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硅矿物及有机物在拜耳法生产氧化铝过程中的行为

赵清杰  
【摘要】: 我国铝土矿资源丰富,主要以中低品位的一水硬铝石矿为主,近年来随着铝土矿的开采与应用,铝土矿资源进一步贫化。氧化铝生产过程中,铝土矿中的含硅矿物直接影响氧化铝质量并易导致管道结疤。为实现低品位铝土矿资源的高效利用和节能降耗,我国成功开发了适合处理中低品位一水硬铝石铝土矿生产氧化铝的选矿-拜耳法新工艺,该工艺为合理利用我国丰富而廉价的铝土矿开辟了一条新途径。与铝土矿原矿相比较,选精矿除同样含有微量的腐殖酸类有机物外,在浮选过程中还带入了脂肪酸类有机物-捕收剂。对于脂肪酸类有机物在拜耳法流程中的行为、影响及变化规律国内外尚未有详细报道。 本文研究了高岭石、伊利石、叶腊石等几种单体硅矿物以及一水硬铝石在铝酸钠溶液中的溶出行为,研究了脂肪酸类有机物捕收剂对拜耳法溶出、分解过程的影响,结果将对氧化铝生产提供一定的技术支持和理论依据,研究结论如下。 1.采用XRD、SEM、IR以及化学分析的手段,对高岭石、伊利石、叶腊石等几种单体硅矿物以及一水硬铝石进行了系统地分析,并模拟工业生产条件研究了这几种矿物在铝酸钠溶液中的溶出行为,结果表明,高岭石、伊利石、叶腊石等单体硅矿物在铝酸钠溶液中的溶出速率受温度等反应条件的影响。采用量子化学理论计算,研究了高岭石、伊利石及叶蜡石的晶体结构特征和反应性质,发现铝酸钠溶液中的OH-对高岭石、伊利石、叶蜡石完全解理面的微观电子结构、Si-O键的结合力等均产生显著影响,其中OH-对高岭石表面性质及Si-O键结合力的降低产生的影响最大,因此高岭石在相对较低温度下较易在碱性溶液中反应脱硅。 2.往单体硅矿物中加入适量石灰均能促使溶液中SiO_2向渣相沉淀,加速矿石的溶出。反应后硅渣的物相分析表明,高岭石、伊利石、叶腊石在铝酸钠溶液中反应生成的渣相主要是方钠石,添加石灰后,促使方钠石向溶解度更小的钙水化石榴石转化,因而溶液中SiO_2的平衡浓度随之下降,矿石溶解平衡向溶出方向移动,且溶解加速。 3.TiO_2的存在阻碍一水硬铝石与铝酸钠溶液的反应。在温度较低时,CaO的添加量对一水硬铝石的溶出有较大影响,随CaO含量增加,一水硬铝石Al_2O_3溶出率增大;在温度较高时,CaO添加量对一水硬铝石Al_2O_3溶出率的影响并不明显。TiO_2阻碍一水硬铝石溶出,主要是形成了含钛离子的屏蔽层,屏蔽了OH向一水硬铝石晶格的侵入;添加石灰能有效消除TiO_2不利影响。 4.当溶液中有有机物时,随着有机物含量的增加,铝酸钠溶液的表面张力急剧下降,氢氧化铝的Zeta电位绝对值急剧增加,溶液电导率增加;当有机物含量为1mL/L时,溶液表面张力下降至32.70mN/m,Zeta电位绝对值基本达到最大值,电导率也达到最大值,继续增大有机物含量,溶液表面张力、电导率、Zeta电位稍有波动,但基本保持不变。因此确定捕收剂在铝酸钠溶液中的“临界胶团浓度”为1mL/L。 5.油酸钠和苯甲羟肟酸对铝土矿溶出过程氧化铝溶出率影响不大,在有石灰存在的情况下对伊利石、高岭石、叶腊石和一水硬铝石在溶出过程中的影响很小。苯甲羟肟酸能够提高氧化铝溶出率,但提高幅度不大。油酸钠能够显著降低铝土矿拜耳法溶出赤泥的N/S,且溶出碱浓度越低,效果越明显。苯甲羟肟酸可使赤泥N/S升高,随着苯甲羟肟酸浓度的增加赤泥N/S有先升高后降低的趋势。油酸钠和苯甲羟肟酸同时加入溶出体系时,赤泥N/S变化不明显。 6.有机物含量较低的铝酸钠溶液的分解率高于有机物含量较高的溶液,即随着捕收剂加入量(有机物含量)的增加,分解率下降,表明选矿药剂的积累对分解过程有不利影响。在含有机物的溶液种分过程中,加入的晶种量不同,其分解速率也不相同。随着种子量的增加,分解速率加快。在其他条件相同的情况下,在含有机物的溶液种分过程中,晶种量对产品硅、铁的影响不明显,而碱含量有增加的趋势,且随晶种量的减小而增加。在研究的条件下,即使不加入有机物捕收剂,循环产品中细粒子含量随着循环次数的增加呈现出增加的趋势,随着加入的有机物捕收剂的增加,可明显看出产品更加细化。 7.通过对铝酸钠溶液种分过程进行物料衡算和粒度衡算分析,建立了种分过程的动力学模型,探讨了有机物对种分晶体生长过程与产品物理性能的影响。根据实验数据获得了动力学模型参数与反应条件之间的关系,讨论了捕收剂添加量对动力学模型参数R_(pq)的影响。种分过程反应动力学常数与反应条件之间关系的经验表达式为:k=-7.849×10~(-5)t~2+2.595×10~(-3)α_kN_k+1.638×10~(-2)α_kt-7.074×10~(-5)S_tS_g -8.885×10~(-7)S_gN_k+1.007×10~(-5)S_gt-1.043×10~(-4)N_kt-0.819


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