趙愛春 ，張廷安 ，呂國志

（1. 太原科技大學材料科學與工程學院, 山西 太原 030024；2. 東北大學多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110819）

引言

氧化鋁生產(chǎn)絕大多數(shù)采用拜耳法[1-2]，該法對原料鋁土礦品位要求較高[3]。對于低品位鋁土礦資源若采用拜耳法，會造成氧化鋁直接提取率低且生產(chǎn)設(shè)備中固含大等缺點。隨著優(yōu)質(zhì)鋁土礦資源逐漸被消耗殆盡，開發(fā)適用于呆滯鋁土礦資源（高鐵鋁石礦[4]和粉煤灰[5]等）的新方法已迫在眉睫[6]。

高鐵鋁石礦因其鐵和硅含量較高，鋁硅比低，不適宜采用純拜耳法處理，目前多集中采用“先鋁后鐵”、“先鐵后鋁”、“先選后冶”工藝，這些工藝或工序繁復、固含大，或能耗較高。對于該礦，酸法處理可同時提取礦物中的鐵和鋁元素。近年來，酸法生產(chǎn)氧化鋁工藝越來越引起人們的關(guān)注。Dmitry Valeev[7]采用高壓鹽酸浸出法從煤灰中提取鋁作為水處理的混凝劑。Rodolfo Marin Rivera[8]利用鋁土礦冶煉廢渣高壓酸浸提取稀土元素。Yunlong Zhao[9]研究了用鹽酸從混凝劑工業(yè)生產(chǎn)的鋁土礦反應殘渣中提取鋁。目前酸法研究雖取得了一定的進展，但處理高鐵鋁石礦時出現(xiàn)氧化鋁和氧化鐵同時提取率不高、鹽酸浸出液中鐵鋁分離困難以及浸出條件苛刻等問題。

針對以上問題，本文以高鐵三水鋁石礦資源提出雙循環(huán)法生產(chǎn)氧化鋁新工藝[10-11]。即首先采用鹽酸浸出高鐵鋁土礦中的鐵鋁兩種資源；其次采用萃取法分離鹽酸浸出液中的鐵和鋁；最后分別熱解氯化鋁和氯化鐵制備氧化鋁和氧化鐵。該法既有效綜合利用了鐵和鋁兩種資源，又實現(xiàn)了鐵和鋁的良好分離，同時避免了采用傳統(tǒng)酸法工藝中必須繼續(xù)采用堿處理氯化鋁溶液制得氫氧化鋁，后經(jīng)煅燒得氧化鋁的冗長工序。本文主要對高鐵三水鋁石礦酸浸性能進行相關(guān)研究，主要考察礦石粒度、液固比、時間及溫度對礦物中鐵和鋁元素浸出效果的影響，進而確定最佳浸出條件，并就酸浸機理進行研究。

1 實驗原料

實驗所用鹽酸為分析純，所用礦物來自澳大利亞三水鋁石礦，其化學組成見表1。圖1為該礦的X射線衍射分析結(jié)果，其對應的物相組成見表2。

表1 三水鋁石礦的化學成分 /%Table 1 Chemical composition of gibbsite

圖1 原礦XRD分析Fig.1 XRD analysis of raw ore

表2 三水鋁石礦的物相成分分析 /%Table 2 Phase composition analysis of gibbsite

由分析結(jié)果可以看出，該鋁土礦的主要成分為三水鋁石，其次是針鐵礦和石英，還有銳鈦礦等。此礦石特點是鋁含量較低、鋁硅比較低（2.07）、含鐵較高，是一種典型的難處理三水鋁石礦。如果使用拜耳法進行氧化鋁溶出，其氧化鋁理論溶出率最高只能達到51.69%。該礦石是一種適合作為鋁土礦酸法浸出研究的原料。

2 實驗原理、步驟及分析方法

2.1 實驗原理

該礦物中主要成分為三水鋁石和針鐵礦，在酸浸過程中會與鹽酸發(fā)生如下反應：

2.2 實驗步驟

實驗是在KCFD2-10高壓釜中進行。根據(jù)實驗設(shè)定的浸出條件，稱好一定量的三水鋁石礦加入到反應釜的內(nèi)膽中，然后按計算量加入定量的水和浸出劑，仔細用酒精棉擦拭反應釜的釜蓋后，將反應釜內(nèi)膽放入釜中。然后裝好反應釜。接著打開反應釜電源開關(guān)，調(diào)整好轉(zhuǎn)速，預設(shè)溫度，到達預設(shè)溫度后，按自身實驗要求控制保溫時間，完成實驗規(guī)定時間的浸出過程。浸出結(jié)束后，通入冷卻水進行強制冷卻后，打開釜蓋取出浸出液進行后續(xù)分析研究。

2.3 分析方法

浸出后浸出液經(jīng)過固液分離，固體在烘干箱烘干，研碎，取樣分析其中的Al2O3和Fe2O3含量。此部分分析實驗是在X熒光光譜儀進行。由于在浸出實驗過程中，鋁土礦中的Al2O3和Fe2O3一部分進入到浸出液中，而另一部分則是以渣的形式進入到固體中。因此，可以通過分析固體中Al2O3和Fe2O3的含量，從而折算出進入浸出液中的Al2O3和Fe2O3的含量，而得到鋁元素和鐵元素的浸出率，其計算公式如下：

式中：渣重—固液分離后的固體經(jīng)烘干后的重量，g；礦石重量—稱取用于浸出實驗的礦物重量，g；A—浸出渣中Al2O3的含量，%；F—浸出渣中Fe2O3的含量，%.

3 結(jié)果與討論

3.1 礦石粒度對浸出性能的影響

溫度90℃，時間2 h，鹽酸濃度10%，鹽酸總量150 mL，配礦液固比100:7?？疾炝６葘ΦV石浸出性能的影響，實驗結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，礦石粒度對礦石中鋁、鐵元素浸出率均有很大影響。隨著礦石粒度的減小，鋁元素的浸出率逐漸增大。而鐵元素的浸出率整體上也呈現(xiàn)隨著礦石粒度的減小而增大的趨勢。這是因為鋁土礦經(jīng)破碎細磨，一方面，一些玻璃體發(fā)生破裂，使得鹽酸的擴散阻力變小，容易發(fā)生反應；另一方面，鋁土礦粒度減小，比表面積增大，與鹽酸的接觸面積變大，反應速度提高。在浸出溫度為90℃、浸出時間為2 h的浸出條件下，當使用粒度為55 μm的礦石進行浸出實驗時，礦石中的鋁元素浸出率為75.26%，鐵元素的浸出率為92.23%。為提高鋁元素的浸出率，實驗選取較佳礦石粒度為55 μm的三水鋁石進行后續(xù)實驗。

圖2 礦石粒度對浸出性能的影響Fig.2 Effect of ore size on leaching performance

3.2 液固比對浸出性能的影響

浸出工藝條件為：溫度90℃，時間2 h，鹽酸濃度10%，鹽酸總量150 mL，礦石粒度55 μm?？疾觳煌汗瘫葘ΦV石浸出性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 液固比對浸出性能的影響Fig.3 Effect of liquid-solid ratio on leaching performance

由圖3可以看出，在浸出溫度為90℃、浸出時間為2 h的浸出條件下，礦石中的鋁元素浸出率隨浸出液固比增大而增大，鐵元素浸出率也呈相同的增大趨勢，當浸出液固比達到100∶7以上時，鋁元素與鐵元素的浸出率略有下降。因為隨著液固比的增大，氧化鋁與鹽酸接觸機會增多，反應速率提高，鋁元素的浸出率增大。但液固比過大，會導致浸出和固液分離設(shè)備負荷增大，也會導致鹽酸的大量浪費，綜合考慮液固比控制在100∶7為宜。

3.3 時間對浸出性能的影響

液固比100∶7，礦石粒度55 μm，鹽酸濃度10%，鹽酸總量150 mL?？疾旖鰰r間對礦石浸出性能的影響。

首先考察溫度為80℃時的礦石的浸出性能，結(jié)果見圖4（a）。由圖4（a）可以看出，隨著反應時間的延長，鋁元素和鐵元素的浸出率都逐漸增大，當時間達到120 min 之后，兩者浸出率變化不明顯。當浸出溫度為80℃，浸出時間為120 min時，鋁元素和鐵元素的浸出率分別達到54.43%和93.87%。

圖4 時間對浸出性能的影響Fig.4 Effect of time on leaching performance

其次考察溫度為90℃時礦石的浸出性能，結(jié)果見圖4（b）。由圖4（b）可以看出：隨著反應時間的延長，鋁元素的浸出率逐漸增大。在浸出溫度為90℃，浸出時間為120 min時，鋁元素和鐵元素的浸出率分別達到75.26%和92.23%。對比浸出溫度為80℃的浸出效果可以看出，浸出溫度為90℃，浸出時間為30 min比浸出溫度為80℃，浸出時間為90 min時鋁元素的浸出效果還要好。而且當浸出時間為120 min時，浸出溫度為90℃與浸出溫度為80℃浸出效果相比，鋁元素的浸出率提高達20個百分點。由此可見溫度對浸出效果影響顯著，故繼續(xù)考察溫度對礦物中鐵和鋁元素浸出率的影響。

3.4 溫度對浸出性能的影響

液固比100∶7，浸出時間2 h，礦石粒度55 μm，鹽酸濃度10%?？疾鞙囟茸兓秶?0～140℃，礦石浸出性能隨溫度變化情況，結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對浸出性能的影響Fig.5 Effect of temperature on leaching performance

由圖5可以看出，當溫度高于100℃，礦石中鋁、鐵元素浸出率隨溫度變化不大。當溫度從100℃上升至140℃時，礦石中鋁元素浸出率從95.49%上升至97.08%，鐵元素浸出率從96.72%上升至97.78%。綜合考慮提高浸出溫度會造成設(shè)備腐蝕加劇，故較佳浸出溫度為105℃。

選取較優(yōu)條件下的浸出渣進行XRD表征，見圖6。浸出渣XRD分析結(jié)果表明，浸出渣主要成分為少量未反應的三水鋁石和石英，未檢測出針鐵礦、銳鈦礦，可見鐵和鋁資源已經(jīng)被有效浸出。

圖6 優(yōu)化浸出條件下XRD 分析Fig.6 XRD analysis under the optimized leaching conditions

4 浸出機理研究

為了更好地研究三水鋁石礦的酸浸性能，特對三水鋁石礦中鐵和鋁浸出過程作動力學研究。

根據(jù)液-固未反應核模型反應動力學方程（如下），分別對80℃和90℃時的酸浸數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見圖7、8。

圖7 鋁浸出率與時間的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.7 Plot of data fitting of leaching rate of Al and leaching time

式中：R-浸出率；t-浸出時間；k-化學反應速率常數(shù)。

圖8 鐵浸出率與時間的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.8 Plot of data fitting of leaching rate of Fe and leaching time

式中：A-指前因子；

R-氣體摩爾常數(shù)，J/（mol·K）；

Ea-反應活化能，J/mol。

對上式兩邊取對數(shù)得：

由此可分別求得鋁浸出和鐵浸出反應活化能為90.28 kJ/mol和4.35 kJ/mol。

5 結(jié)論

（1）通過化學組成和物相分析得知，該低品位三水鋁石礦氧化鋁含量低，氧化硅和氧化鐵含量較高，是一種典型的鋁硅比低的高鐵鋁土礦，若采用傳統(tǒng)的拜耳法處理，其理論溶出率僅為51.69%。

（2）通過考察粒度、液固比、時間及溫度對礦物中有價組元浸出效果影響可知，溫度對礦物中鋁元素的浸出率影響顯著。

（3）較佳浸出條件為鹽酸濃度10%，礦石粒度55 μm，浸出液固比100∶7，時間120 min，溫度105℃，此時礦石中鋁元素浸出率達到95.49%，鐵元素的浸出率達到96.72%，浸出渣XRD分析結(jié)果表明，浸出渣主要成分為未反應的少量三水鋁石和石英，浸出過程能實現(xiàn)鐵和鋁資源的最大利用，大大優(yōu)于拜耳法的氧化鋁理論溶出率，故“雙循環(huán)法”綜合處理低品位高鐵鋁土礦資源工藝可行。

（4）對三水鋁石礦進行酸浸動力學研究，表明鐵和鋁的浸出反應均受內(nèi)擴散控制。