基于多尺度模拟的添加剂抑制氧化铝熟料溶出二次反应作用机理研究

It is becoming the issue concerned increasingly by people that how to attain additive to high efficiently and stably inhibit secondary reactions during alumina clinker leaching and improve the alumina leaching rate in the sintered alumina production. In view of the present situation of of the lack of the effective theory guidance for the selection and application of additives,the project intends to study the adsorption law and influencing factors of additive on the interface of calcium silicate and sodium aluminate solution at the level of the microscopic and mesoscopic by the multi-scale simulation method including molecular mechanics (MM), molecular dynamics (MD) and dissipative particle dynamics (DPD) technology, and to reveal the interaction mechanism between them. Based on simulation results, laboratory research will be investigated and the effect of additives inhibiting secondary reaction is studied. The adsorption law of additives on the interface of calcium silicate and sodium aluminate solution and distribution trend are analyzed with infrared spectroscopy, XPS, SEM methods. By combining multi-scale simulation and experiment study, the mechanism of inhibiting secondary reaction will be proved ultimately, the appropriate additives and the type and proportion of complex additive system will be determined, thereby the link between the additive molecular structure - the microscopic behavior - the apparent performance will be established. A theoretical basis is provided for the choice and effective application of additives. The results has important significance for the inhibition of clinker secondary reaction and improving economic indicators of sintered alumina production.

在烧结法氧化铝生产中，如何筛选、使用添加剂高效抑制熟料溶出二次反应，提高氧化铝收得率，成为冶金工作者越来越关注的课题。针对目前添加剂筛选、使用缺乏有效理论指导的现状，本项目拟采用分子力学(MM)，分子动力学(MD)和耗散粒子动力学(DPD)多种模拟相结合的方法，在微观、介观水平上多尺度地研究添加剂在硅酸二钙/铝酸钠溶液界面的吸附规律和影响因素，揭示它们之间的相互作用机理。依据模拟结果进行实验室研究，考察添加剂抑制二次反应的效果，利用红外光谱、XPS、SEM等方法分析添加剂在固/液界面的吸附规律和液固分离的分布走势。通过多尺度模拟与实验结合，最终探明抑制反应机理，确定适宜的添加剂及其复配体系的种类与配比，建立添加剂分子结构--分子行为--表观性能之间的联系，为抑制二次反应添加剂的筛选和有效应用提供理论依据。研究结果对抑制熟料溶出二次反应，提高烧结法氧化铝生产经济指标具有重要意义。

目前我国铝土矿资源品位急剧下降，烧结法处理低品位含铝资源生产氧化铝越来越受到冶金工作者的关注。氧化铝烧结熟料溶出过程中由于二次反应造成氧化铝和苛碱损失。因此，如何筛选、使用添加剂高效抑制熟料溶出二次反应，提高氧化铝收得率，具有积极的实际效益。本项目通过分子动力学(MD)和耗散粒子动力学(DPD)多尺度模拟并结合熟料浸出及添加剂吸附热力学、动力学的实验研究，确定并制备了具有多官能团的聚合物添加剂及其复配体系的种类与配比，探明了聚合物添加剂抑制二次反应机理，建立添加剂分子结构--分子行为--表观性能之间的联系，为抑制二次反应添加剂的筛选和有效应用提供理论依据。研究表明，当添加量为熟料质量的0.1%时，合成的具有多官能团聚合物PAH、PAV的氧化铝浸出率较空白分别提高了3.72%、3.37%，抑制效果明显优于具有单一官能团聚合物PAA的2.34%。聚合物PAH、PAV以多分子层形式吸附在硅酸二钙表面，吸附△H分别为47.949和48.732 kJ·mol-1，大于40 kJ·mol-1，吸附过程为化学吸附。聚合物PAV、PAH通过其羟基和羧基多种官能团之间的多种键合作用相互配合，强化了其在硅酸二钙表面的吸附。聚合物PAV与聚合物PEG复配（PAV3:PEG2），当其添加量为熟料质量的0.05%时，氧化铝浸出率较空白提高了4.01%，抑制效果明显优于单一添加剂，表明复配聚合物间具有明显的协同作用。PAV3:PEG2复配添加剂在β-C2S表面的吸附，一方面是聚合物PAV、PEG利用其官能团与β-C2S表面的Ca离子、氧离子通过形成离子键和氢键吸附在β-C2S表面，另一方面，聚合物PAV与PEG之间主要通过PAV中的羟基氢与PEG中的醚基氧形成氢键，在吸附过程中相互连接，产生协同作用，使得复配聚合物在β-C2S表面形成紧密的吸附层。复配添加剂AVEG和AHAS在液固分离过程中，大部分随赤泥带走，残余在铝酸钠溶液中的量远低于0.3g.L-1，对生产流程没有不利影响。研究结果对抑制熟料溶出二次反应，提高氧化铝生产经济指标具有重要的实际及理论意义。