高硅铝土矿溶出矿浆沉降性能的模拟研究.pdf

贵州大学 硕士学位论文 高硅铝土矿溶出矿浆沉降性能的模拟研究 姓名李绍明 申请学位级别硕士 专业环境工程 指导教师曾祥钦 20070601 贵州大学硕士学位论文 摘要 本论文应贵州某中小企业的要求，寻求该厂生产中因铝土矿含硅量过高而引 起的固液分离困难的解决办法。由于该铝厂使用的矿源经常变化，溶出矿浆不稳 定。因此，我们提出了以该厂正常生产时的料浆为原料配制高硅含量的模拟料浆。 以保证实验结果的可靠性，可重复性和可比性，通过对模拟料浆的沉降性能的研 究，探索该问题的解决办法。 对正常生产时的溶出料浆的赤泥组分、引起沉降槽跑浑的赤泥组分、铝土矿 矿物组分分析和氧化铝厂的生产情况的调查，证实了引起沉降槽跑浑的原因是铝 土矿矿源中的硅矿物含量过高。 我们从三种絮凝剂中筛选了一种更有效的絮凝剂，该絮凝剂的絮凝效果好， 固液分离效果明显，液固分离后上清液清澈。 加入不同量的硅酸钠到原料浆中，在温度为9 8 ℃、稀释度为1 。反应时间在 2 3 m i n 的条件下反应，通过测定赤泥的沉降性能确定配制模拟料浆硅酸钠的添加 量。 通过X R D 检测赤泥组分，分析结果显示，两种赤泥的组分基本相同。表明 实验配制模拟料浆研究高硅溶出矿浆的沉降性能的方法是可行的。 加入含钙离子到模拟料浆中可以改善模拟料浆赤泥的沉降性能，实验结果表 明加入含钙离子的效果显著。 钙离子的加入也将消耗料浆中的铝酸钠，从而引起了铝的损失。如何减少铝 的损失需要继续研究。 由于该铝厂采取回避使用高硅矿石的办法，以至实验研究成果没能进行工业 化试验。但是论文研究结果对工业生产中解决该类型问题还是具有一定的参考价 值。 关键词铝土矿；硅；模拟料浆；钙离子 贵州大学硕士学位论文 A b s t r a c t T h et h e s i si sr e q u e s t e dt h eG u i z h o uS m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e S e e k i n gt h es o l v i n gw a yt h a to w i n gt h eh e i g h ts i l i c o ni nb a u x i t ea n d a r o u s i n gt h e1 i q u i ds e p a r a t i n gi Sv e r yd i f f i c u l t ，b u tt h eo r es o u r c eO f t e n h a p p e n e dc h a n g e ，d i s s o l v e st h eo r ep u l pn o tt ob eu n s t a b l e ，s i n c ew eh a v e s u g g e s t e dt h a tc o n f e c tt h es i m u l a t i o no r ep u l p ，t h es o u r c ei st h ef a c t o r y r e g u l a rp r o d u c i n go r ep u l p ．T h eg u a r a n t e ee x p e r i m e n tr e s u l ti s r e l i a b i l i t y ，r e p e t i t i v e n e s sa n dc o m p a r a b l e ．W es t u d ys e t t l e m e n tf u n c t i o n r e s e a r c ha n dp r o b e st h ew a yt ot h em o d e lo r ep u l p ． B yt h er e g u l a rp r o d u c i n go r ep u l po fr e d m u dc o m p o n e n t ，a r o u s i n gt h e s e t t l e m e n ts l o tr u na l lo v e rc o m p o n e n t ，b a u x i t eo fc o m p o n e n ta n dt h e s u r v e ya b o u tt h ea l u m i n af a c t o r y ，w ef i n dt h ec a u s et h a tt h ec o n t e n t so f s i l i c o nt o oh i g hi nb a u x i t e ． O n ek i n do fe f f e c t i v ef l o c c u l a n th a v es i f t e df r o mt h et h r e ek i n d s f l o c c u l a n t ，t h ef l o c c u l a n tf l o c c u l a t i o ne f f e c ti sg o o d ，t h es e p a r a t i n g e f f e c ti sd i s t i n c t ，a n dt h eu p1 i q u i di Sc l e a r T h ed i f f e r e n tq u a n t i t ys o d i u ms i l i c a t ei sa p p e n d e dt ot h eo r ep u l p ， t h e r e a c t i o nc o n d i t i o ni s t e m p e r a t u r e9 8 ℃，d i l u t i o nd e g r e ei S1 ，t i m e i s2 3m i n s ．t h es e t t l e m e n tf u n c t i o nb yd e t e r m i n i n gt h er e d m u da s c e r t a i n s t h ea m o u n t sc o m p o u n d i n gt h es o d i u ms i l i c a t ea d d i t i o n ．C h e c kt h er e d m u d c o m p o n e n tb yX R D ，a n a l y t i c a lr e s u l td e m o n s t r a t et h e t w or e d m u d c o m p o u n d i n gb a s i ci si d e n t i c a l ．I n d i c a t i o nt h a tt h ew a yt h a tC o n f e c tt h e m o d e lo r ep u l pr e s e a r c hd i s s o l v e so u tt h eo r ep u l ps e t t l e m e n tf u n c t i o n i Sf e a s i b l e ． A d dt h ec o n t a i n i n gc a l c i u mc o m p o u n dt ot h es i m u l a t i o no r ep u l p ，i t c a ni m p r o v et h er e dm u ds e t t l e m e n t f u n c t i o n ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t i n d i c a t e dv e r yg o o dp u ti nc o n t a i nc a l c i u mc o m p o u n di m p r o v e m e n tr e dm u d s e t t l e m e n tf u n c t i o n ． 贵州大学硕士学位论文 W h e na d d i n gt h ea l u m i n ac o m p o u n do ft h em o d e lo r ep u l p ．A d d i n g s o d i u mt h em a t t e ra n do r ep u l pr e a c t i o na n da r o u s i n gt h el o s so fa l u m i n u m ． S o ，s t u d y i n gR e d u c i n gt h ea l u m i n u ml o s si st h ed i r e c t i o nf o rt h ef u t u r e ． S i n c e ，t h ea l u m i n u mf a c t o r ye v a d et h eq u e s t i o n ，t h ee x p e r i m e n t r e s u l td On o ti n d u s t r i a l i z a t i o n ．B u t ，t h et h e s i ss t u d i e sr e s u l ts t i l lh a s c e r t a i nc o n s u l tv a l u et ot h et y p ep r o b l e mt h a tr e s o l v i n gt h et y p ei nt h e i n d u s t r yp r o d u c t i o n ． K e yw o r d s b a u x i t e s i m u l a t i o no r ep u l ps i l i c o n C a l c i u mi o n ． 原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 E l 期2 Q Q 2 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 ⋯糕斜裕名 日期 生i 月 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 氧化铝工业的发展 1 ．1 ．1 世界氧化铝工业的发展 由于铝及其铝合金具有许多优良性能，而且铝的资源有很丰富，因此，铝工 业自问世以来发展十分迅速。1 9 8 0 年至1 9 9 1 年，全世界金属铝的总产量约2 8 0 0 万吨，到2 0 世纪5 0 年代中叶，铝的产量已超过铜而居有色金属之首，产量仅次 于钢。1 9 9 0 年世界原铝产量为1 6 0 0 多万吨n ’ 此外还有占铝总消耗量2 0 ％左右 的再生铝 ，约占世界有色金属产量的4 0 ％，而2 0 0 3 年世界原铝产量达到2 8 0 0 万吨。 见表1 ．1 。 表1 ．1 世界铝产量和我国铝生产量及消费量统计单位万吨 冰晶石一氧化铝熔体电解仍然是目前工业生产金属铝的唯一方法，所以铝生 产包括从铝矿石生产氧化铝以及电解炼铝两个主要过程。每生产1 吨金属铝消耗 近两吨氧化铝。因此随着电解炼铝的迅速增长‘2 1 ，氧化铝生产也迅速发展起来。 世界各地氧化铝和部分国家的氧化铝产量见表1 ．2 和表1 ．3 。 9 0 ％以上的氧化铝是供电解炼铝用，因此氧化铝工业的盛衰主要取决于电解 贵州大学硕士学位论文 炼铝工业的发展状况啪。电解炼铝以外使用的氧化铝称之为非冶金用氧化铝或多 品种氧化铝。 世界第一个用拜耳法生产氧化铝的工厂投产于1 8 9 4 年，日产仅1 吨多。一 百多年来，随着世界氧化铝需求量的增加，氧化铝工业发展很快，2 0 0 3 年世界 氧化铝总产能达到6 3 3 1 万吨，总产量为5 9 2 2 万吨，其中冶金级氧化铝产量达到 5 4 5 7 万吨，非冶金级氧化铝产量达到4 6 5 万吨。氧化铝工业的发展，使其生产 技术和装备水平不断提高。 表1 ．2 各地区氧化铝产量对比表单位万吨 表1 ．32 0 0 1 年世界氧化铝产量前五位的国家 1 ．1 ．2 我国氧化铝工业的发展 建国以来，我国氧化铝从无到有，从小到大，取得了很大成绩，先后建立了 山东、郑州、贵州三个氧化铝厂1 4 1 。特别是在国家优先发展氧化铝的方针的指导 下，先后建成了山西、中州、苹果等重点氧化铝企业1 5 ] 我国六大氧化铝基地已 基本形成，基本情况见表1 ．4 。 我国氧化铝工业自1 9 5 4 年起始以来，发展迅速，基本以每十年翻一翻的速 度飞速发展，2 0 0 2 年产量突破5 0 0 万吨，2 0 0 3 年产量突破6 0 0 万吨。 2 贵州大学硕士学位论文 我国氧化铝产量及发展速度见表1 ．5 。 表1 ．4 我国六大氧化锅厂主要情况 2 0 0 3 年 表1 ．5 我国氧化铝产量的变化单位万吨 1 ．2 氧化生产基本方法 1 ．2 ．1 碱法 碱法生产氧化铝【1 l 的基本过程如图1 ．1 所示。 铝石矿 图1 ．1 碱法生产氧化铝的流程图 碱法生产氧化铝是用碱 N a O H 或N a 2 C 0 3 处理铝矿石，是铝矿石中的氧 3 贵州大学硕士学位论文 化铝转变成铝酸纳溶液【“。矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分的硅则成为不溶解 的化合物，将不溶解的残渣 由于含氧化铁而呈红色，故称为赤泥 与溶液分离， 经洗涤后弃去或综合利用，以回收其中有用组分。纯净的铝酸钠溶液分解析出氢 氧化铝，经与母液分离、洗涤后进行煅烧，得到氧化铝产品。分解母液可循环使 用，处理另外一批矿石。 碱法生产氧化铝又分为拜耳法、烧结法和拜耳烧结联合法等多种流程。 1 ．2 ．1 ．1 拜耳法 拜耳法是K ．j ．b a y e r 于1 9 8 9 ～1 8 9 2 年提出的，故称之为拜耳法，它适于处 理低硅铝土矿，尤其是处理在处理三水铝石型铝土矿时，具有其它方法无可比拟 的优点目前，全世界生产的氧化铝和氢氧化铝，有9 0 ％以上是采用拜耳法生产 的。拜耳法生产氧化铝如下图1 ．2 。 a ．铝酸钠溶液的晶种分解过程。分子比较低的铝酸钠溶液在添加氢氧化铝 作为晶种，不断搅拌，溶液中的氧化铝便以氢氧化铝形式慢慢析出，同时溶出的 分子比不断增大。 b ．溶出。析出大部分氢氧化铝后的溶液，称之为母液，补加氢氧化钠后， 在加热时，又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物，这就是利用种分母液溶出铝土 矿的过程。 1 ．2 ．1 ．2 联合法 拜耳法和碱石灰烧结法是目前工业上生产氧化铝的主要方法，它们各有其优 点和运用范围。而当生产规模较大时，采用拜耳法和烧结法的联合生产流程，可 以兼有两种方法的优点，而消除其缺点，取得比单一的方法更好的经济效果，同 时可以充分利用铝矿资源。联合法可以分为并联、串联和混联三种基本流程I S ] ， 它主要适用于A 1 ／S 为7 ～9 的中低品位铝土矿。表1 ．6 对以上三种方法进行了总 结。 表1 ．6 不同氧化铝r 艺对矿石品位的要求 4 贵州大学硕士学位论文 续表1 ．6 工艺方法矿石品位要求 备注 烧结法A 1 2 0 3 5 5 ％, A ／S 3 ．5 , F c 2 0 3 能处理低品位的矿石，但能耗 ’ 1 0 ％．F ／A o ．2 0 高 联合法A 1 2 0 3 5 0 ％，A ／S 4 ．5 ，F e ；2 0 3 能充分利用矿石资源，但工艺 1 0 ％流程复杂，能耗高 氧化铝 图1 ．2 拜耳法流程图 5 一申 贵州大学硕士学位论文 1 ．2 ．2 酸法 即用硝酸、硫酸、盐酸等无机酸处理含铝原料而得到相应铝盐的酸性水溶液。 然后使这些铝盐或水合物晶体或碱式铝盐从溶液中析出，亦可用碱中和这些铝盐 水溶液，使其以氢氧化铝形式析出。煅烧氢氧化铝、各种铝盐的水合物或碱式铝 盐，便得到氧化铝。 ． 1 ．2 。3 酸碱联合法 先用酸法从高硅铝矿中制取含铁、钛等杂质的不纯氧化铝，然后用碱法 拜 耳法 处理。其实是酸法除硅，碱法除铁。 1 ．2 ．4 热法 适于处理高硅高铁铝矿，其实是在电炉或高炉内进行矿石的还原熔炼，同时 获得硅铁合金与含氧化铝的炉渣，二者借密度差分开后，再用碱法从炉渣中提取 氧化。 1 ．3 铝土矿概述 1 ．3 ．1 铝土矿的化学组成及矿物组成 铝矿物绝少以纯的状态形成工业矿床住’都是与各种脉石矿物共生在一起的。 在世界学多地方蕴藏着大量的铝硅酸盐岩石n ’，其中最主要的铝矿物列于表1 ．7 中。 表1 ．7 主要含铝矿物 6 贵州大学硕士学位论文 霞石 N a ， K h O - A 1 2 0 3 ’2 S 1 0 2 长石 N a ， K 2 0 - A 1 2 0 3 6 S 1 0 2 ‘2 H 2 0 白云母 K 2 0 3 A 1 2 0 3 6 S 1 0 2 “ 2 H 2 0 绢云母 K 2 0 3 A 1 2 0 3 “ 6 S 1 0 2 2 H e O 3 2 ．3 ～3 8 ．O ～1 9 ．6 ～ 3 ．2 3 ～7 3 6 ．04 2 ．32 1 ．0 1 8 ．4 ～6 5 ．5 ～1 ．O ～ 1 9 ．36 9 ．31 1 ．2 3 54 5 ．22 1 ．5 3 8 ．54 5 ．2 白榴石K 2 0 - A I e O y 4 S 1 0 2 2 3 ．55 5 高岭石K 2 0 - A 1 2 0 3 4 S 1 0 2 3 9 ．5 4 6 ．4 丝钠铝石3 5 ．4 2 1 ．5 N a 2 0 A 1 2 0 3 “ 2 C 0 2 2 H 2 0 3 ．2 5 2 - 6 32 2 ．4 5 ～5 ～6 2 ．5 2 ．5 8 ～1 2 ．6 2 ．6 0 ～3 ．5 ～ 2 ．8 04 ．o 依据铝土矿中上述铝矿物的含量， 铝石型、一水硬铝石型和各种混合型。 一般可将铝土矿分为三水铝石型、一水软 铝土矿中除了A l 如以外，还含有多种杂 7 贵州大学硕士学位论文 质。铝土矿的的质量主要取决于其中氧化铝存在的矿物形态和有害杂质含量，不 同类型的铝土矿其溶出性能差别很大，衡量铝土矿质量，一般考虑铝硅比、氧化 铝含量、铝土矿的矿物类型。 1 ．3 ．2 铝土矿矿石结构特点 铝土矿矿床按其成因，可分为红土型t 9 1 岩溶型和齐赫文型三种主要的地质 类型。红土型“1 铝土矿在其形成过程中，其母岩首先要经过红土化作用，进而 沉积风化或经搬运一沉积再风化。红土型铝土矿在世界铝土矿储量中占的比例较 大，并且，大多数红土型铝土矿为地表矿床，容易露天开采，且大多为三水铝石 型铝土矿，其开采利用率高。岩溶型铝土矿的形成主要是含铝的岩石被含有S 0 4 2 。 或C t h } 等具有较强的腐蚀分解作用的溶液分解，使岩土中的不同元素随溶液的 流动而沉积到不同的方位，经风化等形成铝土矿床。地下开采的铝土矿主要属岩 溶型铝土矿。齐赫文型铝土矿全部由搬运了的铝土矿物组成，沉积于铝硅酸盐岩 石的表面，其形成过程在沉积和保留方面需要许多有利条件的配合，所以只能形 成小型的铝土矿区。 铝土矿中的铝矿物在微观结构方面具有各种不同的特征，即所谓的多晶型和 特殊型，即在铝土矿中的一种矿物可以有不同的结晶度和微观结构。溶出过程一 般是按结晶度的好坏渐进的，结晶度差的氧化铝水合物总是更快的溶出。结晶度 包括晶体大小和结晶完整程度，即与晶格中的位错和类质同晶替代作用的程度有 关。 1 ．3 ．3 世界铝土矿概况 世界铝土矿资源丰富⋯1 ，资源保证程度很高。按世界铝土矿产量 1 ．3 ～1 ．5 亿吨／年 计算，静态保证年限在2 0 0 年以上。2 0 0 2 年世界上已探明的铝土矿储 量约为2 5 0 亿吨，储量基础约为3 4 0 亿吨。主要分布在南美洲 2 7 ％ 、亚洲 1 7 、 大洋州 1 3 ％ 、和其他地区 1 0 ％ 。几内亚、澳大利亚两国的储量约占世界储量 的一半，南美的巴西和牙买加，苏里南、圭亚那约占世界储量的四分之一。此外， 据近年的报道，越南和印度也有丰富的铝土矿资源。 1 ．3 ．4 我国铝土矿概况 我国的资源并不十分丰富【1 1 “1 6 ’矿储量只占世界储量的1 ．5 ％。世界铝土矿 的人均储量为4 0 0 0 千克，而我国只有2 8 3 千克。有资料报道了我国4 5 种主要矿 8 贵州大学硕士学位论文 产对2 0 1 0 年需求量的保证程度，有十种矿产属于不能保证的，其中就包括铝土 矿。按目前氧化铝产量的增长速度和铝土矿的开采、利用中的浪费，即使考虑到 远景储量，我国的铝土矿的保证年限也很难达到5 0 年。所以，应积极进行我国 铝土矿资源的勘察并合理利用现在的铝土矿资源。 1 ．4 ．含硅矿物在氧化铝生产过程中的行为 1 ．4 ．1 含硅矿物与碱液的作用 众所周知，硅矿物是碱法生产氧化铝中最有害的杂质m ’，它包括蛋白石、 石英及其水合物、高龄石、伊利石、叶腊石、绢云母、长石等铝硅酸盐矿物。含 硅矿物在溶出时首先被碱分解，硅酸钠的形态进入溶液，然后与铝酸钠溶液反应 生成水合铝硅酸钠 钠硅渣 进入赤泥。钠硅渣绝大部分进入赤泥，少量溶解于 铝酸钠溶液中，在溶液成分和温度变化时，在继续析出。溶液中的二氧化硅成为 固体析出的过程称为脱硅。 硅矿物的存在形态不同1 1 8 1 他们与铝酸钠的反应能力也不同。蛋白石无定 性，化学活性最大，不但溶于氢氧化钠，而且能被N a 2 C 0 3 溶液分解。高龄石是 二氧化硅在铝土矿中存在的主要形态，它在较低温度下 7 0 ～9 5 。C 就可以与碱 液发生反应。 伊利石又称水白云母，分子式为K A l 2 [ S i ～ 4 0 l o ] O n 2 N h O ．在N a 2 0 浓度 为2 2 5 9 ／L 的母液中，它在1 8 0 1 2 以上，才能明显的与母液反应。在温度2 5 0 。C 时， 可在2 0 m i n 内完全分解转变成为钠硅渣。 叶腊石的分子式为A 1 2 S h 0 1 烈O H 2 ，它在1 5 0 “ 2 以上的温度下才能被铝酸钠 溶液完全分解。 石英的化学活性小，结晶良好的石英即使2 6 0 “ 2 下与铝酸钠溶液的反应也是 缓慢的1 2 l 】。在常压溶出三水铝石矿时，当矿石粒度在2 5 0 I Ii n 左右时，石英对氧 化铝的生产过程也没有什么危害。石英在碱液中的溶出性能除受反应温度、结晶 度好环的影响。一般认为1 0 0 目左右的石英，在低于1 2 5 。C 和氧化钠的浓度在1 2 ％ 左右的溶液中，反应不强烈；在1 8 0 “ C 与浓母液作用， 6 0 的无明显反应，- 2 7 0 目的则全部反应。在2 6 0 。C 溶出的赤泥中，甚至还有没溶出的石英的存在。 1 ．4 ．2 硅矿物对固液分离过程的影响 9 贵州大学硕士学位论文 我国铝土矿中的S i 0 2 中的主要以高龄石的形式存在过程中生成分散度大， 亲水性很强的铝硅酸钠，使赤泥的沉降性能降低t 2 2 1 , 对赤泥的沉降性能有很大 的影响【捌。 1 ．5 赤泥沉降分离 1 ．5 ．1 赤泥的分离洗涤过程 溶出后的浆液为铝酸钠溶液和赤泥组成的混合物u 7 1 要得到满足生产工艺需 求的纯净铝酸钠溶液，分离作业便成为氧化铝生产中一个不可少的过程。纯拜耳 法生产中。赤泥将作为生产中的残渣排弃。如果沉降分离时上清液的浮游物含量 过高，就给后续的过滤工序带来较大的负荷，影响到生产的连续进行，进而影响 到氧化铝的产量。除此之外，沉降分离时上清液的浮游物含量过高，会影响到氧 化铝产品的质量1 2 0 ] 。 用于赤泥沉降分离和洗涤的设备，目前大都采用沉降槽f 2 2 1 。图1 ．3 是沉降 槽分离洗涤设备流程系统图。它包括以下四个过程 第一，稀释溶出后的赤泥浆液用赤泥洗液稀释。 第二，沉降分离经稀释后的赤泥浆液送入沉降槽分离，获得含固体浮游物 的铝酸钠溶液粗液及带有一定量的稠浓赤泥浆液 分离沉降槽底流浆液 。 第三，赤泥反向洗涤分离底流用热水进行多次反向洗涤。 第四，粗液控制过滤控制过滤一般采用叶滤机。通过叶滤后的铝酸钠溶液 精液 送晶种搅拌分解。 图1 ．3 沉降槽分离洗涤设备流程图 1 0 贵州大学硕士学位论文 1 ．5 ．2 影响赤泥沉降分离的因素 1 ．5 ．2 ．1 矿物的形态 铝土矿的组成和化学成分是影响赤泥浆液沉降的主要因素1 1 9 1 ．铝土矿中夹 杂黄铁矿、胶黄铁矿、高龄石，蛋白石、金红石等矿物能降低赤泥沉降速度【2 3 1 ， 因为它们所生成的赤泥中吸附着较多的A l 0 H 4 ．、O f f 、N a T 及水分子；而赤铁矿、 菱铁矿、磁铁矿、水绿矾等所生成的赤泥中吸附的A 1 o H ■O f f 、N a 及水分子 少，所以，有利于沉斛2 4 1 。 针铁矿在高压溶出时完全脱水，生成高度分散的氧化铁，而在赤泥稀释和沉 降过程中却又从新水化，变成胶态的亲水性很强的氢氧化铁，这是针铁矿使赤泥 沉降，压缩性能变坏的原因1 2 5 1 ． 矿石中的T i O , 对赤泥沉降性能的影响取决于它所存在的矿物形态。三水铝 石矿溶出后的赤泥沉降速度随其锐钛矿含量的增加而提高。若T i 0 在赤泥中主 要以金红石形态存在，则其赤泥难以沉降。 高龄石在溶出时生成亲水性很强的水合铝硅酸钠沉淀，因此，它的存在将使 赤泥的沉降、压缩性能变差【捌。 赤泥颗粒的大小也直接影响赤泥的沉降性能。根据斯托克斯定律，赤泥的沉 降速度可以表示为【扒2 8 , 2 9 1 W 0 型垡 箜 1 8 式中W o ．沉降速度； G 一重力加速度； D 一赤泥颗粒直径； 6 赤泥颗粒密度； △铝酸钠溶液密度； l l 铝酸钠溶液黏度。 1 ．5 ．2 ．2 溶出浆液的稀释浓度 赤泥的沉降速度与溶液的浓度有关，溶液的浓度降低、液固比大时，单位体 积的赤泥粒子个数减少，悬浮液的黏度下降，赤泥颗粒的干扰阻力减少，沉降速 度就增大，通常进料L ／s 控制到‘8 卜n 2 。 贵州大学硕士学位论文 1 ．5 ．2 ．3 稀释浆液的温度 稀释浆液温度升高，其黏度和密度下降，因而赤泥沉降速度加快。 1 ．5 ．2 ．4 粘度的影响 由前面公式可以看到，赤泥的沉降速度与铝酸纳溶液的年度成反比，溶液的 粘度过大必然要使赤泥的沉浆速度变小，不能使赤泥与铝酸钠溶液迅速分离，从 而不利于沉降槽的作业，同时还增加溶液的二次损失。 1 ．6 絮凝剂概述 1 ．6 ．1 絮凝剂的使用 添加絮凝剂是目前氧化铝生产上普遍采用且行之有效的加速赤泥沉降的方 法。在絮凝剂的作用下，赤泥浆液中处于分散状态的细小赤泥颗粒互相联合成团， 粒度增大，因而使沉降速度有效提高[ 3 0 l 。 良好的赤泥絮凝剂应具备的条件是a ．絮凝性能好b ．用量少，水溶性好 c ．经处理后的母液澄清度剐3 1 l ；残留于母液中的有机物不影响后续氢氧化铝的 分解1 3 2 l ；d ．所生成的絮凝团能受剪切力；e ．经沉降分离后，底流泥渣的过滤脱 水性能好，饼疏松；f ．原料来源广泛，价格低廉1 3 3 1 。 1 ．6 ．2 有机絮凝剂的种类 1 ．6 ．2 ．1 天然高分子絮凝剂 在早期的氧化铝生产中，为了加速赤泥与铝酸纳溶液的分离，通常在分离过 程中加入天然絮凝剂来提高生产效率p 町。2 0 世纪8 0 年代以前，国内采用的絮凝 剂大多是淀粉类天然高分子絮凝剂，这一类物质主要包括麦类、薯类等加工产品 如面粉及土豆淀粉等 和副产品，r e l “ 许多工厂采用面粉1 3 5 ] 、我国多用麦麸。 天然高分子絮凝剂在赤泥分离过程中，形成的絮团大，且抗剪切力强，底流好输 送，价格低廉，无毒，易于降解。但由于天然高分子絮凝剂在水中的溶解度小， 且分子量较低和不稳定，因而用量较大，并可能引起铝酸钠溶液中有机物含量过 高，对其后续氧化铝生产带来不利影响【3 6 1 。 与合成絮凝剂相比，使用天然絮凝剂虽然赤泥底流流变性差，赤泥沉降速度 较慢，但却具有溢流清凉度高的优点。因此，我国目前仍有许多厂家使用一定比 例的淀粉为絮凝剂，如广西平果铝厂拜耳法赤泥沉降中使用粗木薯粉和发酶的粗 贵州大学硕士学位论文 木薯作为絮凝剂，沉降分离效果优于几种合成絮凝剂，浮游物少【3 7 】。 1 ．6 ．2 ．2 合成絮凝剂 2 0 世纪6 0 年代开始研究合成高分子絮凝剂在赤泥分离中的絮凝效果【3 8 l ，7 0 年代合成絮凝剂在国外氧化铝厂广泛应用。目前普遍用于氧化铝工业生产中的合 成高分子絮凝剂主要有聚丙烯酸钠 P A A S [ 3 7 1 、聚丙烯酰胺1 3 6 1 P A g 以及含氧 肟酸类絮凝剂。 1 ．6 ．3 絮凝剂的存在状态 1 ．6 ．3 ．1 胶体 这类絮凝剂主要以天然絮凝剂1 3 9 1 为主，有效成分一般为4 5 ～5 S ％，不足之处 在于粘度较高，所需剂量大，溶解特性不稳定，质量多变且存储时絮团强度易受 损，正在逐渐被粉体和液体絮凝剂取代。 ．6 ．3 ．2 粉体、 固体粉状絮凝剂一般含有8 8 ～9 2 ％的活性聚合体。因其吸湿性强，所以通常 需要专门的输送和喂给装置，这就有结快和流动性能差的可能性。 1 ．6 ．3 ．3 液体 和粉状絮凝剂相比，液体絮凝剂的优点在于更容易，更能自动化处理和储存， 安全性能高且能快速配置。 a ．乳剂 这种絮凝剂用于赤泥絮凝具有许多优点，它是由分散于烃类油中的水溶性聚 合物微小乳化液滴组成的一种低体积粘度液体，通常称之为油中水或反向乳化 液。这些乳化剂中同时也会含有一种表面活性剂，它既能稳定乳状液又可使乳状 液自我转化，但是这种乳剂在溶解 或分解 和添加过程中若没有进行适当处理， 其优点就不会充分得以发挥。 b ．水溶性絮凝剂 水溶性絮凝剂不但具有液体絮凝剂的所有优点，而且还有自身的优良特性。 与油基乳剂相比，它带入流程中的有机物明显减少，且体积粘度要低的多，所以 它们更容易用泵输送和存储在容器中【柏】。 1 ．6 ．4 絮凝剂在赤泥中的作用机理 氧化铝工业中应用的絮凝剂 天然的或合成的 都是表面活性剂，包含极性 贵州大学硕士学位论文 基团和非极性基团，能够降低固液界面的界面张力，增大固液界面的接触角， 促进表面活性剂在界面上的聚集，即发生吸附。凝聚的过程可分为吸附 即絮凝 剂吸附于悬浮液中固体粒子的表面 和聚凝两个阶段1 4 l l 。吸附是絮凝作用的必 要条件和关键，即只有在固体粒子表面吸附某种适宜数量的絮凝剂时，才能进行 有效的絮凝。由于悬浮液中固相和液相以及高分子絮凝剂本身的组成是复杂的和 多样的，故其絮凝过程的机理也因之而异【删。絮凝的作用机理主要表现为搭桥 效应、脱水效应以及电中和效应。 由于外加高分子化合物 或离子 靠化学健力或分子问作用力强烈地同时吸 附于几个固体粒子上，吸附后絮凝剂的极性基指向水相 亲水 ，或非极性基指 向水相 疏水 ，然后通过亲水力 或疏水力 将已吸附絮凝剂的固相小颗粒结 合成絮团引起沉聚，此作用机理称为搭桥效应【蚓。 电中和效应即为离子型高聚物的加入吸附带电的赤泥粒子上而中和了赤泥 粒子的表面电荷，压缩固体表面双电层的厚度，使‘电位降低，甚至改变固体表 面的电荷性质，这些有利于降低固体颗粒间相互排斥力，有利于破坏其介稳状态， 促进絮凝剂在固体颗粒表面的吸附【矧。 在组成复杂的赤泥浆液中，可能是三种机理方式同时起作用，但在具体特定 的条件下必然有一种是起主要作用的。迄今为止，絮凝剂的选用，仍由实验确定， 虽然可依据对铝土矿的物质组成研究成果，做出定性的判断，但要获得定量的结 果还是依赖实验，没有理论可以定量地描述。 1 ．6 ．5 有机絮凝剂的絮凝效果的影响因素 1 ．6 ．5 ．1 聚合物的平均分子量 所有聚合物都含有不同链长的分子，而相对分子质量只有一个相对平均值， 并没有表明相对分子质量的范围1 1 2 1 ，聚合物的平均链长与絮凝能力有直接关系。 分子量太小，架桥能力差太高，溶解性能差，链段运动受阻并可能重叠，对吸 附和架桥作用不利。 1 ．6 ．5 ．2 平均电荷密度 非离子的单体可以随意与任何比例的阳离子或阴离子单体聚合，从而产生了 各种不同电荷密度的共聚物，而电荷密度又会影响聚合物在微粒表面的吸附。 1 4 贵州大学硕士学位论文 1 ．6 ．5 ．3 水质特性的影响 a ．粒子的大小、种类及浓度 一种类型的有机高分子絮凝剂对胶体粒子的浓度、带电性和大小又一定的适 用范围。胶体粒子比悬浮颗粒难以去处，当水中固相物含量较低时，带负电的粒 子间距较大，彼此间的排斥力阻止其形成絮体，加入阳离子絮凝剂可将其絮凝沉 降下来。 b ．p H 值和离子强度 水的p H 值直接影响悬浮物粒子的；电位，通常认为对有机絮凝剂的影响不 大，但实际上p H 值和离子强度会影响有机高分子链的伸展性、高分子链在粒子 问的吸附度、吸附后的高分子的交互作用等，具体情况有待于深入研究。 1 ．8 ． 4 温度的影响 一般体系温度越高，絮凝效果越好。这是因为随水温升高，系统粘度显著降 低，同时悬浮粒子和高分子动量增加，加快了分子扩散速度，有利于粒子间的碰 撞和絮体生长。但温度过高会引起高分子降解，过低则使絮凝操作变得困难，通 常合适的温度使1 0 ～3 0 “ C | 4 3 1 。 1 ．6 ．5 ．5 絮凝剂用量对沉降试验的影响 一般情况下，絮凝效果随絮凝剂用量增加而增强，用量达到一定值时，絮凝 效果达到最佳，再增加用量效果反而下降。 1 ．6 ．5 ．6 搅拌速度和时f 司对絮凝剂的影响 适当的搅拌速度和时间可增加效果。搅拌速度过快、时间过长，会将形成的 絮体打碎。搅拌过慢，时间过短，则不利于絮凝剂分子与颗粒充分接触、有效捕 集，对絮凝剂不利。速度不超过l O O r ／m i n ，时间不超过5 m i n 为宜。 1 ．7 本文研究意义和内容 1 ．7 ．1 研究意义 随着我国社会和经济的发展，我国对铝资源的需求越来越大，但是我国的铝 土矿资源并不十分丰富，我国的铝土矿只占世界铝土矿资源的1 ．5 ％。人均占有 率更是远远低于世界水平，按目前的氧化铝产量的增长速度和开采、利用中的浪 费，我国的铝土矿储量的保证年限即使考虑远景储量也很难达到5 0 年，所以积 贵州大学硕士学位论文 极合理利用铝土矿资源以保证我国氧化铝工业的可持续发展【4 4 1 。 随着铝土矿越来越大量的被人们开采，高品位的铝土矿资源越来越少【4 5 l ～ M ，所以研究低品位的铝土矿利用越来越迫切。低品位铝土矿中含有大量的杂 质，不利于氧化铝的生产，其中含硅矿物对铝土矿中氧化铝的溶出率、赤泥分离、 及产品氧化铝的质量都有很大影响，企业急需解决由于铝土矿中硅矿物含量过高 带来的问题。 赤泥分离是氧化铝生产过程中的重要环节之一，铝土矿中含有过量的硅矿物 会造成氧化铝生产过程中的固液分离很难进行，致使氧化铝生产很难进行。氧化 铝生产企业由于无法解决铝土矿中硅矿物含量过高引起的赤泥沉降恶化，往往采 取回避的办法，在生产午只采用品位好