王永昌,溫相琳,彭倩倩,楊慧

(1.龍口東海氧化鋁有限公司,山東 煙臺(tái) 265713;2.山東南山鋁業(yè)有限公司國(guó)家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心,山東 煙臺(tái) 265713;3.山東省鋁合金壓力加工技術(shù)創(chuàng)新中心,山東 煙臺(tái) 265713;4.山東南山科學(xué)技術(shù)研究院有限公司有色金屬產(chǎn)業(yè)研究院,山東 煙臺(tái) 265713)

在氧化鋁生產(chǎn)工藝中采用燒結(jié)法得到的溶出漿液是包括鋁酸鈉溶液和赤泥雜質(zhì)的混合物,想要獲得較為純凈的鋁酸鈉溶液以及固含相對(duì)較高的赤泥是極為重要的[1]。氧化鋁生產(chǎn)工藝中的赤泥沉降大多采用重力沉降,其具有如下優(yōu)異的特性:設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低、施工容易、安全系數(shù)高以及易于維護(hù)等特點(diǎn)。由于懸浮液中赤泥與溶液的密度相差較大,使其在重力場(chǎng)中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)溶液與赤泥的分離。但在沉降分離過(guò)程中,一方面赤泥本身存在相對(duì)較高的分散度,顆粒粒度分布不均,一部分微粒接近膠體。另一方面赤泥粒子有著較大的比表面積,在溶液中易產(chǎn)生溶劑化作用表面形成一層膜,妨礙微粒間相互聚集。固液分離不徹底將使生產(chǎn)不能正常進(jìn)行,直接影響固液分離效率和氧化鋁的產(chǎn)出率[2]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)控絮凝劑添加種類(lèi)、添加量、添加方式、熟料粒度、溶液固含等影響因素,對(duì)沉降分離效果進(jìn)行了研究,這將對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

某氧化鋁公司所用熟料經(jīng)過(guò)破碎、球磨后得到粒度分布不一的實(shí)驗(yàn)原料,其主要化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 某氧化鋁公司熟料成分質(zhì)量含量 單位:%

從表1中可以看出,該實(shí)驗(yàn)選用的鋁土礦為高硅鐵型鋁土礦,其中Al2O3含量為36.87%,SiO2含量為9.36%,礦物A/S=3.94,其中各類(lèi)含量較高的雜質(zhì)包括:Na2O、Fe2O3、K2O、CaO等。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

(1)低壓群釜實(shí)驗(yàn)裝置:本實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)裝置為低壓溶出器,內(nèi)含若干個(gè)鋼彈,選用甘油作為加熱介質(zhì)。攪拌方式為翻滾球磨式,采用WMZK--011溫度指示儀控制溫度(控溫精度為±1 ℃)。

(2)沉降設(shè)備如圖1所示,沉降管:沉降管內(nèi)徑33 mm,有效高度為300 mm,一次可裝入250 mL左右的溶出漿液。

圖1 沉降實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(3)其他實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 絮凝劑的制備

在200 mL去離子水中加入預(yù)先稱(chēng)量好的2 gNaOH,將其置于恒溫水浴中加熱至55 ℃。在攪拌速度為在300 r/min的條件下,邊攪拌邊加入0.50 g乳液狀絮凝劑,將溶解好的絮凝劑導(dǎo)入500 mL的容量瓶中定容,備用。

1.3.2 溶出沉降實(shí)驗(yàn)

在鋼彈中加入100 mL預(yù)先配好的調(diào)整液以及漿料,攪拌速度保持為150 r/min,在75 ℃下預(yù)熱5 min后開(kāi)始計(jì)時(shí)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行15 min,立即置于水中冷卻后將溶出漿液邊攪拌邊倒入沉降管中后,在90 ℃下保溫,進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)。在沉降管中加入預(yù)先配置好的、具有一定比例的絮凝劑進(jìn)行攪拌,計(jì)時(shí)并記錄不同時(shí)刻的底流液面高度。沉降反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行60 min后取樣品檢測(cè)上清液濃度。主要實(shí)驗(yàn)儀器列于表2中。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑種類(lèi)的影響

絮凝劑作用機(jī)理是凝聚和絮凝兩種作用過(guò)程。凝聚是膠體顆粒脫穩(wěn)并形成細(xì)小的凝聚體的過(guò)程:而絮凝則是所形成的細(xì)小的凝聚體在絮凝劑的橋連下生成大體積的絮凝物的過(guò)程[3]。對(duì)于同一種漿料而言,不同種類(lèi)的絮凝劑效果也是不同的。

2.1.1 無(wú)機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑的影響

無(wú)機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑是指含有鋁鹽、鐵鹽和硅酸鹽等多種具有絮凝或助凝作用的物質(zhì),它們預(yù)先分別經(jīng)羥基化聚合后再加以混合,或先混合再加以羥基化聚合,形成羥基化的更高聚合度的無(wú)機(jī)高分子形態(tài)[4]。它的出現(xiàn)降低了成本且提高沉降效率。

本實(shí)驗(yàn)選取A1～A4無(wú)機(jī)高分子絮凝劑,T漿料=75 ℃,漿料添加量230 g/L,絮凝劑添加量為200 g/t-干赤泥。沉降情況如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑對(duì)溶出漿液沉降性能的影響

從圖2中得出,在系統(tǒng)中分別添加A1～A4無(wú)機(jī)高分子絮凝劑,在反應(yīng)初期的10 min內(nèi),相較于A2、A3型號(hào)的絮凝劑,A1、A4絮凝劑使得系統(tǒng)中赤泥的沉降速度明顯加快,漿液壓縮高度比迅速達(dá)到60%以下;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),A1、A4依然保持較高的沉降分離效果,相比于添加了A4種類(lèi)的絮凝劑系統(tǒng),含有A1絮凝劑的沉降漿液高度比<50%,具有優(yōu)異的沉降效果,且得到的漿料中ρ(Al2O3)>180 g/L,符合生產(chǎn)要求。

2.1.2 有機(jī)高分子絮凝劑對(duì)溶出沉降性能的影響

有機(jī)高分子絮凝劑含有帶電的官能團(tuán)或中性的官能團(tuán),溶于水中而具有電解質(zhì)行為[5]。根據(jù)生產(chǎn)要求選取A5～A11型號(hào)的有機(jī)高分子絮凝劑作為本次的實(shí)驗(yàn)對(duì)象,T漿料=75 ℃、漿料添加量:230 g/L,絮凝劑添加量為200 g/t-干赤泥。

從圖3曲線明顯看出,在反應(yīng)初期,A5、A6、A8、A10絮凝劑的沉降效果大致在一個(gè)水平內(nèi),沉降速度很小,漿液壓縮高度比>90%;相比而言,A7、A9、A11絮凝劑的沉降效果顯著,且沉降速度依次增大,漿液壓縮高度比在40%～70%。值得注意的是,加入A11絮凝劑,沉降漿液高度比在10 min內(nèi)迅速達(dá)到40%以下,且沉降速度極快,顯示出一定的優(yōu)越性。隨著時(shí)間的推移,A5～A11絮凝劑使得漿料壓縮高度比整體趨勢(shì)是下降的,到60 min時(shí)A11絮凝劑料漿系統(tǒng)高度比例仍然最低,沉降效果較為理想。

圖3 不同絮凝劑對(duì)溶出漿液沉降性能的影響

沉降過(guò)程可用Stocks來(lái)描述:

式中:v—自由沉降速度,m/s;ρs,ρl—赤泥顆粒的密度與液相的密度,kg/m3;dp—赤泥顆粒的當(dāng)量直徑,m;μ—液相的動(dòng)力黏度,Pa·s;g—重力加速度,m/s2。

綜上所述,有機(jī)高分子絮凝劑A11是效果最理想且制備較容易的一類(lèi)絮凝劑,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中均采用該絮凝劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 絮凝劑加入量的影響

沉降過(guò)程中,在其他條件保持不變的情況下,根據(jù)生產(chǎn)需求,設(shè)置絮凝劑添加量為50 g/t-干赤泥、100 g/t-干赤泥、200 g/t-干赤泥、400 g/t-干赤泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)表明:盡管絮凝劑添加量略有不同,但是沉降系統(tǒng)中的沉降速度均很大,在沉降反應(yīng)僅僅持續(xù)了10 min就進(jìn)入了赤泥壓縮階段,且隨著反應(yīng)的進(jìn)行,漿液壓縮高度比在30%～50%。如圖4,絮凝劑添加量越來(lái)越多,沉降速度隨之提升。當(dāng)添加量為100 g/t-干赤泥和200 g/t-干赤泥時(shí),沉降的絮團(tuán)更大,上清液更加清亮,經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)浮游物濃度更低。由圖4也可以清晰地看出,在溶出漿料其他條件不變的情況下,絮凝劑的量不宜過(guò)多,絮凝劑本身屬于黏性高分子[6],加入量過(guò)多造成漿料發(fā)稠發(fā)黏,同樣不利于沉降性能的提升。實(shí)驗(yàn)表明,將絮凝劑添加量標(biāo)準(zhǔn)控制在200 g/t-干赤泥時(shí),沉降速度最大且上清液最清亮,此時(shí)浮游物濃度保持在最低狀態(tài)。在燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝中展現(xiàn)出極大的優(yōu)越性,這對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖4 不同絮凝劑添加量對(duì)沉降性能的影響

2.3 絮凝劑的添加方式的影響

在實(shí)際的生產(chǎn)操作工藝中,對(duì)于相同用量的絮凝劑,其在沉降系統(tǒng)中的添加方式也是至關(guān)重要的。在上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),將絮凝劑添加量標(biāo)準(zhǔn)控制在100～200 g/t-干赤泥的范圍時(shí),會(huì)展現(xiàn)出良好的沉降效果。因此,選取了如下實(shí)驗(yàn)策略:取適宜量的溶出漿液置于沉降管中,先加入100 g/t-干赤泥的絮凝劑添加量并且采用邊攪拌邊加入的策略,使其充分與漿液混合均勻、相互接觸。當(dāng)觀察到含有細(xì)小的絮團(tuán)生成時(shí),再向系統(tǒng)中加入相同的100 g/t-干赤泥的絮凝劑,依舊采用邊攪拌邊緩慢加入的方式進(jìn)行,混合均勻后進(jìn)行計(jì)時(shí)。與此同時(shí),向另一組相同條件下的沉降系統(tǒng)中一次性加入200 g/t-干赤泥的絮凝劑量作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

如圖5得到的曲線趨勢(shì)可以看出,在沉降漿液中加入絮凝劑可以有效提升沉降效果,在短時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)入壓縮階段并完成沉降過(guò)程。當(dāng)設(shè)置絮凝劑總加入量相同時(shí),將等量的絮凝劑一次性加入,沉降漿液中粒子與絮凝劑結(jié)合的過(guò)程中,絮凝劑分子之間也存在著相互作用,擾亂粒子與絮凝劑的結(jié)合。相比于一次加入,絮凝劑分兩次加入可以明顯提高赤泥的沉降速度,并能獲得更好的底流壓縮效果。主要原因在于,先加入一部分絮凝劑,使得漿料粒子與部分絮凝劑首先相互接觸凝聚,絮凝劑含量相對(duì)較低,可以有效避免絮凝劑分子之間的相互作用;而當(dāng)?shù)诙渭尤胄跄齽┯挚梢允钩嗄喽涡鯃F(tuán)[7],增大絮團(tuán)直徑,提升沉降速度,從而獲得優(yōu)異的沉降效果。

圖5 絮凝劑添加方式對(duì)沉降性能的影響

2.4 熟料粒度的影響

本實(shí)驗(yàn)選取了在不同碾磨時(shí)間下磨制的熟料,研磨時(shí)間不同,粒度組成分布也是不同的。具有代表性的是以下4種系列:未研磨的熟料為1#;磨制時(shí)間為1,2,3 min后的熟料為2#～4#,隨后開(kāi)展沉降實(shí)驗(yàn)。

由圖6可知,在沉降反應(yīng)初期,1#～4#之間的沉降性能存在著顯著的變化:隨著研磨時(shí)間逐漸延長(zhǎng),熟料粒度隨之逐漸減小。在10 min內(nèi)迅速達(dá)到赤泥壓縮狀態(tài),漿液壓縮高度比在20%～40%。通過(guò)曲線趨勢(shì)還發(fā)現(xiàn),粒度越小,在一定程度上可以有效提升沉降效果,但粒度過(guò)小,使得沉降性能相對(duì)較差。這主要是因?yàn)?一方面,粒度小、比表面積大,可以大大提升粒子與絮凝劑的接觸位點(diǎn),有利于沉降反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行[8];另一方面,粒度過(guò)細(xì),由于溶劑化效應(yīng)的存在,它使粒子表面形成一層液膜,這層液膜阻礙粒子互相靠近凝聚成大的顆粒,使?jié){液難以沉降和壓縮[9]。此外,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熟料粒子越細(xì),上清液越渾濁,即溢流的浮游物濃度越高,因此,熟料粒度不宜太小[10]。

圖6 不同粒度對(duì)溶出漿液沉降性能的影響

2.5 固含的影晌

將溶出后的漿料加入沉降管中并進(jìn)行抽濾,預(yù)先配置不同固含的漿液進(jìn)行沉降性能實(shí)驗(yàn)。

從圖7可以看出,一定的固含有利于沉降反應(yīng)的發(fā)生,10 min內(nèi)沉降速度很快,進(jìn)而達(dá)到赤泥壓縮階段。在沉降時(shí)間相同的條件下,隨著溶出漿液的固含從50 g/L依次提高至80 g/L,漿液壓縮高度比依次上升。這表明在其他條件保持不變的情況下,漿液固含越高,沉降性能越差。主要原因在于:沉降系統(tǒng)內(nèi)熟料粒度相同,隨著漿液的固含逐步緩慢升高,單位體積內(nèi)顆粒數(shù)逐漸增多,從而絮團(tuán)間距越小,相互之間的排斥作用或空間位阻越大,嚴(yán)重干擾顆?；蛐鯃F(tuán)的沉降性能,故赤泥沉降速度降低[11]。在實(shí)際生產(chǎn)中,控制溶出漿液的固含在50 g/L～60 g/L之間,沉降效果可以達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖7 不同固含對(duì)溶出漿液沉降性能的影響

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)對(duì)拜耳法高濃度溶出漿液的沉降分離進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,得到如下主要結(jié)論:

(1)在拜爾法熟料高濃度溶出漿液分離中,對(duì)于Al2O3濃度為180 g/L的溶出漿液,相比于無(wú)機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑,有機(jī)高分子絮凝劑具有較好的沉降效果,且有機(jī)高分子絮凝劑A11可以實(shí)現(xiàn)固液快速分離,經(jīng)過(guò)60 min壓縮,漿液壓縮高度比保持在30%～40%之間,能夠滿足生產(chǎn)的需要。

(2)絮凝劑的添加量對(duì)赤泥沉降性能的影響較大。在Al2O3濃度為180 g/L,固含為80 g/L左右的溶出漿液中,在一定的范圍內(nèi),絮凝劑添加量增大可達(dá)到較好的沉降效果,1 min內(nèi)就能進(jìn)入赤泥壓縮階段,且60 min內(nèi)沉降高度比保持在較低的范圍。

(3)在絮凝劑相同使用量的條件下,相比于一次加入,絮凝劑多次加入可以得到更好的沉降效果。

(4)熟料粒度越細(xì),沉降效果越差,實(shí)驗(yàn)證明,粒度越細(xì),沉降效果越好。鑒于熟料顆粒越細(xì)會(huì)加速溶出過(guò)程中的二次反應(yīng),同時(shí)對(duì)沉降性能也有不利影響,所以在濕磨過(guò)程中控制赤泥粒度,不宜過(guò)細(xì)。

(5)溶出漿液的固含越高,赤泥沉降速度越慢。