铝酸钠溶液种分过程降温制度的研究.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 1 0 年2 期 3 1 铝酸钠溶液种分过程降温制度的研究 洪利明刘晓作2 ，任凤莲1 ，王超男1 ，沈祥会1 1 ．中南大学化学化工学院，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．上饶师范学院化学系，上饶3 3 4 0 0 1 摘要研究了铝酸钠溶液晶种分解过程中的相对过饱和度、分解率、产品粒度分布和反应速率常数在不 同温度下的变化情况。结果表明。在5 0 - ．．7 5 ℃，铝酸钠溶液的相对过饱和度随温度的升高而逐渐减小， 产品的平均粒度和反应速率常数随温度升高而增大，铝酸钠溶液种分分解率在6 5 ℃时达到最大。在降 温制度下，铝酸钠溶液种分的分解率为2 8 ．8 6 ％，仅略低于6 5 ℃时的分解率，而产品粒度大于6 5 ℃时的 产品粒度．降温制度下的铝酸钠溶液种分既能保证分解率又能提高产品氢氧化铝的粒度。 关键词铝酸钠溶液；相对过饱和度；降温制度 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 2 - - 0 0 3 1 - - 0 4 S t u d yo fD e c r e a s i n gT e m p e r a t u r eo nS e e d P r e c i p i t a t i o no fS o d i u mA l u m i n a t eS o l u t i o n H O N GL i m i n 9 1 ，L I UX i a o Z U 0 2 ，R E NF e n g l i a n l ，W A N GC h a o n a n l ，S H E NX i a n g h u i l 1 ．C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ； 2 ．D e p a r t m e n to fC h e m i s t r y ，S h a n gr a oN o r m a lC o l l e g e ，S h a n gr a o3 3 4 0 0 1 A b s t r a c t T h ec h a n g e so ft h er e l a t i v es u p e r s a t u r a t i o n ，p r e c i p i t a t i o nr a t i o ，t h ep r o d u c tp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dr e a c t i o nr a t ec o n s t a n to ft h es e e dp r e c i p i t a t i o no ft h es o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tf r o m5 0 ℃t o7 5 ℃r e l a t i v es u p e r s a t u r a t i o no f t h es o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o nd e c r e a s e sw i t ht e m p e r a t u r eg r a d u a li n c r e a s e s ，a v e r a g ep a r t i c l es i z ea n dr e a c t i o nr a t ec o n s t a n ti n c r e a s ew i t ht h eg r a d u a li n c r e a s e so ft e m p e r a t u r e ，a l u m i n u ms o d i u mp r e c i p i t a t i o nr a t i o r e a c h e st h em a x i m u ma t6 5 ℃．I na d d i t i o n ，t h es o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o no fp r e c i p i t a t i o nr a t i oi S2 8 ．8 6 ％ a tt e m p e r a t u r ed e c r e a s es y s t e m ，h o w e v e r ，o n l ys l i g h t l yl o w e rt h a nt h eo n ea t6 5 ℃，t h ep r o d u c tp a r t i c l e s i z ea tt h i sc o n d i t i o ni sl a r g e rt h a nt h eo n ea t6 5 ℃．S e e dp r e c i p i t a t i o na tt e m p e r a t u r ed e c r e a s es y s t e mn o t o n l ye n s u r e sl a r g e rs e e dp r e c i p i t a t i o nr a t i o ，b u ta l s oi m p r o v e st h ep r o d u c tp a r t i c l es i z e ． K e y w o r d s S o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o n ；R e l a t i v es u p e r s a t u r a t i o n ；T e m p e r a t u r ed e c r e a s es y s t e m 目前，工业氧化铝的生产方法主要是拜耳法，但 是由于铝酸钠溶液的超常稳定性，以及铝酸钠溶液 与氢氧化铝晶体之间高达1 ．2 5N ／m 的界面张力， 即使是在外加大量氢氧化铝晶种情况下，铝酸钠溶 液的分解也较为缓慢。因此，人们一直在探索各种 强化铝酸钠溶液晶种分解的有效方法，主要包括晶 种活化强化[ 1 1 ] 、表面添加剂强化[ 3 - 6 ] 、外场强 基金项目湖南省科技计划重点项目 2 0 0 7 F J 3 0 0 8 作者简介洪利明 1 9 7 9 一 ，男，江西上饶人，硕士研究生． 化[ 7 - 8 ] 和降温制度强化[ 9 ] ，对铝酸钠晶种分解过程 降温制度的研究还比较少。 温度制度对晶种分解过程的技术经济指标和产 品质量有很大影响。特别是产品粒度很大程度上取 决于温度制度。分解温度制度包括分解初温、终温 及降温制度。分解初温是影响分解产品粒度的主要 因素。提高温度能使晶体的成长速度大大增加。当 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年2 期 溶液饱和度相同时，氢氧化铝结晶成长的速度在 8 5 ℃时比5 0 ℃高出6 ～l o 倍。这是因为较高温度 下，铝酸根离子的活动能力强，扩散速度和表面反应 速度快，有利于晶体的长大。高温分解是生产砂状 氧化铝的必要条件，但砂状氧化铝分解的末温也较 高的话，会对分解率和分解产能都是不利的。 1实验 1 ．1 实验方法 配制适宜浓度的N a O H 溶液，根据所需铝酸钠 溶液的分子比计算出需要A 1 o H 。的量，将一定 量的工业A 1 O H 。加入溶液中，并加热搅拌使其 完全溶解后，趁热抽滤，可以得到纯净的铝酸钠溶 液。稀释至所需苛性碱浓度的铝酸钠溶液，将此溶 液4 0 0m L 加入到恒温密封的自制种分槽中，种分 槽温度由恒温水浴控制，并用电子搅拌器不断搅拌。 实验中定期取样并离心分离，用移液管吸取上层清 液移至容量瓶，采用滴定法分析苛性碱和氧化铝的 浓度；下层沉淀用热的去离子水洗净、干燥，并作粒 度分析。 1 ．2 苛性碱和氧化铝浓度分析 苛性碱分析用B a C l 。溶液消除C O 。2 一的影响， 以水杨酸钠掩蔽溶液中的A 1 3 ，绿光酚酞 1 1 作 指示剂，用标准稀H C l 溶液标定。 氧化铝分析以二甲酚橙作指示剂，用乙酸一乙 酸钠缓冲溶液控制溶液的p H ，采用标准Z n A c 。 溶液反滴定过量的E D T A 标准溶液。 粒度分析采用M a s t e r s i z e r 2 0 0 0 型粒度测试仪 进行粒度分析。 2 结果与讨论 2 ．1 不同温度铝酸钠溶液的种分情况 不同温度晶种分解实验的主要参数为铝酸钠 溶液的分子比舢一1 ．4 3 2 ，苛性碱浓度N 。一1 4 3 ．2 g ／L ，实验温度分别为 ℃ 7 5 、7 0 、6 5 、6 0 、5 5 和5 0 ， 搅拌速度1 5 0r ／m i n ，待温度恒定后，搅拌4 0m i n 再 加入品种，晶种的质量浓度为1 0 0g ／L ，使铝酸钠溶 液发生分解，定时取样分析。 2 ．1 ．1 不同温度铝酸钠溶液晶种分解过程的相对 过饱和度 铝酸钠溶液的相对过饱和度可以影响铝酸钠溶 液种分分解的反应速度和种分进行的深度。图1 为 不同温度对铝酸钠溶液晶种分解过程的相对过饱和 度的影响实验结果。结果表明，在铝酸钠溶液晶种 分解过程中，随着温度的降低，铝酸钠溶液的相对过 饱和度逐渐增大。这因为在其他条件都相同的情况 下，随着温度的升高，铝酸钠溶液中的氧化铝平衡质 量浓度逐渐减小，其中氧化铝平衡质量浓度e 采用 M I S R A 经验公式[ 1 0 ] 计算 C e G e x p , 6 ．2 1 0 6 一 2 4 8 6 ．7 1 ．0 9 7 5 G ／丁] 相对过饱和度艿一 f 一巳 ／c ， 从这一计算公式能够明确地得出氧化铝的平衡 质量浓度随温度升高而减小，因为氧化铝的初始相 同，故铝酸钠溶液的相对过饱和度随温度的降低而增 大。 雠 犀 甚 翅 霞 霹 图1温度对铝酸钠溶液相对过饱和度的影响 F i g ．1 E f f e c to ft e m p e r a t u r eo nr e l a t i v e d e g r e eo fs u p e r s a t u r a t i O n 2 ．1 ．2 不同温度铝酸钠溶液晶种分解过程的分解率 图2 为不同温度对铝酸钠溶液晶种分解过程分 解率的影响实验结果。结果表明，在晶种分解过程 的前4 ．5h ，随着温度的升高，分解率也逐渐增大。 这是因为较高温度下，铝酸根离子的活动能力强，扩 散速度和表面反应速度快，有利于晶体的长大。而 在晶种分解过程的后3 ．5h ，从7 5 ℃至6 5 ℃时，随温 度降低铝酸钠溶液的分解率逐渐增大，是因为高温 下随着后半程种分的进行，溶液的相对过饱和度降 低的程度加剧，对晶种的析出不利。从6 5 ℃至5 0 ℃ 时，随温度的降低铝酸钠溶液的分解率也逐渐减小。 这是由于随温度的降低，铝酸钠溶液的黏度增大，铝 酸根离子的活动能力减弱，扩散速度和表面反应速 度变缓慢，虽然温度的降低，铝酸钠溶液的过饱和度 也相应的增大，可种分的速度也会减慢，因此温度太 低对种分的反应速度不利。而6 5 ℃既能保证扩散 速度和表面反应速度，铝酸钠溶液的过饱和度又较 2 ●0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 9 8 7 6 5 4 3 2 2 2 l l l l l●●●l l O O 0 O O 0 0 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年2 期 3 3 高，有利于铝酸钠溶液晶种分解的进一步反应。 母 、 料 筵 焱 套 毒 时间／h 图2 温度对铝酸钠溶液种分分解率的影响 F i g ．2 E f f e c to ft e m p e r a t m eo np r e c i p i t a t i o nr a t i o 2 ．1 ．3 温度对铝酸钠溶液种分产品粒度的影响 表l 所示为温度对铝酸钠溶液晶种分解过程产 品粒度的影响实验结果。结果表明，随着种分温度 的提升，产品氢氧化铝的粒度逐渐增大。从产品粒 度分布情况可以看出，温度越高，小颗粒产品的体积 分数越小，这是由于在高温时，铝酸根离子的扩散速 度和表面反应速度较快，析出的产品氢氧化铝量大， 并且全部用于小颗粒晶种的附聚，有利于产品粒度 的增大，而在低温时，由于溶液的过饱和度较大，有 利于次生晶核的生成，导致产品粒度偏小；并且铝 酸根离子的扩散速度和表面反应速率慢，析出的氢 氧化铝用于附聚的量也就少，对产品粒度的增大不 利。 表1温度对铝酸钠溶液种分产品粒度的影响 T a b l e1E f f e c to ft e m p e r a t u r eO i lp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fg i b b s i t ep r o d u c t s 温度／℃ 而l O i 面2 面0 - 』2 0 ～鬻3 0 } 3 0 ～4 5 i i 4 5 ／L m d o ．咖m O ～ p m 1 0 ～ p mp mp m ’ 1 0 ．1 8 4 ．7 6 5 ．1 0 I ．8 4 1 ．6 2 0 ．2 1 0 ．1 4 0 ．8 5 2 5 ．9 5 2 3 ．3 8 2 3 ．9 5 1 9 ．5 0 1 8 ．5 6 l O ．9 3 7 ．7 3 1 5 ．2 9 3 5 ．0 3 3 8 ．7 8 3 8 ．9 1 4 2 ．1 3 4 1 ．3 3 3 7 ．0 1 2 8 ．5 3 4 0 ．4 1 2 6 ．3 8 3 3 ．0 9 3 2 ．0 5 3 6 ．5 3 3 8 ．4 8 5 1 ．8 5 6 3 ．3 0 4 3 ．4 4 3 4 ．5 5 2 3 8 ．2 7 3 3 7 ．8 5 5 4 0 ．3 2 5 4 1 ．0 2 9 4 6 ．4 8 9 5 2 ．6 7 0 4 3 ．0 4 9 2 ．1 ．4 温度与附聚反应速率常数的关系 图3 表明，在其他条件完全相同的情况下，附聚 反应速率常数随温度的升高而增大，这是由于随着 温度的升高，铝酸钠溶液的黏度降低，加速了晶种在 溶液中的扩散以及晶种溶液界面之间的传递过程， 以及提高了粒子发生碰撞的频率。而在较低温度 下，铝酸钠溶液的过饱和度较大，铝酸根离子的扩散 速度和表面反应速度较慢，因而不利于铝酸根离子 之间的碰撞。对这些数值进行线性拟合可以得出结 论附聚反应速率常数与温度之间呈线性关系。 2 ．2 铝酸钠溶液晶种分解过程降温制度的探索 从前面铝酸钠溶液晶种分解过程的相对过饱和 度、分解率、产品粒度和反应速率常数这四部分的实 验数据可知，高温时，铝酸钠溶液的相对过饱和度较 低，溶液种分反应的速率常数比较高，有利于铝酸钠 溶液晶种分解附聚过程产品的粒度，但不利于铝酸 钠溶液种分的分解率；而低温时，铝酸钠溶液的过饱 和度较高，溶液晶种分解过程的反应速率常数较小， 而且不利于铝酸钠溶液晶种分解附聚过程产品的粒 度和铝酸钠溶液种分的分解率。因此，恒定的高温 和低温对铝酸钠溶液的种分分解都不大恰当，本文 决定采用降温制度来研究对铝酸钠溶液晶种分解过 程的产品粒度和分解率的影响，同时与其他温度的 效果作比较。采用降温制度的形式为0 二1 h 竺2 旦3 h 竺4 h h里6 h 翌8 h 实验结果如图 一2 一3 h 一一6 一8 h ，实验结果如图 2 和表1 所示，在这种降温制度下，铝酸钠溶液的种 分分解率为2 8 ．8 6 ％，仅略低于6 5 。C 时的分解率，并 且种分产品的粒度也较大。因此，这种降温制度下 的种分既能保证分解率又能提高产品氢氧化铝的粒 度。 3结论 1 随着温度的降低，铝酸钠溶液晶种分解过程 中铝酸钠溶液的相对过饱和度逐渐增大；而产品氢 氧化铝的粒度和附聚反应速率常数随着种分温度的 升高逐渐增大； 0 0 O O O O 2 种O 5 O 5 O 5 温 晶5 5 6 6 7 7变 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年2 期 豁 葬 瑚 翻 怄 时间／h 图3 温度与反应速率常数的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r e a n dr e a c t i o nr a t ec o n s t a n t 2 在晶种分解过程的前4 ．5h ，随着温度的升 高，分解率也逐渐增大。而在晶种分解过程的后 3 ．5h ，从7 5 ℃至6 5 ℃时，随温度降低铝酸钠溶液的 分解率逐渐增大，从6 5 ℃至5 0 ℃时，随温度的降低 铝酸钠溶液的分解率也逐渐减小； 3 采用“0 竺1 h 竺2 h 竺3 h 竺4 h 翌 6 h 二8 h ”这种降温制度，铝酸钠溶液的种分既能 保证分解率又能提高产品氢氧化铝的粒度。 参考文献 [ 1 ] 尹周澜，曾纪术，陈启元．晶种活化强化铝酸钠溶液的种 分分解F J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 8 ，1 8 2 3 6 1 3 6 5 ． i - 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