某三水鋁石型鋁土礦溶出試驗(yàn)研究①

范志平，雷占昌，費(fèi)發(fā)源，蔣常菊

（青海省核工業(yè)檢測(cè)試驗(yàn)中心，青海 西寧 810003）

我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量居全球第一，對(duì)鋁土礦的需求量巨大。國(guó)產(chǎn)鋁土礦大多為一水硬鋁石型，部分地區(qū)為高鐵型［1-7］。我國(guó)鋁土礦資源不夠豐富，每年需要從幾內(nèi)亞等國(guó)家及地區(qū)進(jìn)口大量鋁土礦石［8］。進(jìn)口鋁土礦品質(zhì)較好，多為三水鋁石型。目前，國(guó)內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)廠大多采用高溫拜耳法等工藝［9-10］。三水鋁石型鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁一般采用低溫拜耳法工藝［11］。溶出是氧化鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟［12］，而礦石溶出性能是影響氧化鋁生產(chǎn)的重要因素［13-16］。本文研究某東南亞進(jìn)口三水鋁石型鋁土礦的溶出行為，對(duì)工業(yè)氧化鋁的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用礦石為某氧化鋁廠從東南亞進(jìn)口的三水鋁石型鋁土礦，其礦石組成如表1所示。礦石氧化鋁含量高，達(dá)49.50%，二氧化硅含量低，僅4.07%，鋁硅比為12.16。礦石中氧化鐵含量高，為18.12%，鋁鐵比為2.73。此外，礦石還含有少量二氧化鈦和微量氧化鈣。

表1 三水鋁石型鋁土礦組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 試驗(yàn)原理

三水鋁石型鋁土礦與氫氧化鈉發(fā)生如下反應(yīng)：

礦石中的二氧化硅與氫氧化鈉發(fā)生如下反應(yīng)：

若添加石灰，則會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

溶出反應(yīng)在帶四氟內(nèi)膽的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行。將一定質(zhì)量的鋁土礦和一定體積的氫氧化鈉溶液加入反應(yīng)釜中。將反應(yīng)釜固定在均相反應(yīng)器的支架上，開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)加熱按鈕。當(dāng)溫度升至試驗(yàn)溫度后，開(kāi)始記錄溶出反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜從固定支架上取下，在水中冷卻30 min，過(guò)濾得到溶出液，赤泥用熱水洗滌后干燥，分析赤泥組成。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（6300，賽默飛）測(cè)定溶出液中鋁和硅的含量。采用X射線熒光光譜儀測(cè)定鋁土礦及赤泥組成。

溶出過(guò)程中，礦石中的氧化鐵幾乎不溶出，因此試驗(yàn)中根據(jù)鋁鐵比（A／F，氧化鋁和氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比）來(lái)計(jì)算氧化鋁的溶出率W（%）：

式中（A／F）泥和（A／F）礦分別為赤泥和鋁土礦的鋁鐵比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溶出溫度對(duì)鋁土礦溶出的影響

堿濃度100 g／L、溶出時(shí)間120 min條件下，溶出溫度對(duì)鋁土礦溶出性能的影響如圖1所示。從圖1（a）可見(jiàn)，溫度從100℃升高至140℃，氧化鋁溶出率從42.0%增大到85.9%；140～180℃范圍內(nèi)，氧化鋁溶出率維持在86.0%左右。從圖1（b）可見(jiàn)，溶出溫度從100℃升高至140℃，溶出液分子比從0.73增大到1.15；140～180℃范圍內(nèi)，溶出液分子比基本維持在1.15～1.17之間。綜上，選擇溶出溫度為140℃。

圖1 溶出溫度對(duì)鋁土礦溶出性能的影響

2.2 堿濃度對(duì)鋁土礦溶出的影響

溶出溫度140℃，溶出時(shí)間120 min，堿濃度對(duì)鋁土礦溶出性能的影響如表2所示。由表2可知，堿濃度從80 g／L增大到100 g／L，溶出液分子比從1.004升高至1.028，氧化鋁溶出率從80.1%升高至85.3%；堿濃度繼續(xù)增大到180 g／L時(shí)，溶出液分子比從1.028略微升高至1.034，氧化鋁溶出率從85.3%略微增大到85.6%。

表2 不同堿濃度下的溶出液分子比與氧化鋁溶出率

由式（2）知，溶出過(guò)程中，硅與堿液發(fā)生反應(yīng)，而硅含量升高會(huì)降低氫氧化鋁產(chǎn)品品質(zhì)。硅量指數(shù)是指溶出液中氧化鋁與氧化硅的質(zhì)量濃度之比。硅量指數(shù)越高，說(shuō)明溶出效果越好。溶出液硅量指數(shù)隨堿濃度的變化曲線見(jiàn)圖2。堿濃度從80 g／L增大到100 g／L，硅量指數(shù)從223.3增大至235.3，這是氧化鋁質(zhì)量濃度升高造成的。堿濃度繼續(xù)增大到180 g／L時(shí)，硅量指數(shù)下降至148.6，這是溶出液中硅含量升高造成的。綜上，選擇堿濃度為100 g／L。

圖2 溶出液硅量指數(shù)隨堿濃度的變化曲線

2.3 溶出時(shí)間對(duì)鋁土礦溶出的影響

溶出溫度140℃，堿濃度100 g／L，溶出時(shí)間對(duì)鋁土礦溶出率和溶出液硅量指數(shù)的影響如圖3和圖4所示。由圖3可知，溶出時(shí)間10 min時(shí)，氧化鋁溶出率為78.5%；溶出時(shí)間20 min時(shí)，溶出率增大到85.6%；20～180 min范圍內(nèi)，氧化鋁溶出率基本維持在85.6%～86.2%之間。由圖3可知，鋁土礦中氧化鋁的溶出反應(yīng)非常迅速。由圖4可知，溶出20 min時(shí)，硅量指數(shù)較低；反應(yīng)進(jìn)行60 min后，硅量指數(shù)變化不明顯。因此，選擇溶出時(shí)間為60 min。

圖3 氧化鋁溶出率隨溶出時(shí)間的變化

圖4 溶出液硅量指數(shù)隨溶出時(shí)間的變化

2.4 添加石灰對(duì)鋁土礦溶出的影響

工業(yè)上，在溶出過(guò)程中需要添加石灰以改進(jìn)溶出效果［17］。溶出溫度140℃，堿濃度100 g／L，溶出時(shí)間60 min，石灰添加量對(duì)鋁土礦溶出性能的影響如圖5、圖6和表3所示。由圖5可知，添加石灰后，赤泥鋁硅比增大；由圖6和表3可知，石灰添加量從0增大到3%，溶出液硅量指數(shù)從144.0降到128.3，氧化鋁溶出率從85.9%降低到83.0%。這說(shuō)明，添加石灰不利于該三水鋁石型鋁土礦的溶出。因此，在溶出過(guò)程中，不需要添加石灰，這對(duì)于減少赤泥產(chǎn)量具有積極意義。

圖5 石灰添加量對(duì)赤泥鋁硅比的影響

圖6 石灰添加量對(duì)溶出液硅量指數(shù)的影響

表3 不同石灰添加量時(shí)氧化鋁溶出率

2.5 優(yōu)化條件試驗(yàn)及物相分析

在溶出溫度140℃、堿濃度100 g／L、溶出時(shí)間60 min的優(yōu)化條件下進(jìn)行溶出試驗(yàn)，此時(shí)氧化鋁溶出率達(dá)87.91%。對(duì)鋁土礦原料和溶出后赤泥進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7～8可知，三水鋁石型鋁土礦的組成物相主要為三水鋁石、石英、氧化鐵以及鈦酸鈣；赤泥的主要組成物相為方鈉石（Na2O·Al2O3·SiO2·nH2O）和氧化鐵，且方鈉石特征峰強(qiáng)度低于氧化鐵特征峰強(qiáng)度，說(shuō)明赤泥中氧化鐵含量高。赤泥物相圖中未發(fā)現(xiàn)三水鋁石特征峰，說(shuō)明礦石中的氧化鋁已基本被溶出。赤泥組成如表4所示。赤泥中氧化鐵含量達(dá)48.72%，赤泥鋁硅比和鋁鐵比分別為1.58和0.33。

圖7 三水鋁石型鋁土礦物相分析結(jié)果

圖8 赤泥物相分析結(jié)果

表4 赤泥組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3 結(jié) 論

1）在溶出溫度140℃、堿濃度100 g／L、溶出時(shí)間60 min的優(yōu)化條件下，氧化鋁溶出率達(dá)87.91%。

2）添加石灰，溶出效果變差，說(shuō)明該三水鋁石型鋁土礦的溶出不需要添加石灰，這有利于減少赤泥產(chǎn)量。

3）赤泥主要由方鈉石和氧化鐵組成，赤泥中氧化鐵含量高達(dá)48.72%，赤泥鋁硅比和鋁鐵比分別為1.58和0.33。