高硫铝土矿焙烧预处理的赤泥沉降性能.pdf

收稿日期 2008 - 04 -09 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 University Natural Science Vol30, 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 1005 -3026 200902 -0242 -04 On the Settling Perance of Red Mud from Preroasted High - Sulfur Bauxite L Guo -zhi, ZHANG T ing -an, BA O Li , DOU Zhi-he 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、 高岭石、 黄铁矿, 其中硫主要存在于黄铁矿 FeS2 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 Na2OC 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 1min 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 243第 2 期 吕国志等 高硫铝土矿焙烧预处理的赤泥沉降性能 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. 10min 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. 10min 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 XRDpattern 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 244东北大学学报 自然科学版 第 30 卷 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; c 600 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. 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