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(cè)、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(huì)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(duì)鋁酸鈉溶液中硅、鐵脫除率及鋁損失率的影響。
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(huì)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(huì)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]。
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
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。
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(duì)溶液中Si、Fe脫除率的影響試驗(yàn)結(jié)果見表2??梢钥闯?,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(duì)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(duì)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(duì)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。
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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而降低。這是由于隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),脫硅、脫鐵反應(yīng)會(huì)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。
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(jiǎn)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(duì)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。
[1]楊重愚.氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1993.
[2]張英,劉衛(wèi).高純氧化鋁純化工藝的研究進(jìn)展[J].廣州化工,2014,42(14):20-21.
[3]袁杰,于站良,陳家輝,等.高純氧化鋁粉制備研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào):A:綜述篇,2014,28(1):75-78.
[4]陳家輝,和曉才,袁杰,等.高純氧化鋁制備方法研究進(jìn)展[J].云南冶金,2013,42(5):44-47.
[5]劉麗,李榮興,謝剛,等.鋁酸鈉溶液碳酸化分解制備氫氧化鋁微粉[J].輕金屬,2014(7):19-23.
[6]馬家玉,周建偉,姜躍華,等.鋁酸鈉溶液添加 Mg-Al水滑石脫硅的研究[J].輕金屬,2013(7):13-17.
[7]劉桂華,齊天貴,田侶,等.氧化鎂在鋁酸鈉溶液脫硅中的反應(yīng)行為[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2013,23(7):2055-2060.
[8]劉瑛瑛,張麗云.鋁酸鈉溶液深度脫硅[J].輕金屬,2011(10):17-19.
[9]李宏亮.鋁酸鈉溶液脫硅過程的研究[J].新疆有色金屬,2012(增刊):113-115.
[10]Whittington B I.The Chemistry of CaO and Ca(OH)2Relating to the Bayer Process[J].Hydrometallurgy,1996,43(1/2/3):13-35.
[11]高君麗.鋁酸鈉溶液中鐵的行為及其抑制[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2007.
[12]牛飛.含硫鋁酸鈉溶液中鐵濃度的變化規(guī)律及除鐵探索[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2012.
[13]和曉才,謝剛,李懷仁,等.超聲波對(duì)鹽酸脫除氧化鋁中鐵、硅的影響[J].濕法冶金,2015,34(2):142-145.
[14]王雅靜,王立思,張志剛,等.中高濃度鋁酸鈉溶液一段脫硅的動(dòng)力學(xué)研究[J].礦產(chǎn)綜合利用,2014(2):74-76.
[15]Ma J Y,Zhai K M,Li Z B,et al.Desilication of Synthetic Bayer Liquor With Calcium Sulfate Dehydrate:Kinetics and Modeling[J].Hydrometrallurgy,2011,107(1/2):48-55.