主要是Al2O(OH)62-和[Al2(OH)8(H2O)2]2-,只有少量Al(OH)4-。铝酸钠溶液中铝酸根离子聚合度随溶液碱浓度的增大而增大,铝酸根离子的电迁移能力则随离子聚合度的增大而降低。 (2)高浓度或高苛性比的铝酸钠溶液中,铝酸根离子主要以聚合形式存在,随着溶液的稀释,铝酸钠溶液中聚合离子逐渐减少,而单体的铝酸根离子Al(OH)4-逐渐增多,稀释到一定程度时,铝酸钠溶液中只存在Al(OH)4-。随着温度的升高,铝酸钠溶液的电导率逐渐升高,这是因为温度升高时,导电能力较强的Al(OH)4-离子有所增多,同时880cm-1峰也逐渐增强,说明温度的升高有利于550cm-1处对应的Al-O-Al结构的Al2O(OH)62-向Al(OH)4-和880cm-1处Al-O伸缩振动带对应的[Al2(OH)8(H2O)2]2-离子转化。 (3)研究发现,碳酸钠和硫酸钠均会改变铝酸钠溶液的结构。当C(Na2CO3)10g/L,C(Na2SO4)5g/L时,铝酸钠溶液中四面体离子Al(OH)4-明显减少,低波数段Al-O-Al结构的Al20(OH)62-离子明显增多。同时,加入碳酸钠和硫酸钠后,铝酸钠溶液粘度升高,电导率下降,并对晶种分解产生抑制作用。由此说明,铝酸钠溶液中聚合离子增多,不利于铝酸钠溶液的晶种分解。硅可以取代铝酸钠溶液中Al-O-Al结构中的Al,形成Al-O-Si结构和Al-O-Si-O-Al-O结构等多种形式硅氧铝键以及由氢键相连的大分子结构,导致铝酸钠溶液粘度增大,分解率降低。 (4)铝酸钠溶液晶种分解过程中,720、880cm1处Al-OH振动带对应的四面体铝酸根离子百分比及浓度不断下降;550cm-1处对应的Al20(OH)62-离子百分比及浓度略有上升。衰减全反射(ATR)方法测得铝酸钠溶液分解过程中氢氧化铝表面附液中主要为Al(OH)4-离子,且随着分解时间的延长,该离子的浓度基本保持不变。结合本体溶液和氢氧化铝附液中铝酸根离子的结构变化,认为铝酸钠溶液分解过程中有利于氢氧化铝析出的含铝离子是Al(OH)4-等Al-OH四面体离子,若调控溶液中其它复杂含铝离子结构向该类结构转变,将有利于氢氧化铝的析出。 (5)通过磁场处理铝酸钠溶液后,铝酸钠溶液的电导率和离子结构都会发生明显的变化。在磁场强度为50~70kA/m及150~200kA/m范围内时,铝酸钠溶液的电导率达到最大值,铝酸钠溶液中导电能力最强的离子A1(OH)4-的浓度达到最大。在磁场强度为52kA/m下处理铝酸钠溶液并进行晶种分解,当晶种包含有部分细颗粒时,磁场提高铝酸钠溶液的分解率为6%左右,但其分解产品的粒度也变细,究其原因是磁场使铝酸钠溶液中二聚离子减少、Al(OH)4-增多,并最终加速了铝酸钠溶液的二次成核过程;当晶种为均一的粗颗粒时,磁场提高铝酸钠溶液的分解率为2-3%,且产品形貌规则,颗粒大小均匀。除此之外,晶种和杂质的加入,也可以改变溶液中铝酸根离子间的转化并最终影响分解过程。


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