一水硬鋁石礦?氫氧化鈉?氫氧化鈣體系在微波場中的物相演變

黎氏瓊春，巨少華，彭金輝，王仕興，周烈興，王應(yīng)蘭

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一水硬鋁石礦?氫氧化鈉?氫氧化鈣體系在微波場中的物相演變

黎氏瓊春1, 2, 3，巨少華1, 2, 3，彭金輝1, 2，王仕興1, 2, 3，周烈興1, 2，王應(yīng)蘭3

(1. 微波能工程應(yīng)用及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明， 650093；2. 云南省特種冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明， 650093；3. 昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院， 云南 昆明， 650093)

將一水硬鋁石礦與Ca(OH)2和過飽和NaOH溶液均勻混合后在微波爐中焙燒。利用X線衍射分析技術(shù)，研究不同實(shí)驗(yàn)因素(微波焙燒溫度、NaOH添加量、Ca(OH)2添加量和保溫時(shí)間)對一水硬鋁石礦?氫氧化鈉?氫氧化鈣體系相變規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：升高微波焙燒溫度、增加NaOH和Ca(OH)2的添加量，延長微波保溫時(shí)間均有利于NaAlO2和Ca2SiO4的形成，從而提高鋁硅分離的效果。但當(dāng)Ca(OH)2添加過量時(shí)反而對熟料的物相結(jié)構(gòu)不利。實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)條件為：NaOH與Al和Fe的物質(zhì)的量比NaOH/(Al+Fe)為1.0，CaO與SiO2的物質(zhì)的量比CaO/SiO2為2.0，微波焙燒溫度為800℃，保溫時(shí)間為20 min。此時(shí)，熟料的結(jié)構(gòu)疏松多孔，浸出效果好。

微波加熱；一水硬鋁石礦；相變；氫氧化鈉；氫氧化鈣

微波加熱是一種新型的加熱方式。傳統(tǒng)加熱技術(shù)中熱能通過輻射、傳導(dǎo)、對流等方式傳遞到物料表面，然后消除溫度梯度使材料內(nèi)部溫度趨于平衡，在整個(gè)過程中傳遞的是熱能。微波加熱技術(shù)與之不同，是通過微波在物料內(nèi)部的能量耗散來直接加熱物料。物料中各材料吸收微波的性質(zhì)和分布情況不同將導(dǎo)致其升溫速率不同，在物料內(nèi)部形成了溫度梯度[1?2]。與常規(guī)的加熱方法相比，微波加熱具有內(nèi)部加熱、快速加熱、選擇性加熱等優(yōu)點(diǎn)[3?4]。由于以上的特點(diǎn)導(dǎo)致微波加熱中物料所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、物料的結(jié)構(gòu)與常規(guī)加熱的有所不同。目前，有關(guān)微波加熱應(yīng)用于礦石處理領(lǐng)域中的研究很多[5?8]，但是，針對復(fù)雜多相體系在微波場中的物相轉(zhuǎn)變和所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的研究不多。中國是鋁土礦資源比較豐富的國家之一，但是中國鋁土礦絕大部分是難處理的一水硬鋁石礦，其結(jié)晶完善、結(jié)構(gòu)致密、鋁硅比范圍為4~7[9?10]。這種低品位的一水硬鋁石礦當(dāng)采用傳統(tǒng)拜耳法處理時(shí)存在溶出條件苛刻 (245~280℃，3.7~6.5 MPa)、高壓釜維修困難、赤泥排放量大、氧化鋁回收率低等問題，因此，不能采用傳統(tǒng)拜耳法處理[11?12]。生產(chǎn)氧化鋁的拜耳?燒結(jié)聯(lián)合法和純燒結(jié)法在中國占有一定的比例。雖然聯(lián)合法和燒結(jié)法處理中、低品位的一水硬鋁石礦具有鋁回收率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于燒結(jié)過程的溫度高(一般為1 200℃以上)、流程復(fù)雜、成本高、污染等問題限制了其應(yīng) 用[13]。中國氧化鋁工業(yè)要與國際競爭，必須采用新技術(shù)、新方法來提高鋁回收率、降低能耗、節(jié)約成本、提高效益。目前，有一些研究通過微波預(yù)處理一水硬鋁石礦后，再用拜耳法溶出處理焙燒礦[14?16]。雖然該方法能有效提高一水硬鋁石礦的浸出效果，但是需采用溶出條件苛刻的拜耳法。前期研究表明，通過一種新型微波加熱方法處理一水硬鋁石礦能夠有效地提鋁脫硅[17?18]。該方法的原理是將一水硬鋁石礦與堿性混合物((Ca(OH)2+過飽和 NaOH 溶液)進(jìn)行混合均勻后在微波爐中焙燒。物料中的含鋁物相與NaOH快速并均勻地發(fā)生反應(yīng)生成易溶于水的鋁酸鈉(NaAlO2)物相，而Si雜質(zhì)與添加的Ca(OH)2反應(yīng)形成不溶于水的硅酸二鈣(Ca2SiO4)物相。與其他研究不同，該方法得到的熟料在常壓、稀堿溶液浸出，從而使鋁硅分離。通過對比鋁土礦?氫氧化鈉體系在微波加熱和常規(guī)加熱過程中獲得熟料的性質(zhì)可知[17?18]：與常規(guī)加熱條件下相比，鋁土礦?NaOH體系在微波加熱過程中NaOH的反應(yīng)活性更高，NaOH能更快速更充分地與一水硬鋁石礦反應(yīng)。因此，微波加熱生成鋁酸鈉NaAlO2物相所需要的溫度比相同條件下的常規(guī)加熱低200 ℃左右。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文作者通過研究不同實(shí)驗(yàn)因素(微波焙燒溫度、NaOH添加量、Ca(OH)2添加量和保溫時(shí)間)下熟料中的物相轉(zhuǎn)變和體系中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以此確定實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)條件，并研究優(yōu)化實(shí)驗(yàn)獲得熟料的微觀結(jié)構(gòu)和浸出效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用的鋁土礦原料為河南省某氧化鋁廠提供的一水硬鋁石礦，其主要化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：A12O3為64.09%，SiO2為11.22%，F(xiàn)e2O3為4.75%，TiO2為3.80%，CaO為0.42%。鋁硅比(即礦石中所含Al2O3與SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比)為5.71。這種鋁土礦是我國比較典型的中低品位一水硬鋁石礦類型。

鋁土礦的XRD分析結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：該礦石主要由結(jié)晶緊密的一水硬鋁石物相組成，這是它難被處理的主要原因。XRD定量分析結(jié)果表明鋁土礦中各物相組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別如下：一水硬鋁石為48.13%，高嶺石為25.80%，白云母為10.13%，石英為3.14%，銳鈦礦為3.51%，赤鐵礦為4.29%，其他為5.00%。

圖1 鋁土礦原料的X線衍射圖

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 生料漿的制備

NaOH飽和溶液按照文獻(xiàn)[17?18]配制，其溶解度為每100 mL水66 g。

將鋁土礦原料干燥后，磨成粒度為150 μm以下的細(xì)粉。為利用水在微波場中的升溫催化作用，避免浪費(fèi)飽和NaOH溶液中的水，采取如下混料方法：將鋁土礦細(xì)粉與一定量的Ca(OH)2粉狀和NaOH固體混合均勻后裝入200 mL陶瓷坩堝。移取一定量的飽和NaOH溶液，倒入坩堝中，混合均勻成泥狀狀態(tài)。

分別研究不同微波焙燒溫度(400，500，600和 800℃)，NaOH添加量(根據(jù)堿比(Na2O)/((Al2O3)+(Fe2O3))，即Na2O與[Al2O3]+[Fe2O3]的物質(zhì)的量比，分別為0.7，0.8，0.9，1.0和1.1)，Ca(OH)2的添加量(根據(jù)質(zhì)量比CaO/bauxite分別為3%，5%，18%和21%)，保溫時(shí)間(5，10，20，30和60 min)對熟料結(jié)構(gòu)的影響。其中CaO/bauxite為18%和21%時(shí)所對應(yīng)naO/SiO2(即鈣比)分別為1.7和2.0。

1.2.2 生料漿的微波焙燒方法

將混合好的生料漿在微波爐中進(jìn)行焙燒，然后對熟料進(jìn)行物相轉(zhuǎn)變分析。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)使用的微波爐由昆明理工大學(xué)非常規(guī)冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制。微波焙燒條件如下：功率為1.0 kW，微波頻率為2.45 GHz，焙燒溫度分別為400, 500, 600和800 ℃，焙燒時(shí)間為20 min。物料在加熱過程中利用熱電偶進(jìn)行測溫。將焙燒后的樣品進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn)，浸出條件如下：浸出母液為NaOH 22.6 g/L+Na2CO38.0 g/L，溶液體積(mL)與添加物料的質(zhì)量(g)之比為15，浸出溫度為80 ℃，浸出時(shí)間為20 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁土礦原料及生料漿的微波加熱性質(zhì)

鋁土礦原料及堿比為1.0、鈣比為2.0條件下配制的生料漿的升溫曲線如圖3所示。由圖3可知：一水硬鋁石礦原料中的鋁礦物、鐵礦物的吸波性能一般，脈石的吸波性能差，導(dǎo)致鋁土礦原料需要74 min才能升到 600 ℃。在溫度為25 ℃、頻率為2 376 MHz條件下，鋁土礦原料的介電損耗僅為0.068 17 F/m，而水的介電損耗為78.360 00 F/m?？梢娝慕殡姄p耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁土礦原料的介電損耗。因此，飽和NaOH溶液中的水分在微波場中起到升溫催化作用，使得生料漿的升溫時(shí)間大大縮短。

生料漿的升溫過程可以大概分成3個(gè)階段：第1階段，從室溫到160℃左右，升溫速率緩慢；第2階段，從160 ℃到500 ℃，溫度急速升高；第3階段，從500 ℃起，升溫速率變得緩慢。

2.2 不同實(shí)驗(yàn)因素對熟料物相結(jié)構(gòu)的影響及所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)

2.2.1 微波焙燒溫度的影響

在堿比為1.0、鈣比為2.0，微波保溫時(shí)間為20 min時(shí)，不同微波焙燒溫度下獲得熟料的XRD結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：在相同的鈣比和堿比條件下，隨著焙燒溫度升高，熟料中NaAlO2和Ca2SiO4物相的峰強(qiáng)度增強(qiáng)。這說明升高微波焙燒溫度有利于NaAlO2和Ca2SiO4的形成，提高鋁硅分離的效果。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

表1 不同生料漿的制備條件

(a) 鋁土礦原料；(b) 堿比為1.0，鈣比為2.0條件下的生料漿

1—一水硬鋁石AlOOH；2—鋁酸鈉NaAlO2；3—硅酸二鈣Ca2SiO4；4—鈦酸鈣CaTiO3；5—石英SiO2；6—鈣鐵榴石Ca3Fe2(SiO4)3；7—鋁酸鉀KAlO2；8—鈣鋁石Ca24Al28O65.8；9—鋁酸鈣Ca3Al2O6。

1) 當(dāng)溫度為400℃時(shí)。鋁土礦中高嶺石、白云母物相已經(jīng)消失，一水硬鋁石物相的峰強(qiáng)度明顯減弱。這說明鋁土礦中高嶺石、白云母和一部分的一水硬鋁石已經(jīng)與NaOH反應(yīng)生成NaAlO2和KAlO2，其反應(yīng)過程如下：

2AlOOH+2NaOH=2NaAlO2+2H2O(g) (1)

Al2Si2O5(OH)4+6NaOH=2NaAlO2+

2Na2SiO3+5H2O(g) (2)

KAl3Si3O10(OH)2+8NaOH=KAlO2+2NaAlO2+

3Na2SiO3+5H2O(g) (3)

2AlOOH+2Ca(OH)2+Na2SiO3=

2NaAlO2+Ca2SiO4+3H2O(g) (4)

另一部分含Al物質(zhì)與Ca(OH)2反應(yīng)生成鈣鋁石Ca24Al28O66和鋁酸鈣Ca3Al2O6新物相，反應(yīng)如下：

2AlOOH+3Ca(OH)2=Ca3Al2O6+4H2O(g) (5)

2AlOOH+12/7Ca(OH)2=

1/14Ca24Al28O66+19/7H2O(g) (6)

SiO2與Ca(OH)2反應(yīng)生成 Ca2SiO4：

SiO2+2Ca(OH)2=Ca2SiO4+2H2O(g) (7)

TiO2與Ca(OH)2反應(yīng)生成CaTiO3物相：

TiO2(A)+Ca(OH)2=CaTiO3+H2O(g) (8)

此外，F(xiàn)e 從原料中的Fe2O3物相轉(zhuǎn)變成鈣鐵榴石 Ca3Fe2Si3O12物相，這說明體系已經(jīng)發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe2O3+2NaOH=Na2Fe2O4+H2O(g) (9)

3SiO2+Na2Fe2O4+3Ca(OH)2=

Ca3Fe2Si3O12+2NaOH+2H2O(g) (10)

2) 當(dāng)溫度分別為500℃和600 ℃時(shí)。500 ℃下熟料的物相結(jié)構(gòu)均與其在400 ℃下的物相結(jié)構(gòu)相似。但是，隨著溫度升高，NaAlO2和Ca2SiO4的峰強(qiáng)度增強(qiáng)，這表明反應(yīng)(1)和(7)的反應(yīng)程度隨著溫度的升高而增強(qiáng)。當(dāng)溫度升高到600 ℃時(shí)，熟料中AlOOH 物相消失。

3) 當(dāng)溫度為800 ℃時(shí)。熟料中Ca24Al28O66和Ca3Al2O6物相均消失。此外，NaAlO2和Ca2SiO4的峰強(qiáng)度增強(qiáng)。這是由于體系發(fā)生了如下反應(yīng)：

Ca3Al2O6+3/2SiO2+2NaOH=

2NaAlO2+3/2Ca2SiO4+H2O(g) (11)

Ca24Al28O65.8+12SiO2+28NaOH=

28NaAlO2+12Ca2SiO4+14H2O(g) (12)

因此，800℃下的熟料中的鋁以NaAlO2和 KAlO2這2種易溶于水的物相存在，其中NaAlO2為主要物相。而熟料中的硅雜質(zhì)以Ca2SiO4，SiO2和 Ca3Fe2(SiO4)3這3種不溶于水的物相存在，其中Ca2SiO4為主要物相。這種熟料的物相結(jié)構(gòu)對浸出過程很有利。

2.2.2 NaOH添加量的影響

在微波焙燒溫度為800℃，保溫時(shí)間為20 min，鈣比為2.0，不同堿比條件下獲得熟料的XRD結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：隨著NaOH添加量增加，NaAlO2物相的峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。這說明增加NaOH的添加量有利于NaAlO2物相的形成。

*—鋁硅酸鈉Na1.75Al1.75Si0.25O4；●—?dú)溲趸cNaOH

1) 當(dāng)堿比為 0.7~0.9時(shí)。熟料中的鋁以NaAlO2，Na1.75Al1.75Si0.25O4，Ca24Al28O66，Ca3Al2O6和Al2O3的物相存在，其中NaAlO2和Al2O3為主要物相。這說明鋁土礦中含鋁物質(zhì)除與NaOH發(fā)生反應(yīng)(如反應(yīng)式(1)~(6))外，有一部分AlOOH已經(jīng)脫水形成Al2O3。

2AlOOH=Al2O3+H2O(g) (13)

這也意味著，堿比為 0.7~0.9的NaOH添加量不足以使得全部AlOOH轉(zhuǎn)化成NaAlO2物相。隨著堿比增大，Al2O3和Na1.75Al1.75Si0.25O4物相的峰強(qiáng)度都減弱，NaAlO2的峰強(qiáng)度增強(qiáng)。這表明提高堿比有利于NaAlO2物相的形成。

2) 當(dāng)堿比為1.0或1.1時(shí)。熟料中沒有Al2O3，Na1.75Al1.75Si0.25O4，Ca24Al28O66和 Ca3Al2O6物相生成。熟料中的鋁都以NaAlO2和KAlO2物相存在，其中NaAlO2為主要物相。

當(dāng)堿比增加到1.1時(shí)，熟料中未參加反應(yīng)的NaOH物相的峰強(qiáng)度還比較高。這說明堿比為1.1時(shí)的NaOH添加量已經(jīng)過量。

因此，NaOH的添加量以堿比為1.0比較合適。

2.2.3 Ca(OH)2添加量的影響

在堿比為1.0，微波焙燒溫度為800℃，保溫時(shí)間為20 min，不同Ca(OH)2添加量條件下獲得熟料的XRD結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：隨著Ca(OH)2添加量增加，Ca2SiO4的峰強(qiáng)度逐漸增大，有利于除硅。

*—石英SiO2；●—硅酸鈣鈉Na2CaSiO4；+ —?dú)溲趸cNaOH

1) 當(dāng)Ca(OH)2添加量少時(shí)(CaO/bauxite為3%或5%)。熟料中的鋁主要以NaAlO2和鋁硅酸鈉Na1.75Al1.75Si0.25O4這2種物相存在。此外，熟料中還有少量鋁硅酸鉀(KAlSiO4，K1.25Al1.25Si0.75O4)物相。這是因?yàn)殇X土礦中含鋁物質(zhì)與NaOH已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

1.75Al2Si2O5(OH)4+9.5NaOH=

2Na1.75Al1.75Si0.25O4+3Na2SiO3+8.25H2O(g) (14)

KAl3Si3O10(OH)2+6NaOH=

KAlSiO4+2NaAlO2+2Na2SiO3+4H2O(g) (15)

1.25KAlSiO4+NaOH=K1.25Al1.25Si0.75O4+

0.5 Na2SiO3+0.5 H2O(g) (16)

由此可見，熟料中NaAlO2和Na1.75Al1.75Si0.25O4物相的峰強(qiáng)度很高，而Ca2SiO4的峰強(qiáng)度很低。這是因?yàn)楫?dāng)堿比高、鈣比低時(shí)，一水硬鋁石的NaOH反應(yīng)活化能低，而硅酸鈣生成的活化能大。因而，在反應(yīng)初始，Ca2SiO4生成速率小于NaAlO2和Na1.75Al1.75Si0.25O4的生成速率。Na1.75Al1.75Si0.25O4物相在溶出過程中會使少量Si雜質(zhì)進(jìn)入到浸出液中，從而影響鋁硅分離的效果。隨著Ca(OH)2添加量的增加，Na1.75Al1.75Si0.25O4物相的峰強(qiáng)度減弱。

熟料中的硅雜質(zhì)以易溶于水的Na2SiO3物相和不溶性的Ca2SiO4、硅酸鈣鈉物相 (Na4Ca4Si6O18和Na2CaSiO4)存在，其中Na2SiO3為主要物相。此類熟料在浸出后不但有大量的硅雜質(zhì)進(jìn)入溶液中，使得鋁硅分離困難，而且還會造成堿的損失。此時(shí)，體系中Si雜質(zhì)主要發(fā)生的反應(yīng)如下：

2NaOH+SiO2=Na2SiO3+H2O(g) (17)

當(dāng)CaO/bauxite為3%時(shí)，

4NaOH+6SiO2+4Ca(OH)2=

Na4Ca4Si6O18+3H2O(g) (18)

當(dāng)CaO/bauxite為5%時(shí)，

2NaOH+SiO2+Ca(OH)2=Na2CaSiO4+H2O(g) (19)

Ti以CaTiO3物相存在；Fe從原料中的Fe2O3物相轉(zhuǎn)變成 NaFeO2物相：

Fe2O3+2NaOH=2NaFeO2+H2O(g) (20)

2) 當(dāng)Ca(OH)2添加量多時(shí)(CaO/bauxite為18%，21% 或25%)。熟料中的鋁硅酸鈉Na1.75Al1.75Si0.25O4和鋁硅酸鉀(KAlSiO4，K1.25Al1.25Si0.75O4)物相都不會形成，此時(shí)，熟料中的鋁都以NaAlO2和KAlO2物相存在，其中NaAlO2為主要物相。

隨著Ca(OH)2添加量的增加，Ca2SiO4生成的活化能降低，體系中生成的Ca2SiO4越來越多，Ca2SiO4的峰強(qiáng)度增強(qiáng)。

當(dāng)CaO/bauxite從18%增加到21%，即鈣比從1.7增加到2.0時(shí)，NaAlO2和Ca2SiO4的峰強(qiáng)度均增強(qiáng)。這是因?yàn)楫?dāng)CaO/bauxite為21%時(shí)，體系達(dá)到飽和配料比(即堿比為1.0、鈣比為2.0)，這是最利于生成NaAlO2和Ca2SiO4物相的配料比。

當(dāng)CaO/bauxite為25%時(shí)，雖然Ca2SiO4的峰強(qiáng)度升高，但是NaAlO2的峰強(qiáng)度降低，且熟料中還出現(xiàn)CaO和Al2O3這2種新物相。這表明Ca(OH)2添加過量將會導(dǎo)致Ca(OH)2和AlOOH發(fā)生分解反應(yīng)，如反應(yīng)式(13)和(21)所示。因此，添加Ca(OH)2過量反而會降低鋁的浸出效果。

Ca(OH)2=CaO+H2O(g) (21)

從以上分析結(jié)果可知本實(shí)驗(yàn)的Ca(OH)2添加量以CaO/bauxite為21%，即鈣比為2.0最合適。

2.2.4 保溫時(shí)間的影響

在微波焙燒溫度為800℃、堿比為1.0、鈣比為2.0，不同保溫時(shí)間條件下獲得熟料的XRD結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：隨著微波保溫時(shí)間的延長，NaAlO2和Ca2SiO4的峰強(qiáng)度增強(qiáng)。這說明延長保溫時(shí)間使得體系中的物質(zhì)反應(yīng)更充分。

●—?dú)溲趸cNaOH；*—?dú)溲趸}Ca(OH)2

1) 當(dāng)焙燒時(shí)間為5 min或10 min時(shí)。熟料中存在未完全反應(yīng)的AlOOH，Ca(OH)2和NaOH物相，還有新生成的CaO和Al2O3物相。這表明體系中有一部分AlOOH和Ca(OH)2已經(jīng)發(fā)生分解反應(yīng)(見反應(yīng)式(13)和(21))。隨著焙燒時(shí)間延長，這些物相的峰強(qiáng)度都減弱，同時(shí)NaAlO2和CaSiO4物相增強(qiáng)。

2) 當(dāng)焙燒時(shí)間分別延長至20，30或60 min時(shí)。熟料中的Al2O3，CaO和未反應(yīng)的AlOOH物相消失。隨著焙燒時(shí)間延長，NaAlO2和CaSiO4的峰強(qiáng)度稍微增強(qiáng)。這說明當(dāng)保溫時(shí)間足夠長時(shí)，Al2O3和AlOOH均已經(jīng)完全與NaOH發(fā)生反應(yīng)生成NaAlO2物相，而CaO，Ca(OH)2與SiO2反應(yīng)生成Ca2SiO4物相。

由此可見，焙燒時(shí)間不足，熟料有關(guān)反應(yīng)不能達(dá)到平衡，熟料中存在不溶性的Al2O3和AlOOH等物相，造成鋁損失。反應(yīng)時(shí)間越長，反應(yīng)越充分，熟料中不溶性的Al2O3和AlOOH等物相消失；熟料中的鋁均以易溶于水的NaAlO2和KAlO2物相存在，鋁的溶出率升高。

當(dāng)保溫溫度為30 min或60 min時(shí)熟料的物相結(jié)構(gòu)與20 min時(shí)的相差不大?？紤]到能耗問題，選擇焙燒時(shí)間為20 min 較合適。

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件獲得產(chǎn)物的表征及溶出效果

以上XRD結(jié)果表明，最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：NaOH添加量根據(jù)NaOH/(Al+Fe)為1.0，Ca(OH)2的添加量根據(jù)CaO/SiO2為2.0，微波功率為1.0 kW，微波焙燒溫度為800 ℃，保溫時(shí)間為20 min。

此時(shí)，熟料中的Al均以易溶于水的NaAlO2和 KAlO2物相存在，其中NaAlO2為主要物相。 Fe 和Ti分別以 Ca3Fe2(SiO4)3和 CaTiO3物相存在。在熟料中的Si主要以不溶于水的Ca2SiO4和Ca3Fe2(SiO4)3物相存在，其中Ca2SiO4為主要物相。

將優(yōu)化實(shí)驗(yàn)獲得的熟料進(jìn)行XRD定量分析，其物相含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為：NaAlO2為60.74%，Ca2SiO4為16.35%，CaTiO3為2.85%，SiO2為1.31%，KAlO2為1.26%，Ca3Fe2(SiO4)3為11.16%，NaOH為1.33%，其他為5.00%。這種熟料可通過浸出過程進(jìn)行鋁硅分離。

將優(yōu)化實(shí)驗(yàn)獲得熟料進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：熟料結(jié)構(gòu)疏松和均勻，其表面和內(nèi)部都形成很多孔隙和微裂痕，利于浸出。

將該熟料在稀堿性溶液(22.6 g/L NaOH+8.0 g/L Na2CO3)中于80℃浸出20 min后，獲得Al，Na和Si的浸出率分別達(dá)到96.68%，98.20% 和7.05%?？梢?，本文方法獲得的熟料的浸出效果好，鋁和鈉的浸出率高，Si雜質(zhì)進(jìn)入溶液少。

(a) 放大220倍；(b) 放大1 000倍

3 結(jié)論

1) 升高微波溫度、增加NaOH和Ca(OH)2的添加量，延長微波保溫時(shí)間都有利于NaAlO2和Ca2SiO4的形成。

2) 當(dāng)Ca(OH)2的添加量超過鈣比為2.0時(shí)，反而對熟料的物相結(jié)構(gòu)不利，導(dǎo)致鋁硅分離過程變得困難。

3) 實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)條件為：NaOH與Al與Fe的物質(zhì)的量比即NaOH/(Al+Fe)為1.0，CaO與SiO2的物質(zhì)的量比CaO/SiO2為2.0，焙燒溫度為800 ℃，微波功率為1.0 kW，保溫時(shí)間為20 min。

4) 最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下獲得熟料的結(jié)構(gòu)疏松多孔。熟料中Al，Na和Si的浸出率分別達(dá)到96.68%，98.2% 和7.05%。

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(編輯 伍錦花)

Phase transformation of the diasporic bauxite-sodiumhydroxide-calcium hydroxide system in microwave heating

LE Thiquynhxuan1, 2, 3, JU Shaohua1, 2, 3, PENG Jinhui1, 2,WANG Shixing1, 2, 3, ZHOU Liexing1, 2, WANG Yinglan3

(1. National Local Joint Laboratory of Engineering Application ofMicrowave Energy and Equipment Technology, Kunming 650093, China;2. Yunnan Provincial Key Laboratory of Intensification Metallurgy, Kunming 650093, China;3. Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

A slurry mixture of diasporic bauxite and alkaline (Ca(OH)2+supersaturated NaOH solution) was roasted with microwave energy. The effects of operation parameters, such as microwave roasting temperature, NaOH amount, Ca(OH)2amount and holding time on the phase transformation of the diasporic bauxite-NaOH-Ca(OH)2system were investigated by X-ray diffraction analysis. The results show that increasing the microwave roasting temperature and the amounts of NaOH or Ca(OH)2, and prolonging the holding time are all favorable for the form of NaAlO2and Ca2SiO4, and will likely improve the separating effect of aluminum?silicate minerals. However, the excess amount of Ca(OH)2is detrimental to the phase constitution of the roasted product. The optimum conditions are obtained as follows: mole ratioNaOH/(Al+Fe) is 1.0;CaO/SiO2is 2.0; microwave roasting temperature is 800℃ and holding time is 20 min. Theroasted product obtained at the optimum conditions is porous, and its leaching effect is good.

microwave heating; diasporic bauxite; phase transformation; sodium hydroxide; calcium hydroxide

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.003

TF862. 5；TF046. 2

A

1672?7207(2017)12?3152?08

2017?01?18；

2017?03?03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51264022)；2015年度云南省博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)資助項(xiàng)目(2015)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015FA017)(Project(51264022) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015) supported by the 2015 PhD Newcomer Award in Yunnan Province; Project(2015FA017) supported by Applied Basic Research Program of Yunnan Province)

巨少華，博士，教授，從事微波冶金研究；E-mail：shj_200801@126.com