鋁酸鈉溶液精制過(guò)程中助濾劑的研究

韓 威，梁 艷

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東 龍口 265713）

在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝中，最終氧化鋁產(chǎn)品中雜質(zhì)SiO2的主要來(lái)源之一就是控制過(guò)濾后進(jìn)入鋁酸鈉精液中的硅，為了保證產(chǎn)品中的SiO2含量不超標(biāo)，既要控制鋁酸鈉溶液的硅量指數(shù)，還要盡可能的脫除精制過(guò)程中的固體浮游物。目前國(guó)內(nèi)氧化鋁廠通常采用鋁酸鈉溶液與石灰乳反應(yīng)后生成的固體顆粒作為助濾劑，加入到溶液中能夠很好地脫除浮游物，同時(shí)提高立式葉濾機(jī)的過(guò)濾效率和產(chǎn)能。

1 助濾劑的工作原理

在使用立式葉濾機(jī)進(jìn)行鋁酸鈉溶液精制過(guò)程中，由于溶液中存在殘留的絮凝劑會(huì)吸附在葉濾機(jī)濾布上，從而使葉濾機(jī)的運(yùn)行壓力升高，效率下降；同時(shí)細(xì)小的固體顆粒會(huì)穿過(guò)或堵塞濾布的空隙，造成鋁酸鈉精液浮游物升高、過(guò)濾效果差，進(jìn)而會(huì)影響氧化鋁產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了保證葉濾機(jī)的過(guò)濾性能，產(chǎn)出符合后續(xù)工藝要求的鋁酸鈉精液。國(guó)內(nèi)外氧化鋁廠普遍采用的是在粗液精制的過(guò)程中添加助濾劑，方法為向鋁酸鈉溶液與石灰乳反應(yīng)制備[1]，生成具有助濾效果的水和鋁酸三鈣，其主要的的化學(xué)反應(yīng)如下：

3CaO+2NaAlO2+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

3Ca(OH)2+2NaAlO2+4H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

以上化學(xué)反應(yīng)是可逆的，如果反應(yīng)條件發(fā)生改變，鋁酸三鈣晶體結(jié)構(gòu)，顆粒大小及其他性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化。反應(yīng)生成物中的水和鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3·6H2O）是一種多孔、疏松的固體顆粒，吸附在葉濾機(jī)的濾布上既可以改善濾餅的疏松程度，減少過(guò)濾過(guò)程中的阻力，同時(shí)在卸泥的過(guò)程中，濾餅的脫落也比較容易，最終能提高葉濾機(jī)的生產(chǎn)能力。

2 過(guò)濾的機(jī)理

鋁酸鈉溶液粗液的精濾過(guò)程中，濾餅的形成是由赤泥沉降槽溢流粗液中少量的固體顆粒浮游物在液體流動(dòng)的作用下吸附在葉濾機(jī)的濾布表面形成的一層泥層[2]；生成的濾餅在一定壓力的作用可以進(jìn)行壓縮，過(guò)濾時(shí)間與過(guò)濾面積、過(guò)濾壓力等因素的關(guān)系用經(jīng)驗(yàn)公式表示如下：

其中：t:過(guò)濾時(shí)間，s；V:濾液體積，m3；μ:濾液粘度，Pa·s；W:單位體積濾液中濾餅的質(zhì)量，kg/m3；ΔP:過(guò)濾壓力，Pa；A:過(guò)濾面積，m2；Rs:濾液阻力，1/m ；Rc:濾餅阻力，m/kg。

3 制備助濾劑的影響因素

助濾劑的制備過(guò)程中，由于反應(yīng)的復(fù)雜性，影響因素的多樣性，在通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)和氧化鋁工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累分析，得出影響助濾劑制備的主要因素有以下幾個(gè)方面。

3.1 石灰的質(zhì)量

在鋁酸鈉溶液和石灰乳反應(yīng)制備助濾劑前，良好的石灰乳是制備的必要條件。大多數(shù)氧化鋁廠都是通過(guò)采購(gòu)石灰在工廠內(nèi)部進(jìn)行石灰消化制備石灰乳，其中原材料石灰的質(zhì)量就顯得至關(guān)重要。石灰的質(zhì)量在很大程度上取決于石灰石的化學(xué)成分和石灰石煅燒的條件，其中煅燒過(guò)程中窯爐溫度、反應(yīng)停留時(shí)間以及窯爐內(nèi)二氧化碳的含量等因素都將影響石灰的質(zhì)量。通常來(lái)說(shuō)，活性越強(qiáng)的石灰比表面積越大，更加有利于生成效果好的助濾劑。

3.2 石灰乳的制備

生產(chǎn)上通常使用回轉(zhuǎn)化灰機(jī)中進(jìn)行石灰乳的制備，通過(guò)向化灰機(jī)中添加熱水對(duì)石灰即CaO進(jìn)行乳化，通常需要CaOf含量在180g/L左右。根據(jù)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，石灰消化溫度對(duì)助濾劑組成至關(guān)重要，直接影響助濾劑的粒度。當(dāng)石灰消化的溫度超過(guò)70℃時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致助濾劑的固體顆粒的尺寸變小，從而降低過(guò)濾的效率。

根據(jù)相關(guān)熱力學(xué)及強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)的知識(shí)，石灰乳的制備條件為：消化溫度不高于75℃；石灰乳化反應(yīng)時(shí)間需要5-10分鐘，且伴隨不停地?cái)嚢瑁还腆w濃度保持在100-150 g/L之間，在相同的消化溫度下，過(guò)量的水用于消化會(huì)導(dǎo)致更小的顆粒；含有500mg/l以上硫酸鹽或亞硫酸鹽的水不適宜用于石灰消化。

3.3 助濾劑的制備

助濾劑晶體吸附在濾布上形成了具有高孔隙率的濾層；晶體的形狀和粒度分布共同決定了過(guò)濾速度。由于生成助濾劑的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，且反應(yīng)過(guò)程中有眾多因素的影響，現(xiàn)逐一分析制備條件對(duì)助濾劑助濾效果的影響。

（1）CaO/Al2O3的配比對(duì)助濾劑的影響.由于3CaO+2NaAlO 2+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH為可逆反應(yīng)，根據(jù)助濾劑的化學(xué)分子式3CaO·Al2O3·6H2O判斷，當(dāng)CaO/Al2O3的配比在3左右時(shí)，生產(chǎn)的主要產(chǎn)物為水和鋁酸三鈣；同時(shí)通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證，當(dāng)CaO/Al2O3的配比在2～3之間時(shí)，助濾劑的助濾效果最佳。

（2）堿濃度對(duì)助濾劑的影響.據(jù)相關(guān)資料，苛化反應(yīng)在較低的堿濃度下易于發(fā)生。本次堿度實(shí)驗(yàn)，是在控制反應(yīng)時(shí)間、溫度及CaO/Al2O3的配比不變的情況下進(jìn)行。圖1顯示出過(guò)濾指數(shù)隨著堿濃度的增加而提高。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)也表現(xiàn)出粒度與和過(guò)濾指數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)堿濃度升高時(shí)，則中值粒徑提高。在鋁酸鈉溶液和石灰乳的反應(yīng)過(guò)程中，鋁酸三鈣更易于在較高的堿濃度現(xiàn)生成，同時(shí)粒度也有所增大。

圖1 過(guò)濾指數(shù)與堿濃度的關(guān)系

（3）溫度對(duì)助濾劑的影響.反應(yīng)溫度是化學(xué)反應(yīng)的重要影響因素，在生產(chǎn)較低阻力的助濾劑的反應(yīng)中也不例外。在較高的溫度下，根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)，碳酸鹽更加容易轉(zhuǎn)化為過(guò)濾效果好的鋁酸三鈣，這提高了過(guò)濾效率[3]。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)總結(jié)積累，要產(chǎn)生高度結(jié)晶的助濾劑，至少需要達(dá)到95℃（圖2）。助濾劑的粒度隨溫度的升高而增大。助濾劑粒徑較小可能是由于石灰消化溫度較高，或鋁酸三鈣顆粒生長(zhǎng)不足所致；顆粒越粗的助濾劑過(guò)濾速度越快，一些細(xì)小的顆粒會(huì)對(duì)過(guò)濾速度產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖2 過(guò)濾指數(shù)與反應(yīng)溫度的關(guān)系

（4）反應(yīng)時(shí)間的影響.往石灰乳槽按一定比列添加粗液或者精液，并停留存放一段時(shí)間，使反應(yīng)能夠充分的進(jìn)行有助于提高葉濾機(jī)的產(chǎn)能。碳酸鹽鋁完全轉(zhuǎn)化為化學(xué)穩(wěn)定的鋁酸三鈣至少需要2小時(shí)。綜合以上因素，助濾劑的制備需要在單獨(dú)的反應(yīng)槽中進(jìn)行，保證反應(yīng)的時(shí)間不低于2小時(shí)，以便鋁酸三鈣能夠更好的成型，反應(yīng)溫度不低于95℃，同時(shí)當(dāng)反應(yīng)槽中的固體含量在20～50g/L時(shí)，助濾的效果最佳。

4 助濾劑的脫硅作用

石灰乳與鋁酸鈉溶液反應(yīng)主要是生成助濾劑，但石灰乳還有其附加脫硅的作用，提高鋁酸鈉精液的硅量指數(shù)，因?yàn)槭胰楹弯X酸鈉溶液中的鋁硅酸鈉反應(yīng)生成水化石榴石，其作為助濾劑的一部分，最終作為卸泥濾餅送往沉降赤泥系統(tǒng)而排出，在一定程度上降低了鋁酸鈉溶液中的SiO含量。從而降低了在分解工藝中硅的析出，減少最終氧化鋁產(chǎn)品的雜質(zhì)硅含量，提高氧化鋁的質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了在氧化鋁生產(chǎn)的粗液精制過(guò)程中，添加助濾劑來(lái)提升立式葉濾機(jī)的過(guò)濾效率，提高產(chǎn)能；分析石灰乳與鋁酸鈉溶液的反應(yīng)生成助濾劑的原理，以及在制備助濾劑中石灰的質(zhì)量、石灰乳的制備及助濾劑制備過(guò)程中的各項(xiàng)影響因素，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析和生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，得出石灰乳制備及助濾劑制備的條件，制成粒度最優(yōu)，過(guò)濾效果最好的助濾劑。保證過(guò)濾效果，提高過(guò)濾效率，同時(shí)可以降低鋁酸鈉溶液中硅的含量，為氧化鋁的產(chǎn)品質(zhì)量提供保證。