高硫铝土矿焙烧预处理的赤泥沉降性能(1).pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期 2008204209 基金项目国家自然科学基金资助项目50644016 ,50704011 ;国家重点基础研究发展计划项目2007CB13504 ;教育部高等学 校博士学科点专项科研基金资助项目20050145029 ;辽宁省优秀青年科技人才基金资助项目2005221012 . 作者简介吕国志1981 - ,男,辽宁沈阳人,东北大学博士研究生;张廷安1960 - ,男,河南周口人,东北大学教授,博士生导师. 第30卷第2期 2009年2月 东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Vol130 ,No. 2 Feb.2 0 0 9 高硫铝土矿焙烧预处理的赤泥沉降性能 吕国志,张廷安,鲍 丽,豆志河 东北大学 材料与冶金学院,辽宁 沈阳 110004 摘 要采用马弗炉、 旋转管式炉分别对我国高硫铝土矿进行焙烧预处理,考察焙烧温度对焙烧矿溶出 赤泥沉降性能的影响;利用SEM ,XRD技术对焙烧矿溶出赤泥的表观形貌、 物相组成变化进行分析,并对焙 烧矿赤泥沉降性能变化机理做了进一步的探讨.实验结果表明焙烧预处理使赤泥的表观形貌更加疏松多孔, 使矿石中的针铁矿转化为憎水的赤铁矿,提高了赤泥的沉降性能;焙烧矿过于疏松会导致溶出赤泥严重细化, 使赤泥沉降性能大为降低.与马弗炉焙烧相比,旋转管式炉焙烧矿溶出赤泥的沉降性能更好. 关 键 词高硫铝土矿;焙烧;赤泥;沉降性能 中图分类号 TF 803. 21 文献标识码 A 文章编号 10052302620090220242204 On the Settling Perance of Red Mudfrom Preroasted High2 Sulfur Bauxite LΒGuo2zhi , ZHAN G Ting2an , BAO Li , DOU Zhi2he School of Materials roasting; red mud; settling perance 在氧化铝生产中,赤泥的沉降分离是一个非 常重要的环节,它影响着氧化铝的产能、 品质及效 益.国内外对于铝土矿焙烧预处理、 氧化铝拜尔法 溶出赤泥的沉降性能、 机理以及赤泥综合利用都 做过很多研究[1 - 10],但对于铝土矿焙烧预处理对 赤泥沉降性能的影响报道较少.本文考察了焙烧 预处理对拜尔法溶出赤泥的沉降性能、 表面结构、 物相组成等方面的影响,较为系统地研究了焙烧 预处理影响铝土矿溶出赤泥的沉降变化的机理. 1 实 验 1. 1 原 料 实验所用铝土矿为国内某高硫型一水硬铝石 矿,经破碎研磨至所需粒度,矿石主要化学成分 质量分数 , 为Al2O359. 16 ,SiO27. 15 ,Fe2O3 12. 68 ,S 1. 82. 矿石的XRD分析如图1所示.铝土矿主要化 学矿相为一水硬铝石,另外还有一定量的针铁矿、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 高岭石、 黄铁矿,其中硫主要存在于黄铁矿 FeS 2 中. 图1 铝土矿样的XRD谱 Fig. 1 XRD pattern of bauxite sample 实验用的溶出液由国内某铝厂的种分母液和 氢氧化钠分析纯及氢氧化铝分析纯配制而 成Na2Ok铝酸钠溶液中的苛性碱、 与氧化铝反 应生成铝酸钠的Na2O、 以NaOH形式存在的游 离Na2O 221 g/ L ,Na2OT Na 2OC Na2Ok,Na2OC 是指以Na2CO3形式存在的Na2O 239 g/ L , Al2O3125 g/ L. 絮凝剂的配置采用某铝厂提供的NACLO 絮凝剂,溶于3 g/ L的碱液中,在温度为30～ 40℃ 的水浴中加热,缓慢溶解,制成所需浓度的 NACLO溶液. 1. 2 实验过程 焙烧实验使用SZK13型旋转管式炉和SX2 - 5 - 12型马弗炉分别对该铝土矿进行焙烧实验; 按照不同焙烧温度对铝土矿进行焙烧,其中焙烧 时间确定为1 h ,考察不同焙烧温度500 ,600 , 700 ,750 ,800℃下焙烧矿在溶出温度为200℃、 溶出时间为1 h的条件下溶出赤泥的微观结构变 化情况和物相转变情况. 拜尔法溶出实验使用WHFS - 1型反应釜 对原矿与焙烧矿进行拜尔法溶出实验,溶出时间 确定为60 min ,石灰添加量为5 . 溶出矿浆沉降性能实验在恒温水浴槽中进 行.采用WMZK- 01温度仪控制温度.将溶出赤 泥稀释到一定浓度,加入到100 mL量筒内,放入 水浴温度为80℃ 的水浴槽内,按要求向溶出液中 加入规定数量的絮凝剂,同时用玻璃棒搅拌1 min 后,计算沉降时间,并每隔一定时间记录一侧泥浆 层高度. 2 结果与讨论 2. 1 溶出赤泥表观形貌分析 原矿、 马弗炉焙烧矿、 旋转管式炉焙烧矿的 SEM照片如图2所示.从图中可以看出,原矿溶 出赤泥的晶体结构仍致密完整,针状结晶较多;这 主要是因为,一水硬铝石矿结晶比较致密,因而细 粒矿在同等条件下总是先溶完,大颗粒、 结晶好的 一水硬铝石晶体因未溶出而残留在赤泥中,因此 赤泥中残留的粒度较粗.经能谱分析,结晶致密的 矿物颗粒的主要组成为一水硬铝石,针状结晶为 针铁矿的形貌. 图2 溶出赤泥的扫描电镜照片 Fig. 2 SEM images of red mud a 原矿溶出赤泥 ; b 马弗炉焙烧矿溶出赤泥 ; c 旋转管式炉焙烧矿溶出赤泥. 焙烧矿的赤泥较原矿赤泥在外观形貌上有很 大的区别.由图2可以看出,经过焙烧预处理的矿 石溶出后的赤泥表面结构相对疏松,表面的孔隙 和裂纹相对增多,表面的针状结构明显减少.分析 主要原因为原矿中结构致密的一水硬铝石经过 焙烧预处理已转化为结晶不完善的氧化铝,使原 来致密的晶格结构遭到破坏,因此溶出赤泥变得 疏松多孔,这在沉降过程中有利于赤泥颗粒的团 聚和对絮凝剂的吸附,从而促进沉降过程.而针状 结构的消失,主要是因为原矿中的针铁矿在焙烧 过程中大部分转化成为赤铁矿,这对沉降过程也 十分有利. 2. 2 马弗炉焙烧矿赤泥沉降性能 不同焙烧温度下马弗炉焙烧矿的赤泥沉降性 能见图3a.由图可以看出,在沉降过程前10 min , 600℃,700℃焙烧矿的沉降速度较原矿下降很 342第2期 吕国志等高硫铝土矿焙烧预处理的赤泥沉降性能 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 多,其中600℃焙烧矿溶出赤泥沉降速度最慢, 500℃ 焙烧矿溶出赤泥沉降前5 min速度低于原 矿,5 min后优于原矿,750℃,800℃ 焙烧矿溶出 赤泥沉降速度明显优于原矿. 10 min后,焙烧矿溶 出赤泥的沉降速度均高于原矿. 2. 3 旋转管式炉焙烧矿赤泥沉降性能 不同焙烧温度下旋转管式炉焙烧矿的赤泥沉 降性能见图3b.由图可以看出,在沉降过程前10 min ,600℃焙烧矿的溶出赤泥沉降速度略低于 原矿,其他焙烧矿溶出赤泥速度均较原矿有所提 图3 不同温度旋转管式炉焙烧矿赤泥沉降速度 Fig. 3 Settling curve of red mud at different roasting temperatures a 马弗炉 ; b 旋转管式炉. 高. 10 min后,所有焙烧矿溶出赤泥沉降速度均高 于原矿. 3 沉降机理分析 铝土矿溶出的赤泥在沉降过程中,影响较大的 两个因素是赤泥粒度和赤泥中铁矿物的存在形态. 经X射线分析图 4 可知,原矿溶出赤泥中仍含有 少量的针铁矿,经过焙烧预处理后,矿石中的大部 分针铁矿经高温加热发生脱水氧化反应生成具有 憎水性能的赤铁矿,这可以改善赤泥的沉降性能. 图4 溶出赤泥的XRD谱 Fig. 4 XRD pattern of red mud a 原矿 ; b 焙烧矿. 在焙烧过程中,铝土矿表面出现孔隙和裂纹, 在600℃ 焙烧条件下,这种现象尤为明显.由于这 种孔隙和裂纹的存在,在溶出过程中,铝土矿与碱 液的接触面积增大.使用氮吸附法测定的焙烧矿 比表面积结果如表1. 表1 焙烧矿样比表面积 Table 1 Specific surface area of roasted ore samples m2/ g 原矿500℃600℃700℃750℃800℃ 0. 9275. 1726. 1124. 8644. 3233. 541 赤泥沉降过程中,需要细的赤泥粒子聚结成 大颗粒以克服液体阻力,但矿石在焙烧过程中,由 于脱水和相变而产生的孔隙和裂纹增多,使焙烧 矿溶出赤泥细化现象严重,赤泥沉降性变差.由表 1可知,600℃ 焙烧矿比表面积最大,因此600℃ 焙烧矿溶出赤泥细化现象最严重.图5为原矿与 焙烧矿溶出赤泥粒度分布. 由图5可知,600℃ 焙烧矿较原矿赤泥细化 很多,而500℃,750℃ 焙烧矿溶出赤泥较原矿细 化并不严重.由于焙烧预处理可使矿石中针铁矿 完全转变为赤铁矿,使赤泥沉降性能有所提高,因 此500℃,750℃ 赤泥沉降性能均较原矿有所提 高.与马弗炉焙烧矿相比,旋转管式炉焙烧矿的颜 色更红.因此可以推断旋转管式炉焙烧矿中针铁 442东北大学学报自然科学版 第30卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 矿向赤铁矿的晶型转变更完全,故经过旋转管式 炉焙烧预处理的铝土矿的赤泥沉降性能要优于马 弗炉焙烧矿. 图5 不同温度焙烧矿溶出赤泥粒度分布 Fig. 5 Particle size of digested red mud from roasted ore a 原矿 ; b 500℃ 焙烧矿; c600℃ 焙烧矿 ;d 750℃ 焙烧矿. 4 结 论 1 焙烧预处理对溶出赤泥的沉降性能有很 大影响.焙烧预处理使赤泥的表观形貌更加疏松 多孔,这有利于赤泥颗粒的团聚和对絮凝剂的吸 附,对沉降过程是有利的. 2 焙烧预处理可以使矿石中的针铁矿转化 为赤铁矿,使赤泥沉降性能有所改善.旋转管式炉 焙烧矿中针铁矿的转化更完全. 3 焙烧温度为600℃ 时,因为焙烧矿中孔隙 和裂纹过多而导致溶出赤泥严重细化,使赤泥沉 降性能大为降低,其中马弗炉焙烧矿更明显.因 此,焙烧预处理应在适当的焙烧条件下进行. 参考文献 [ 1 ]Liu Y, Lin C X, Wu Y G. Characterization of red mud derived from a combined Bayer process and bauxite calcination [J ].Journal of Hazardous Materials, 2007 ,1461/ 2 255 - 261. [ 2 ]Hulston J , Kretser R G, Scales PJ. Effect of temperature on the dewaterability of hematite suspensions[J ].International Journal of Mineral Processing, 2004 ,73 2/ 3/ 4 269 - 279. [ 3 ]曹文仲,钟宏,田伟威,等.赤泥矿物表面电性与高分子官 能团选择絮凝[J ].有色金属, 2006 ,581 72 - 74. Cao Wen2zhong , Zhong Hong ,Tian Wei2wei ,etal. Surface electro2chemical perance of mud2mineral from alumina production and selective flocculation with polymer functional group[J ].Nonferrous Metals, 2006 ,581 72 - 74. [ 4 ]Chvedov D , Ostap S , Le T. Surface properties of red mud particles from potentiometric titration [ J ].Colloids and Surf aces A PhysicochemicalandEngineeringAspects, 2001 ,1821/ 2/ 3 131 - 141. [ 5 ]Li L Y. A study of iron mineral transation to reduce red mud tailings[J ].Waste Management, 2001 ,21 6 525 - 534. [ 6 ]Li L Y, Rutherford G K. Effect of bauxite properties on the settling of red mud[J ].International Journal of Mineral Processing, 1996 ,483/ 4 169 - 182. [ 7 ]余峰涛,陈跃,尹中林.拜尔法赤泥的沉降分离过程初探 [J ].有色金属冶炼部分, 20061 26 - 29. Yu Feng2tao , Chen Yue , Yin Zhong2lin. Study on settling and separating of Bayer process red mud [J ].Nonferrous Metals Extractive Metallurgy, 20061 26 - 29. [ 8 ]Pejcinovic N , Nguyen T , Frost R. Effect of surfactants on bauxite residues suspensions viscosity [ J ].Colloids and Surf aces A PhysicochemicalandEngineeringAspects, 2007 ,2921/ 2/ 3/ 4/ 5 21 - 26. [ 9 ]Kalkan E. Utilization of red mud as a stabilization material for the preparation of clay liners[J ].Engineering Geology, 2006 ,873/ 4 220 - 229. [10]Jstiz2Smith N , Buchanan V E , Oliver G.The potential application of red mud in the production of castings [J ]. Materials Science and Engineering, 2006 ,4201/ 2 250 - 253. 542第2期 吕国志等高硫铝土矿焙烧预处理的赤泥沉降性能