賴 浚，崔 濤，和曉才，袁 野，柯 浪，徐俊毅，徐慶鑫

（昆明冶金研究院，云南 昆明 650031）

高純氧化鋁的純度通常大于99．99%且顆粒均勻粒度超細(xì)，因其具有純度高、粒度均勻細(xì)小、比表面積大、熔點(diǎn)高（2 015℃）、硬度大、強(qiáng)度高及熱穩(wěn)定好等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用在航空航天、探測、醫(yī)學(xué)、電子、通信等諸多高尖端科技領(lǐng)域［1－5］。目前，制備高純氧化鋁的主流技術(shù)有硫酸鋁銨熱解法、碳酸鋁銨熱解法、醇鹽水解法、直接水解法等，但這些方法均存在工藝復(fù)雜、成本較高等問題［2－5］；同時(shí)，制備過程中，Na、Si、Fe、Ca等各類雜質(zhì)元素的存在也會影響氧化鋁的質(zhì)量：因此，研究如何有效去除高純氧化鋁制備原料中的雜質(zhì)具有重要意義［3］。

雜質(zhì)硅和鐵的有效脫除在制備高純氧化鋁過程中非常重要。試驗(yàn)研究了堿法生產(chǎn)高純氧化鋁過程中鋁酸鈉溶液所含雜質(zhì)硅、鐵的深度脫除，分別考察了CaO加入量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對鋁酸鈉溶液中硅、鐵脫除率及鋁損失率的影響。

1 試驗(yàn)部分

1．1 試驗(yàn)原理

鋁酸鈉溶液脫硅通常以 CaO 為脫硅劑［6－7］，在鋁酸鈉溶液中添加CaO，CaO會先與水反應(yīng)生成Ca（OH）2，Ca（OH）2再與鋁酸鈉反應(yīng)生成水合鋁酸鈣（即鋁酸三鈣）C3AH6，而溶液中的硅酸根離子與C3AH6反應(yīng)生成更難溶于水的水化石榴石（C3ASixH6－2x），生成的水化石榴石會包裹在C3AH6表層形成沉淀析出，從而達(dá)到脫硅的目的［8－10］。其中，CaO與水反應(yīng)生成氫氧化鈣時(shí)是放熱的，產(chǎn)生的熱有利于脫硅反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)可生成多種活性離子。這些活性離子的生成有利于水化石榴石的生成，因此能夠達(dá)到深度脫硅之目的。脫硅反應(yīng)如下：

其中，SiO2在脫硅產(chǎn)物3CaO·A12O3·xSiO2·（6－2x）H2O中的飽和系數(shù)以x表示（通常x為0．1～0．2）。

CaO與鋁酸鈉溶液反應(yīng)生成水化石榴石的總化學(xué)反應(yīng)為

同時(shí)，當(dāng)溶液中有雜質(zhì)鐵存在時(shí)，添加CaO后，鐵能夠部分取代水化石榴石中的鋁生成鐵鋁水化石榴石3CaO·（A1，F(xiàn)e）2O3·xSiO2·（6－2x）H2O，從而有較好的除鐵效果［11－13］。

1．2 試驗(yàn)原料與設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備主要有恒溫水浴鍋和電子攪拌器，所用鋁酸鈉溶液是用某鋁廠生產(chǎn)的鋁板經(jīng)氫氧化鈉溶解而得，其成分見表1。

表1 鋁酸鈉溶液成分 mg／L

1．3 試驗(yàn)方法

每次試驗(yàn)取300mL NaAlO2溶液，倒入置于恒溫水浴鍋中的塑料燒杯中，在一定溫度下加入一定量CaO，反應(yīng)一定時(shí)間后過濾，濾渣用少量開水洗滌，濾液計(jì)量體積后分析其中鐵、硅質(zhì)量濃度。試驗(yàn)過程中，控制脫雜前、后溶液體積不變。

鋁酸鈉溶液中Fe、Si脫除率計(jì)算公式［13］為：

式中：ρ1（Fe）、ρ2（Fe）為脫雜前、后鋁酸鈉溶液中Fe的質(zhì)量濃度，mg／L；ρ1（Si）、ρ2（Si）為脫雜前、后鋁酸鈉溶液中Si的質(zhì)量濃度，mg／L。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 CaO加入量對硅、鐵脫除率的影響

NaAlO2溶液體積300mL，反應(yīng)溫度65～70℃，反應(yīng)時(shí)間2h，不同CaO用量對溶液中Si、Fe脫除率的影響試驗(yàn)結(jié)果見表2。可以看出，反應(yīng)溫度在65～70℃范圍內(nèi)，NaAlO2溶液中加入適量CaO，能夠有效脫除溶液中的雜質(zhì)硅和鐵，其中，硅脫除率隨CaO加入量增加而增大［12］，鐵脫除率隨CaO加入量增加先增大后緩慢減小。硅、鐵脫除率隨CaO加入量增加而增大，主要是基于脫硅、脫鐵反應(yīng)中，CaO是主要反應(yīng)物，增大反應(yīng)物的量有利于促進(jìn)反應(yīng)向生成水化石榴石及鐵鋁水化石榴石方向進(jìn)行。鐵脫除率在CaO加入量為4g／L以后緩慢減小則主要與少量鐵渣的溶解有關(guān)［13］。

CaO加入量為8g／L時(shí)，Si、Fe脫除率已分別達(dá)98．52%、91．16%，脫雜后液中雜質(zhì)Si質(zhì)量濃度低于0．66mg／L，雜質(zhì)鐵質(zhì)量濃度約為1．97 mg／L，均達(dá)預(yù)期目標(biāo)。所以，綜合成本及原料實(shí)際使用率等因素，確定CaO加入量以8g／L為宜。

表2 CaO用量對硅、鐵脫除率的影響

2．2 反應(yīng)溫度對硅、鐵脫除率的影響

NaAlO2溶液體積300mL，反應(yīng)時(shí)間2h，CaO質(zhì)量濃度為8g／L，反應(yīng)溫度對鋁酸鈉溶液脫硅、鐵的影響試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)溫度對硅、鐵脫除率的影響

從表3看出：鋁酸鈉溶液中雜質(zhì)Si、Fe的脫除效果均隨反應(yīng)溫度升高而提高；反應(yīng)溫度升高至70～75℃范圍時(shí)，脫硅率達(dá)98．88%，脫鐵率達(dá)96．42%，脫雜后液中殘余硅質(zhì)量濃度降至0．5 mg／L以下，鐵質(zhì)量濃度降至0．8mg／L。這主要是因?yàn)殇X酸鈉溶液中Ca（OH）2與鋁及雜質(zhì)硅、鐵發(fā)生的生成復(fù)合沉淀物水化石榴石和鐵鋁水化石榴石的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以升高溫度有利于鋁酸鈉溶液中雜質(zhì)硅、鐵的脫除，如反應(yīng)（2）、（3）所示［8－10，14－15］；同時(shí)，溫度越高，溶液中離子的遷移速度越快，因而有利于加快水化石榴石和鐵鋁水化石榴石的生成；但溫度高于75℃后，溫度不再是影響脫硅反應(yīng)的主導(dǎo)因素，因此，繼續(xù)升高溫度，溶液中Si、Fe質(zhì)量濃度變化不大。

2．3 反應(yīng)時(shí)間對硅、鐵脫除率的影響

NaAlO2溶液體積300mL，CaO質(zhì)量濃度8 g／L，反應(yīng)溫度分別為70～75℃和80～85℃，反應(yīng)時(shí)間對脫硅、脫鐵反應(yīng)的影響試驗(yàn)結(jié)果見表4、5。

表4 反應(yīng)時(shí)間對硅、鐵脫除率及鋁質(zhì)量濃度的影響（反應(yīng)溫度70～75℃）

表5 反應(yīng)時(shí)間對硅、鐵脫除率及鋁質(zhì)量濃度的影響（反應(yīng)溫度80～85℃）

從表4、5看出：鋁酸鈉溶液的脫硅和脫鐵效果隨反應(yīng)時(shí)間延長而明顯改善；比較而言，反應(yīng)時(shí)間相同時(shí)，80～85℃條件下的脫硅和脫鐵效果均比70～75℃條件下的效果要好；80～85℃下反應(yīng)1h即可達(dá)脫硅和脫鐵要求，反應(yīng)2h脫硅率達(dá)98．52%、脫鐵率達(dá)98．44%，之后隨反應(yīng)時(shí)間延長脫硅率趨于平緩，脫鐵率由于鐵渣的微量溶解稍有降低［13］；然而在70～75℃條件下，反應(yīng)2．5h后，脫硅率和脫鐵率僅達(dá)95．26%和96．39%；與此同時(shí)，溶液中鋁質(zhì)量濃度會隨反應(yīng)時(shí)間延長而降低。這是由于隨反應(yīng)時(shí)間延長，脫硅、脫鐵反應(yīng)會增大水化石榴石和鐵鋁水化石榴石的產(chǎn)出量［1，10，14－15］，從而降低溶液中鋁質(zhì)量濃度。為了達(dá)到較好的脫硅、脫鐵效果，同時(shí)控制溶液中鋁的損失，反應(yīng)溫度以選擇80～85℃更為合理，此條件下反應(yīng)時(shí)間宜選擇2h。

3 結(jié)論

在鋁酸鈉溶液中添加CaO可使雜質(zhì)硅和鐵較完全反應(yīng)進(jìn)入水化石榴石和鐵鋁水化石榴石中，達(dá)到制備高純氧化鋁所需鋁酸鈉溶液深度除硅、鐵的目的。該法操作簡單，效果較好。試驗(yàn)結(jié)果表明，CaO加入量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間均對鋁酸鈉溶液中硅和鐵的脫除率有不同程度的影響。在CaO加入量8g／L、反應(yīng)溫度80～85℃、反應(yīng)時(shí)間2h條件下，鋁酸鈉溶液中雜質(zhì)硅脫除率達(dá)98．52%，鐵脫除率為98．44%，且溶液中鋁的損失可得到有效控制。

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