亚熔盐生产氧化铝过程硅组份物理化学研究

论文摘要

针对亚熔盐溶出一水硬铝石型铝土矿过程中SiO2溶出率过高，影响后续结晶和液固分离的瓶颈问题，对亚熔盐法生产氧化铝过程中的铝硅分离问题进行了应用基础研究和工艺优化，主要创新性结果如下：1、采用低铝硅比铝土矿进行了亚熔盐条件下硅酸盐矿物溶出机理研究；研究表明采用亚熔盐溶出一水硬铝石矿物过程中影响最为重要因素为溶出温度，随着溶出温度上升，一水硬铝石等难溶出矿物均有效溶出；溶出温度、溶液苛性比、氧化钠浓度和SiO2浓度对溶出速率均有促进作用；2、采用低铝硅比铝土矿建立了亚熔盐溶出铝硅过程动力学；研究表明反应过程为反应收缩核过程，亚熔盐反应过程中硅铝溶出受化学反应控制；硅溶出动力学方程为（?），铝溶出动力学方程为（?）；3、针对中低品位一水硬铝石铝土矿处理和硅溶出抑制工艺要求，研究采用溶出原液中添加一定量SiO2、采用低铝硅比矿物进行二次强化溶出和溶出后降温脱硅的方法对河南巩义矿的溶出脱硅工艺进行了研究，研究表明这采用三种方式均可以有效降低溶出液中的SiO2浓度和SiO2溶出率；通过对比三种溶出脱硅方法，采用降温制度调整对于处理中低品位的河南巩义铝土矿是较适合的方法，其最优参数是：在453K下溶出两小时后，采用4K／min的降温速率将温度降至413K并恒温3小时；4、采用酸碱中和法对铁系脱硅剂的热力学数据进行了系统计算；研究表明采用低温合成水合铁酸钙、水合碳铁酸钙和水合硫铁酸钙，适当提高温度有利于提高其稳定性及合成速率；采用实验方法对脱硅产物进行了鉴定，脱硅产物为水合钙铁石榴石；采用热力学方法对其进行了计算，研究表明三种脱硅剂进行的脱硅反应Gibbs自由能值均为负值，说明这些脱硅反应都可以自发进行；不同脱硅反应进行的趋势大小顺序为：3CaO·Fe2O3·CaCO3·12H2O>3CaO·Fe2O3·CaSO4·12H2O>3CaO·Fe2O3·6H2O；水合碳铁酸钙为最佳溶液脱硅用脱硅剂；5、通过单因素试验和正交试验，研究了液固相反应法制备水合碳铁酸钙制备工艺；研究表明HCFC（Calcium Hydroferrous Carbonate,下同）在水溶液中为介稳物质，反应温度和反应时间对水合碳铁酸钙的合成具有交互作用影响，在合成过程中合成温度具有显著影响；最优合成条件为：反应温度303K，反应时间12小时，反应液固比20，搅拌速率500r／min，氧化钙粒度为120—150目；6、针对亚熔盐中SiO2深度脱除问题，研究了水合碳铁酸钙在亚熔盐溶液中的脱硅行为及其动力学，研究采用动态平衡法进行反应动力学研究，研究表明，HCFC在亚熔盐溶液中脱硅反应动力学方程为：脱硅反应的活化能为25．768KJ／mol，反应级数为1．279，反应主要受扩散控制；脱硅过程中HCFC分解为钙铁石榴石和氢氧化钙，其中钙铁石榴石与溶液中的硅结合，形成稳定的钙铁硅石榴石；7、水合碳铁酸钙脱硅过程中，随着反应时间的延长脱硅效率不断提高，生成的钙铁硅石榴石颗粒不断长大，较优的脱硅时间为180分钟左右；温度的提高有利于脱硅效率的提高和脱硅产物颗粒的长大，且提高温度可有效减小氧化钠和氧化铝的损失，最佳脱硅温度为403—413K左右；溶液中游离氧化钠浓度是影响脱硅的最主要因素，游离碱浓度的提高会导致DSP的分解和氧化铝的损失；较优的总氧化钠浓度为550g/L。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 氧化铝生产技术发展
• 1.1 铝土矿
• 1.2 氧化铝生产方法
• 1.2.1 酸法生产氧化铝的基本原理
• 1.2.2 碱法生产氧化铝
• 1.2.3 电热法生产氧化铝
• 1.3 氧化铝生产技术现状
• 1.3.1 世界氧化铝生产技术
• 1.3.2 中国氧化铝生产技术现状
• 1.4 一水硬铝石矿强化溶出工艺进展
• 1.4.1 选矿拜耳法
• 1.4.2 石灰拜耳法
• 1.4.3 强化烧结法
• 1.4.4 小结
• 1.5 亚熔盐技术在氧化铝生产中的应用
• 1.5.1 亚熔盐技术基础
• 1.5.2 亚熔盐氧化铝工艺
• 1.6 研究目标和关键问题
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 关键问题
• 2 铝土矿中硅酸盐组分的溶出行为
• 2.1 引言
• 2.2 实验研究方法
• 2.2.1 主要试剂与仪器
• 2.2.2 研究方法
• 2.2.3 分析方法
• 2.3 低品位铝土矿的选择
• 2.3.1 低品位铝土矿成分分析
• 2.3.2 低品位铝土矿物相分析
• 2.3.3 硅矿物形貌分析
• 2.3.4 小结
• 2.4 硅酸盐溶出行为研究
• 2.4.1 溶出时间对过程的影响
• 2.4.2 氧化钠浓度对溶出的影响
• 2.4.3 溶出反应温度对溶出的影响
• 2.4.4 溶液苛性比对溶出的影响
• 2.4.5 二氧化硅浓度对溶出的影响
• 2.5 铝硅溶出动力学研究
• 2.5.1 硅溶出反应动力学
• 2.5.2 铝溶出反应动力学
• 2.5.3 铝硅溶出动力学比较
• 2.6 小结
• 3 河南中低品位铝土矿硅溶出抑制研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验研究方法
• 3.2.1 主要试剂与仪器
• 3.2.2 研究方法
• 3.2.3 分析方法
• 3.3 矿物成分分析
• 3.4 巩义矿的亚熔盐溶出
• 3.5 溶出过程中硅抑制研究
• 3.5.1 二氧化硅浓度的影响
• 3.5.2 原料配比对溶出的影响
• 3.5.3 降温析出对硅抑制的影响
• 3.6 溶出抑制方法比较
• 4 铁酸盐系脱硅剂合成及其脱硅过程热力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 相关化合物的热力学数据
• 4.3 铁酸盐脱硅剂合成热力学计算
• 4.3.1 水合铁石榴石合成热力学
• 4.3.2 碳铁酸钙合成反应热力学分析
• 4.3.3 硫铁酸钙合成反应热力学分析
• 4.4 铁酸盐脱硅剂脱硅反应热力学分析
• 4.4.1 脱硅反应的确定
• 4.4.2 钙铁硅石榴石Gibbs自由能计算
• 4.4.3 脱硅反应中离子Gibbs自由能计算
• 4.4.4 脱硅反应Gibbs自由能计算
• 4.5 脱硅剂选择
• 4.6 小结
• 5 水合碳铁酸钙合成研究
• 5.1 引言
• 5.2 合成原理和主要反应
• 5.3 实验研究方法
• 5.3.1 主要试剂与仪器
• 5.3.2 研究方法
• 5.3.3 分析方法
• 5.4 水合碳铁酸钙制备研究
• 5.4.1 合成时间的影响
• 5.4.2 合成温度的影响
• 5.4.3 合成液固比的影响
• 5.4.4 氧化钙粒度的影响
• 5.4.5 合成HCFC时搅拌速率的影响
• 5.4.6 单因素试验研究小结
• 5.5 水合碳铁酸钙合成的正交试验研究
• 5.5.1 正交试验表的确定
• 5.5.2 正交试验数据处理
• 5.6 水合碳铁酸钙表征
• 5.6.1 水合碳铁酸钙化学成分
• 5.6.2 水合碳铁酸钙热分解特征
• 5.6.3 水合碳铁酸钙IR特征
• 5.6.4 水合碳铁酸钙XRD特征
• 5.6.5 水合碳铁酸钙形貌特征
• 5.7 水合碳铁酸钙脱硅机理初探
• 5.7.1 脱硅反应前后物相XRD图谱
• 5.7.2 脱硅反应前后物相FTIR图谱
• 5.7.3 小结
• 5.8 总结
• 6.水合碳铁酸钙脱硅工艺研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验研究方法
• 6.2.1 主要试剂与仪器
• 6.2.2 研究方法
• 6.2.3 分析方法
• 6.3 水合碳铁酸钙脱硅工艺研究
• 6.3.1 反应时间对脱硅的影响
• 6.3.2 水合碳铁酸钙用量对脱硅的影响
• 6.3.3 反应温度对脱硅的影响
• 6.3.4 氧化钠浓度的影响
• 6.3.5 溶液苛性比对脱硅的影响
• 6.3.6 原液硅量指数对脱硅的影响
• 6.4 水合碳铁酸钙脱硅过程动力学
• 6.4.1 概述
• 6.4.2 实验结果
• 6.4.3 动力学方程的推导及参数估计
• 6.5 脱硅过程机理探讨
• 6.5.1 脱硅过程中HCFC的分解
• 6.5.2 氧化钠浓度的影响
• 6.6 小结
• 7 结论与建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录个人简历
• 致谢