拜耳法过程抑制水解及其机理研究

随着氧化铝企业竞争的激烈和对节能降耗的要求，拜耳法过程中铝酸钠溶液的水解问题日益突出。由于水解造成的氧化铝损失十分巨大，如何抑制铝酸钠溶液水解成为诸多拜耳法企业亟待解决的重大问题之一。申请人通过前期研究发现，对铝土矿进行预脱硅处理和溶出时添加CaO可以有效抑制铝酸钠溶液的水解，然而其原因和机理目前尚不清楚。本项目拟以典型的国外三水铝石型铝土矿和国内一水硬铝石型铝土矿为原料，利用现代先进测试技术，系统研究有机物在铝酸钠溶液中的溶解动力学行为和分子结构演变特征，阐明钠硅渣和钙硅渣在不同预脱硅和溶出条件下微观形貌、显微成分和晶体结构等方面的变化规律，全面揭示预脱硅处理和添加CaO对溶出后矿浆在稀释过程中抑制铝酸钠溶液水解的作用机理，建立抑制水解的溶液和固体的环境条件及调控方法。本项目将为拜耳法企业降低铝酸钠溶液水解损失、提高氧化铝产量提供重要的科学基础与实际指导。

针对拜耳法过程的水解问题，研究了预脱硅和添加CaO对铝酸钠溶液水解的抑制作用及其机理，揭示了抑制水解的环境特征并建立了相应的调控方法。主要结果如下：. 研究了预脱硅和添加CaO对三水铝石型和一水硬铝石型铝土矿溶出性能和溶出液稳定性的影响。预脱硅和添加石灰能够提高矿石的脱硅性能，但预脱硅对氧化铝溶出率影响不大；赤泥碱含量随石灰添加量、溶出温度和时间的增加而降低；石灰促进铝针铁矿向赤铁矿转变和水合铝硅酸钠向水化石榴石转变，提高溶出温度能够提高氧化铝溶出率。添加石灰降低三水铝石矿的氧化铝溶出率，其与石灰添加量呈线性递减关系。一水硬铝石矿的氧化铝溶出率随石灰添加量的增加先升高后降低，提高溶出温度和时间有利于提高氧化铝溶出率；赤泥由赤铁矿、含钠沸石、钙铝榴石、钙铁铝榴石和钙钛矿组成，其含量随石灰添加量、溶出温度和时间的不同而不同。预脱硅和添加石灰大幅提高溶出液的稳定性，尤其是二者结合时几乎不发生水解。. 首次计算了脱硅产物的形成热力学，其在273～573K的吉布斯自由能均为负值，均随温度升高而降低；方钠石与碱性方钠石的自由能较低，水化石榴石与黝方石的较高。利用XRF、XRD、SEM、IR等研究了Na2O-Al2O3-H2O系是否添加CaO时脱硅产物在不同温度、时间、CaO添加量和脱硅制度下的析出活性及其对铝酸钠溶液稳定性的影响。不添加CaO时，脱硅产物由无定形非晶、方钠石、碱性方钠石和黝方石组成，不同脱硅条件下其含量、结晶度和微观形貌不同。非晶含量越高，水解率越高，结晶良好的黝方石和方钠石有利于提高溶液的稳定性。预脱硅有利于降低脱硅产物中非晶的含量和提高黝方石的含量。添加CaO后，脱硅产物由水化石榴石、黝方石和铝酸三钙组成；提高脱硅温度和时间，有利于提高脱硅产物的结晶度，同时使铝酸三钙向水化石榴石转化。预脱硅和添加石灰共存下水化石榴石含量最高，溶液水解程度最低。. 利用IR、GC和HC等在纯铝酸钠溶液和循环母液中研究了有机物在预脱硅和溶出中的溶解行为及其对溶液稳定性的影响。预脱硅对溶出液中有机碳含量影响不大，经直接溶出和预脱硅后溶出溶液中的有机碳溶解率均接近100%；有机物在循环母液的溶解率要明显小于纯铝酸钠溶液；添加石灰能够降低溶液中的有机碳含量。铝酸钠溶液中有机物主要为草酸盐、乙酸盐和甲酸盐；有机物能够提高铝酸钠溶液的稳定性，但对抑制拜耳法水解贡献不大。