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        含堿硅酸鈉溶液的回收和利用工藝研究

        2022-02-21 03:36:14,張強(qiáng),2,3,張
        無機(jī)鹽工業(yè) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:脫硅硅酸鈣產(chǎn)物

        韓 東 ,張 強(qiáng) ,2,3,張 敏

        (1.商丘工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南商丘 476000;2.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院;3.貴州省冶金工程與過程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;4.清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地)

        目前在溶液脫硅研究中, 各研究關(guān)注的重點(diǎn)還集中在鋁酸鈉溶液體系高溫高壓(140~260 ℃,2~6 MPa)下進(jìn)行脫硅。 添加脫硅產(chǎn)物(DSP)種子已經(jīng)在脫硅過程中廣泛應(yīng)用[1-2]。 在拜耳法中,鋁酸鈉中的二氧化硅在不同的反應(yīng)條件下容易再沉淀形成方鈉石、鈣霞石和其他沸石類不溶性固體,這是不加添加劑進(jìn)行溶液脫硅的一種方法[3-5]。方鈉石型種子廣泛用于拜耳液的脫硅[ρ(Na2O)約為 200 g/L],脫硅效率可達(dá)到80%。 在高壓釜脫硅過程中,也使用了黝方石和鈣霞石, 結(jié)果表明使用鈣霞石種子作為脫硅劑將對(duì)拜耳液產(chǎn)生較好的脫硅效果, 因?yàn)槠渚哂邢鄬?duì)溶解性[5-7]。 通過添加赤鐵礦、針鐵礦和鐵粉進(jìn)行鋁酸鈉溶液脫硅, 可以有效地減少單流拜耳工藝環(huán)境中熱交換器表面上的結(jié)疤形成, 這主要是利用鐵粉與熱交換器的鋼表面相似的表面性質(zhì), 通過異相成核減少結(jié)疤的形成。 也有通過添加合成新型脫硅劑如鋁酸鈣、鐵酸鈣進(jìn)行脫硅,這些脫硅劑既經(jīng)濟(jì)又可獲得較高的脫硅率[8-10]。 但是,上述脫硅方法所使用的脫硅劑是針對(duì)鋁酸鈉溶液進(jìn)行脫硅, 而鋁酸鈉溶液與本文研究的堿浸脫硅液成分差別較大,因此不能完全適用。

        有大量針對(duì)粉煤灰脫硅堿液進(jìn)行回收利用的研究工作[11-13],其通過調(diào)控硅酸鈣基化合物的生成條件,合成硅酸鈣水泥或建筑材料[14-16],但由于其控制條件苛刻,實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)操作困難且溶液脫硅率較低,從而無法完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求,難以推廣。 LIU 等[8]在堿性體系下,深入探討了水合硅酸鈣的合成,并揭示了不同形態(tài)水合硅酸鈣的合成條件以及機(jī)理。以上對(duì)于硅酸鈣化合物合成過程的闡述,為本研究工作提供了極大的借鑒意義。

        然而,到目前為止,國內(nèi)對(duì)高硅鋁土礦堿浸脫硅溶液回收利用的研究工作較少[17-18]。 所以,選擇石灰作為脫硅劑, 其易得性使其工業(yè)應(yīng)用成為可能, 堿液的循環(huán)利用也為氧化鋁生產(chǎn)降低了成本,具有廣闊的應(yīng)用前景。 筆者以堿浸脫硅液為原料,研究常壓脫硅,確定合適的脫硅條件,并驗(yàn)證其循環(huán)效果。

        1 實(shí)驗(yàn)方案

        1.1 實(shí)驗(yàn)原料

        氫氧化鈉(分析純);焙燒鋁土礦(貴州某地鋁土礦);比電導(dǎo)率為0.1 μS/cm 去離子水;從貴州某廠地獲得石灰石,將石灰石在馬弗爐中于1 000 ℃煅燒3 h 制得活性石灰[有效鈣含量 w(CaO)為 80%],將活性石灰研磨至粒徑小于74 μm。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        實(shí)驗(yàn)的流程圖如圖1 所示。

        圖1 堿浸脫硅液脫硅流程圖Fig 1 Desilication flow chart of alkali leaching desilication solution

        脫硅實(shí)驗(yàn)在恒溫(約為95 ℃)電磁加熱攪拌(約為300 r/min)油浴中進(jìn)行,然后將石灰加入密封罐中。 在過濾和冷卻后,通過真空過濾間隔收集樣品。將濾餅用沸水洗滌3 次并在90 ℃下干燥12 h。 然后,通過化學(xué)滴定法分析溶液中硅酸鹽離子的濃度,用XRD 和SEM 對(duì)固體樣品進(jìn)行分析。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 脫硅條件的分析

        2.1.1 鈣硅物質(zhì)的量比的影響

        固定實(shí)驗(yàn)條件:Na2Ok濃度為 106.03 g/L、SiO2質(zhì)量濃度為8 g/L、溫度為95 ℃、反應(yīng)時(shí)間為2 h,研究鈣硅物質(zhì)的量比對(duì)堿浸脫硅液的影響, 結(jié)果見圖2a。 圖2a 結(jié)果表明, 脫硅率在鈣硅物質(zhì)的量比為0.1~1.0 時(shí)急劇增加, 在鈣硅物質(zhì)的量比為1.0~1.5時(shí)緩慢上升,鈣硅物質(zhì)的量比為1.5 之后,脫硅率基本不變。 這表明在鈣硅物質(zhì)的量比為1.5~2.0 時(shí),可以達(dá)到95%以上的脫硅率。 所以,增加石灰的添加量使反應(yīng)劑濃度增大, 也就加大了石灰顆粒與硅酸根的接觸面積,從而大大提高了反應(yīng)的效率。

        2.1.2 苛堿濃度的影響

        固定實(shí)驗(yàn)條件:鈣硅物質(zhì)的量比為1.2、SiO2質(zhì)量濃度為8 g/L、溫度為 95 ℃,研究苛堿(NaOH)濃度對(duì)溶液脫硅效果的影響,結(jié)果見圖2b。 從圖2b 可見,堿液(NaOH)質(zhì)量濃度對(duì)堿浸脫硅溶液脫硅效果的影響非常明顯,從脫硅率隨時(shí)間變化曲線可知,隨著堿濃度的升高對(duì)溶液中二氧化硅的脫除率在逐漸提高,隨著堿液濃度的提高溶液脫硅率最高可達(dá)90%左右,說明隨著脫硅過程的深入,溶液中的硅濃度逐漸降低。

        2.1.3 初始硅濃度的影響

        固定實(shí)驗(yàn)條件:Na2Ok質(zhì)量濃度為106.03 g/L、鈣硅物質(zhì)的量比為1.2、溫度為95 ℃,研究不同初始SiO2質(zhì)量濃度在不同時(shí)間對(duì)溶液脫硅效果的影響,結(jié)果見圖2c。 如圖2c 所示,隨著含堿硅酸鈉溶液中SiO2質(zhì)量濃度的增加,會(huì)抑制Ca3SiO5的形成。 根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知,脫硅產(chǎn)物的物相變化與SiO4四面體聚合狀態(tài)有關(guān)。 不同聚合程度的硅氧四面體基團(tuán)中的Si—O 聚合程度, 隨SiO2質(zhì)量濃度的增加而增大。 所以,在添加定量石灰進(jìn)行脫硅時(shí),初始SiO2質(zhì)量濃度越高,脫硅后溶液殘留的SiO2質(zhì)量濃度相對(duì)就越高,高聚合度的硅酸基團(tuán)就越難脫除。為保證脫硅效果,常壓下堿浸溶液脫硅,溶液中SiO2質(zhì)量濃度應(yīng)維持在7 g/L 左右。

        2.1.4 脫硅時(shí)間的影響

        當(dāng)鈣硅物質(zhì)的量比大于1.2 時(shí), 脫硅率已經(jīng)可以達(dá)到接近90%左右,根據(jù)脫硅率隨鈣硅物質(zhì)的量比的變化趨勢,當(dāng)鈣硅物質(zhì)的量比為1 時(shí),脫硅率剛好處于臨界值。所以,選取這兩個(gè)鈣硅物質(zhì)的量比作為下面脫硅實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。固定實(shí)驗(yàn)條件:苛堿質(zhì)量濃度為106.03 g/L、SiO2質(zhì)量濃度為8 g/L、溫度為95℃, 研究兩種鈣硅物質(zhì)的量比在不同脫硅時(shí)間對(duì)溶液脫硅效果的影響,結(jié)果見圖2d。

        圖2 鈣硅物質(zhì)的量比(a)、苛堿質(zhì)量濃度(b)、初始SiO2質(zhì)量濃度(c)和反應(yīng)時(shí)間(d)對(duì)脫硅效果影響Fig.2 Effect of Ca/Si molar ratio(a),caustic alkali mass fraction(b),initial silicon concentration(c)and reaction time(d) on desilication

        由圖 2d 可見,在最初的 240 min 內(nèi),脫硅率隨時(shí)間增加而增加,然后隨著時(shí)間的推移,脫硅率出現(xiàn)下降的趨勢。 該結(jié)果表明在脫硅反應(yīng)進(jìn)行到240 min 之后, 一部分低結(jié)晶度脫硅產(chǎn)物發(fā)生了反應(yīng)[15,19-20]:

        隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,可能有部分硅酸鈣產(chǎn)物開始溶解于較高濃度的苛堿溶液中。 當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到120 min 時(shí),鈣硅物質(zhì)的量比為1 和1.2 的條件下對(duì)應(yīng)的脫硅率分別為60.12%和87.56%, 已經(jīng)達(dá)到較好的脫硅效果。120 min 之后,脫硅率開始緩慢增加,故出于降低能耗的考慮, 將120 min 作為最佳反應(yīng)時(shí)間,在堿浸脫硅液成分為 ρ(Na2Ok)約為100 g/L、ρ(SiO2)約為7g/L 時(shí),石灰按鈣硅物質(zhì)的量比為1.2的量進(jìn)行添加,并維持溫度為95 ℃,攪拌速度控制在300 r/min 條件下,脫硅2 h,其脫硅效果較佳。

        2.2 表征分析

        以較佳脫硅條件下所產(chǎn)生的硅渣作為研究對(duì)象,其物相分析如圖 3 所示。 從圖 3 看出,Ca(OH)2在2 h 的XRD 圖譜中出現(xiàn),表明鈣硅物質(zhì)的量比為1.2 時(shí)添加的活性CaO 不能完全反應(yīng)。 原因是其表面被一層致密的產(chǎn)物層所包裹, 而產(chǎn)物層的成分是Ca3SiO5和 Ca4Si6O15(OH)2·5H2O[15,20-21]。 為了進(jìn)一步證明這一推測, 對(duì)此條件下的產(chǎn)品進(jìn)行了SEM 和EDS 分析,其結(jié)果見圖4 和表1。

        表1 EDS 分析結(jié)果Table 1 EDS analysis results

        圖3 溶液脫硅后產(chǎn)物的XRD 譜圖Fig.3 XRD pattern of desilication products

        圖4 鈣硅物質(zhì)的量比為1.2 時(shí)的脫硅后產(chǎn)物形貌Fig.4 Morphology of desilication products under Ca/Si molar ratio of 1.2

        結(jié)合圖4 中的SEM 照片中的形貌可知,脫硅產(chǎn)物疏松多孔且有凝膠狀產(chǎn)物, 同時(shí)也考慮是由于反應(yīng)溫度較低, 所生成的低結(jié)晶度水合硅酸鈣起到了“黏合劑”的作用,導(dǎo)致附聚作用[22-23],這種現(xiàn)象可能會(huì)將CaO 包裹在產(chǎn)物層里面,從而阻止反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生,這需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究論證。

        表1 的EDS 分析結(jié)果表明, 應(yīng)該同時(shí)存在兩種以上不同的硅酸鈣化合物,根據(jù)表中的成分可知,若將脫硅產(chǎn)物經(jīng)過進(jìn)一步處理之后, 可制作泡沫玻璃等材料,從而提高其產(chǎn)品的附加值,從而達(dá)到合理回收的目的。

        2.3 脫硅后溶液的循環(huán)利用分析

        脫硅后的溶液含有大量的堿液和極少量的Al2O3,應(yīng)實(shí)現(xiàn)其閉路循環(huán)以回收堿,減少流程中的物料流量。 因此,對(duì)焙燒礦進(jìn)行了堿浸脫硅、含硅溶液脫硅后再浸出下一批焙燒礦, 探索了脫硅后的溶液循環(huán)利用情況。

        堿浸脫硅條件為液固質(zhì)量比為8∶1、溫度為95 ℃、堿濃度為100 g/L、時(shí)間為10 min。 獲得的含硅溶液添加CaO 進(jìn)行脫硅,溶液脫硅溫度為95 ℃、時(shí)間為120 min,測試 n(CaO)/n(SiO2)=1.2 時(shí)的情況,結(jié)果如表2 所示。由表 2 可知,在 n(CaO)/n(SiO2)=1.2 時(shí)整體循環(huán)效果中隨著鈣硅物質(zhì)的量比增加溶液脫硅效率增加,并且礦石堿浸脫硅液中鋁硅比也相應(yīng)增加,同時(shí)鋁損失率相應(yīng)提高。 在 n(CaO)/n(SiO2)=1.2 時(shí)脫硅率為88%左右,焙燒礦脫硅后的精礦鋁硅物質(zhì)的量比均可達(dá)到7 以上。由于溶液每一次循環(huán),存在一定量的堿損, 因此每一循環(huán)過程需補(bǔ)加一定量的苛堿以維持流程中堿量的平衡。

        表2 循環(huán)脫硅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[n(CaO)/n(SiO2)=1.2]Table 2 Experimental data of cyclic desilication[n(CaO)/n(SiO2)=1.2]

        3 結(jié)論

        1)以石灰為脫硅劑,堿浸脫硅液脫硅的較佳脫硅條件為:n(CaO)/n(SiO2)為 1.2,溫度為 95 ℃,反應(yīng)時(shí)間為2 h,苛堿質(zhì)量濃度為100 g/L,硅質(zhì)量濃度為7 g/L, 攪拌速度為 300 r/min,CaO 粒徑為 74 μm 以下。其脫硅產(chǎn)物主要為低結(jié)晶度的水合硅酸鈣,產(chǎn)物層將可能會(huì)對(duì)脫硅反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。 2)對(duì)含堿硅酸鈉溶液進(jìn)行脫硅, 鈣硅物質(zhì)的量比對(duì)脫硅液整體循環(huán)效果影響較大; 固定鈣硅物質(zhì)的量比為1.2左右,循環(huán)脫硅過程中礦石脫硅率基本不變,焙燒礦脫硅后的精礦鋁硅物質(zhì)的量比均可達(dá)到7 以上,脫硅后的堿液可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

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