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我国铝土矿大部分为低品位一水硬铝石型,这决定了我国主要采用烧结法和混联法来生产氧化铝,但这两种方法能耗高,成本高。针对这种情况,以活性硅在高浓度铝酸钠溶液中能够稳定存在为基础,我们提出了一个处理低品位一水硬铝石矿的新工艺,并围绕新工艺的两个关键工段-化学预脱硅及高硅铝酸钠溶液的脱硅从热力学,动力学及机理等方面展开研究,主要研究内容包括:
(1)研究了铝土矿中活性硅在NaOH-NaAl(OH)4溶液中的浸出动力学。结果表明NaOH和Al2O3浓度及浸出温度是影响活性硅浸出过程的最主要因素。在优化的工艺条件下浸出活性硅可以使开曼矿的铝硅比(A/S,矿中Al2O3与SiO2的质量比)由5.4提高到约15。两个典型的步骤(活性硅的溶出和DSP(脱硅产物)的沉淀)控制了活性硅的浸出过程。一个基于活度的缩核模型和一个二级表面反应动力学模型成功地模拟了两个控制步骤的实验数据。在80～110℃下,两个控制步骤的活化能分别为101.91 kJ·mol-1和58.65 kJ·mol-1。同时从定性与定量两个方面探讨了硅在浓NaOH-NaAl(OH)4溶液中的稳定机理。结果表明:在活性硅浸出过程中,由于形成Al(OH)4-络合物,随着铝酸钠溶液中氧化铝浓度的升高,体系的OH-浓度和过饱和度(S)大幅度下降,从而抑制了DSP的沉淀,增强了硅在溶液中的稳定性。
(2)合成了一类新型高效脱硅剂Ca-Al水滑石,包括Friedel盐(FS)和Kuzel盐(KS),并研究了它们在铝酸钠溶液中的脱硅动力学。实验结果表明用Ca-Al水滑石作为脱硅剂时,可使溶液中95％以上的硅被脱除。动力学结果表明:FS脱硅反应对SiO2的浓度是一级反应,表观活化能为57.7 kJ·mol-1。通过XRD对脱硅产物进行了表征,并探讨了Ca-Al水滑石的脱硅机理。
(3)测定了FS在Na-OH-Cl-NO3-H2O体系中的溶解度和稳定性(温度范围20-200℃)。结果表明:FS在水中的溶解度随着温度的升高而出现一个极大值。由于共离子效应(OH-和Cl-)的影响,FS在NaOH和NaCl溶液中的溶解度随着盐浓度的增大而降低,而在NaNO3溶液由于形成络合物,FS的溶解度反而增大。基于OLI平台,建立了一个全组分化学模型来预测FS的溶解度。通过回归溶解度数据,得到了FS的溶度积(Ksp(FS)),CaOH+的溶出平衡常数,三个离子对(Ca2+-OH-,CaOH+-OH-和CaCl+-OH-)新的Bromley-Zemaitis活度系数模型参数。新参数成功的预测了FS在NaOH+NaNO3混合电解质溶液中的溶解度。利用新得到的模型分析了浓度与温度对含钙组分相对浓度的影响。
(4)根据以上研究结果,完成了新工艺的全流程实验,生产出了合格的冶金级氧化铝产品,所得赤泥的铝硅比约为1.2,氧化铝同收率为80％。因此,提出的新工艺为从含有高活性硅含量的低品位一水硬铝石型铝土矿中提取氧化铝开辟了道路。