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拜耳法赤泥固化基础研究

司常钧  
【摘要】:赤泥是氧化铝生产过程中排放的固体废弃物,因含有较多的氧化铁,其外观颜色与赤色泥土相似而得名。我国累计赤泥堆存量高达9000万吨,其利用率不足10%,大多以筑库堆存为主,极易导致土地盐碱化、污染地下水,并占用土地,浪费资源,形成安全隐患和环境污染;因此研究拜耳法赤泥的安全堆存对于支持氧化铝工业的可持续发展有重要意义。本文以山西晋北铝业的拜耳法赤泥作为研究对象,从赤泥的物理、化学性质出发,研究其固化的影响因素,为拜耳法赤泥的固化堆存提供理论依据。研究表明:(1)拜耳法赤泥的主要化学组成为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、Na2O等,其矿物相主要为水化石榴石、一水硬铝石和水合铝硅酸钠;赤泥粒度主要分布在-300目,该粒度质量百分比一般在60%以上,属于微细粒粘土矿物;拜耳法赤泥渗透系数为1.90×10-4cm/s~3.25×10-4cm/s,属于高渗透土;拜耳法赤泥浆体含水率一般在60%以上,浓度较低,其次拜耳法赤泥不含烧结法赤泥中的水硬性组分所以不会自行固化,导致赤泥库中的赤泥浆体长期处于流塑态,极易形成泥石流灾害。(2)拜耳法赤泥中微细颗粒较多,且浆体粘度随浓度的升高近似呈现指数上升趋势,致使拜耳法赤泥很难自然静置浓缩;本文通过促沉剂单因素试验优选出了对于赤泥沉降有明显促进作用的四种化学试剂,分别是:NaHm、SHMP、 SDBS和FDN,并确定了合适的掺量范围。(3)本文通过正交试验确定了上述四种促沉剂的合适配比:NaHm /SHMP/SDBS/FDN=1/2/3/11;通过掺量试验确定了促沉剂的适宜掺量为4.2‰。当促沉剂掺量为4.2‰时,沉降24小时沉降层浆体浓度达到60.2%,可以满足拜耳法赤泥固化堆存所要求的浓度。(4)通过单因素掺量试验考察了固化剂中各胶凝材料组分对赤泥固化体性能的影响;在各组分适宜掺量的基础上结合经济成本优化出胶凝材料的适宜掺量,硅酸盐激发剂掺量:10%-12%,矿物激发剂掺量:20-24%,硫酸盐激发剂掺量:18%-22%,矿渣掺量:50%-52%。(5)考察了浆体浓度和固化剂掺量对拜耳法赤泥固化体性能的影响;当浆体浓度为60%,固化剂掺量达到6%时,赤泥固化体28天抗压强度可以达到0.598MPa,内聚力达到162.4KPa,内摩擦角达到29.85°,渗透系数为9.76×10-6cm/s,属于低渗透区域,且水稳性较好,可以满足拜耳法赤泥安全堆存的目的。(6)将原状赤泥与固化体XRD对比分析:固化剂与赤泥浆中的游离碱和部分活性矿物发生水化反应生成水化铝硅酸盐、硅酸钙晶体矿物和大量的非晶态物质;SEM分析结果显示:原状赤泥颗粒表面粗糙,多孔洞,缺陷明显,固化体中的赤泥颗粒通过水化产物的包裹、填充、胶结等作用,使其相互嵌入、咬合成致密的整体,提高固化体强度。赤泥固化的实质是固化剂中的活性铝硅矿物在赤泥碱作用下水化生成的水化硅酸钙、铝硅酸钙和钠沸石等凝胶矿物对赤泥颗粒的胶结。(7)技术经济分析表明:以年产20万吨固化剂生产项目及年处理400万吨拜耳法赤泥为计算标准,通过对生产过程中的设备、原料及加工成本的综合分析,得出拜耳法赤泥固化干堆与传统堆存方式相比具有工艺简单、投资低和原料成本低的优势。


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