铝土矿选择性絮凝脱硅技术的研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 铝土矿选择性絮凝脱硅技术的研究 姓名刘文莉 申请学位级别硕士 专业矿物加工工程 指导教师胡岳华;孙伟 20090501 硕士学位论文 摘要 摘要 论文目的是研究铝土矿选择性絮凝工艺，包括试验研究影响该工 艺的各种因素、基于高岭石和一水硬铝石晶体性质、表面电性质开发 高效的铝土矿选择性絮凝药剂、通过化学动力学模拟研究软水剂对硬 水中钙镁离子负面影响的消除机制。通过红外光谱探讨新型絮凝剂与 一水硬铝石的相互作用机理。一些研究结果如下 首先，研究了p H 值、电解质离子以及絮凝剂对一水硬铝石和高 岭石纯矿物的沉降行为的影响。结果表明一水硬铝石和高岭石分别在 p H 6 ．8 和p H 3 ．3 时出现沉降的最大速率；电解质离子对一水硬铝石和 高岭石沉降行为的影响不仅与电解质浓度有关还与离子的价态有关； 较之A P A M ，新型絮凝剂对一水硬铝石有更加显著的絮凝效果和选择 性。 其次，系统的研究了铝土矿的分散行为、絮凝行为、一些影响 铝土矿选择性絮凝工艺的物理因素和工艺因素；针对实际问题考察了 硬水中C a 2 和M 9 2 对该工艺的影响。 第三，红外光谱研究表明，新型絮凝剂对一水硬铝石的作用主要 为物理吸附 静电吸附 和氢键吸附；新型絮凝剂对高岭石没有明显 的吸附作用。一水硬铝石和高岭石的红外光谱显示了矿物晶体性质、 断裂面一些性质，这些有助于理解高分子和矿物表面相互作用的机 理。对于开发新型高效的选择性絮凝剂是很有必要的。 最后，化学动力学模拟结果显示，硬水中钙镁离子可以改变絮凝 剂分子在溶液中的形式，使之由直链结果变为卷曲，分子链无法充分 伸展影响了絮凝剂作用的发挥；软水剂消除钙镁离子影响的机理为， 在溶液中软水剂离子可以一对一的束缚钙离子，一直形成化学键，从 而消除影响。 关键词一水硬铝石，絮凝剂，选择性絮凝，硬水，软水剂 M A S T E RT H E S I S A B S T R A C T A B S T R A C T T h ea i mo ft h i ss t u d yi st or e s e a r c ht h ed i a s p r i c d a u x i t es e l e c t i v e f l o o c u l a t i o np r o c e s s ，w h i c hi n c l u d e se x a m i n i n gt h ec o n c e i v a b l ee f f e c t s f a c t o r s ，d e v e l o p i n gah i g hs e l e c t i v ef l o c c u l a t a n tf o rd i a s p o r es e l e c t i v e f l o c c u l a t i o np r o c e s sa n dt h er e a g e n td e s i g n i n gc o n c e p t sd e r i v ef r o mt h e d i f f e r e n c eo ft h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n ds u r f a c ep r o p e r t i e so fd i a s p o r ea n d k a o l i n i t e ．T h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o nw a su s e dt or e s e a r c ht h ee l i m i n a t i o n o fn e g a t i v ee f f c t so fh a r dw a t e r ．T h ei n f u e n c e so fn e wf l o c c u l a n to n k a o l i n i t ea n dd i a s p o r ef l o c c u l a t i o nb e h a v i o r sa n di t sm e c h a n i s m sw e r e r e s e a r c h e da n dd i s c u s s e du s i n gs e t t l e m e n tt e s ta n dF T I R ．S o m er e s e a r c h c o n t e n t sa r es u m e r i z e da sf o l l o w s A tf i r s t ，t h ee f f e c t so fs o m ec o n d i t i o n ss u c ha sp Hv a l u ea n d e l e c t r o l y t eo np u r es a m p l e ss e t t l i n gb e h a v i o rh a v e b e e ns t u d i e d ．I t s h o w e dt h a tt h ed i a s p o r ea n dk a o l i n i t es e t t l i n gr a t e sr e a c h e dt h e i rt o p v a l u ea t p H 6 ．8a n dp H 3 ．3r e s p e c t i v e l y ．T h e i n f l u e n c eo fI n o r g a n i c e l e c t r o l y t et ou l t r a f i n ep a r t i c l e ss u r f a c ez e t ap o t e n t i a l ，n o to n l yi sr e l a t e d t ot h ec o n c e n t r a t i o n ，b u ta l s oe l e c t r o l y t ei o nv a l e n c en u m b e r ．An e w f l o c c u l a n tA I F l o c P r ow a sd e v e l o p e dw h i c hh a v eh i g h l ys e l e c t i v i t yt o d i a s p o r e ．C o m p a r e d w i t hA P A M ，i tp l a y e dm o r es e l e c t i v i t ya n d e f f i c i e n c y ． 。 ‘ S e c o n d l y , d i s p e r s a t i o n ，f l o c c u l a t i o n a n ds o m e p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a lf a c t o r sg r e a t l ye f f e c to nt h ef l o c c u a t i o np r o c e s s ．H a r d n e s so f w a t e rp l a y e dav e r yn e g a t i v ee f f c to nf a c t u a lm i n e r a ld u et ot h eC a 2 十a n d M 9 2 i nt h ew a t e r ． T h i r d l y , F T - I Rs p e c t r u mo fm i n e r a la n dr e g e n tw e r ea n a l y s i s e da n d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o no fA I F l o c P r oo nd i a s p o r ea n d k a o l i n i t ei sb ym e a n so fh y d r o g e n o l y s i sa n dp h y s i c a le f f e c t ． F i n a l y , v i ad y n a m i c a ls i m u l a t i o np e rC a 2 十w a sr e s t r i c t e db yo n e s o f t e n i n ga g e n tm o l e c u l e ．T h a tm a k et h eC a 2 十c a nn o td i s p e r s a t ei nw a t e r a n dn o ts e t t l ea s a g g r e g a t i o n ． T h er e s e a r c ho nk a o l i n i t ea n d d i a s p o r ec r y s t a l s t r u c t u r e ， d i s i n t e g r a t i o ns u r f a c e ，e l e c t r i c a l l yc h a r g e dm e c h a n i s m a sw e l la sF T - IR M A S T E RT H E S I SA B S T R A C T a n a l y s i s ，i sh e l p f u l f o rt h eu n d e r s t a n d i n go fr e l a t i o nb e t w e e nh i g h p o l y m e rs t r u c t u r ea n di t sp e r f o r m a n c e ，a n di sb e n e f i c i a lt od e v e l o pm o r e e f f i c i e n c yt e c h i q u ef o rd i a s p o r ef l o c c u l a t i o n ． K E YW O R D S d i s a p o r e ，f l o c c u l a n t ，s e l c t i v ef l o c c u l a t i o n ，h a r dw a t e r ， s o f t e n i n ga g e n t I V P R E F A C E A l u m i n u mI St h et h i r dm o s ta b u n d a n te l e m e n ti nt h eE a r t h ’Sc r u s t a n do n eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e dm e t a l l i ce l e m e n t si nc i v i l i z a t i o n ． D u et oi t sh i g hc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a ls t r e n g t ht om a s sr a t i o ， a l u m i n u ma l l o y sa r eu s e da sam a j o rs t r u c t u r a lm a t e r i a li na i r c r a f t ， b u i l d i n g s ，m a c h i n e r yp a r t s ，b e v e r a g eC a n Sa n df o o dw r a p s ．C u r r e n t l y , b a u x i t ei st h em a jo rs o u r c ef o ra l u m i n a ／a l u m i n u mp r o d u c t i o n ．C h i n ah a s a b o u t2 3 0 0m i l l i o nt o n n e so fk n o w nb a u x i t er e s e r v e s ，w h i c hr a n k st h e f i f t hi nt h ew o r l d ．U n l i k et h eb a u x i t eo r e si no t h e rb a u x i t ep r o c e s s i n g c o u n t r i e s ，m o r et h a n9 8 ％o ft h eb a u x i t ei nC h i n ai so fd i a s p o r i c c h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t a i n i n ga b o u t8 0 ％d i a s p o r e ．T h eg a n g u em i n e r a l si n C h i n e s eb a u x i t e sa r em a i n l yk a o l i n i t e ，p y r o p h y l l i t ea n di l l i t e ，b a l a n c e db y as m a l la m o u n to ft i t a n i u ma n di r o ni m p u r i t i e s ．T h eg a n g u em i n e r a l sa r e o f t e np r e s e n ta s f m e l yd i s s e m i n a t e di n c l u s i o n s ．Au n i q u eu n d e s i r a b l e f e a t u r eo fC h i n e s ed i a s p o r i co r e si st h e i rl o wA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s sr a t i o ， t y p i c a l l yr a n g i n gf r o m4t o6 ． I ti sk n o w nt h a th i g hg r a d eb a u x i t ew i t ha nA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s sr a t i o g r e a t e rt h a n8c a l lb ep r o c e s s e dd i r e c t l yb yt h eB a y e rp r o c e s s ．F o rt h el o w g r a d ed i a s p o r i cb a u x i t ew i t ha nA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s sr a t i ob e l o w8 ，a s i n t e r i n gp r o c e s so rac o m b i n a t i o no fs i n t e r i n ga n dB a y e rp r o c e s sC a nb e u s e d ．T h e s i n t e r i n gp r o c e s s i s e x t r e m e l ye n e r g y i n t e n s i v e a n d e n v i r o n m e n t a l l yu n f r i e n d l y , i n c u r r i n gah i g ha l u m i n ap r o d u c t i o nc o s t ． T h e r e f o r e ，i ti sh i g h l yd e s i r a b l et oi n c r e a s et h eA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s sr a t i o o ft h eC h i n e s ed i a s p o r i co r e sb yal o wc o s tp h y s i c a ls e p a r a t i o np r o c e s sS O t h a tt h eB a y e rp r o c e s sc a nb ea p p l i e dd i r e c t l y ． A sas u r f a c ew e t t a b i l i t y b a s e ds e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , f l o t a t i o ni s k n o w nt ob eh i 曲l yv e r s a t i l ea n dp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rf i n ep a r t i c l e s e p a r a t i o n ．I th a st h e r e f o r eb e e nc h o s e na sap o t e n t i a lp h y s i c a lu p g r a d i n g m e t h o df o r t h ed i a s p o r i co r e s ． F l o c c u l a t i o no ff i n ep a r t i c l e su s i n gp o l y m e r i cm a t e r i a l sf l o c c u l a n t s a n ds e p a r a t i o no f s u c ha g g r e g a t e sf r o mp a r t i c l e so fo t h e rc o m p o n e n t s i n t h e d i s p e r s e dp h a s ei Sk n o w na ss e l e c t i v ef l o c c u l a t i o n ．T h es e l e c t i v e f l o c c u l a t i o nm e t h o di sw i d e l yu s e di nt h et e r r i t o r yo f m i n e r a lp r o c e s s i n g M a n y r e s e a r c h e so ns e l e c t i v ef l o c c u l a t i n gd i a s p o r ef r o md i a s p o f i c ‘b a u x i t h a v eb e e nc a r r i e do u t ．T h ea i mo ft h em e t h o di s t os e p a r a t ed i a s p o r e p a n i c l e s f r o mt h e u n ．f l o c c u l a t e d g a n g u e m i n e r a l s b ys e l e c t i V e l Y f l o c c u l a t i n gd i a s p o r ep a r t i c l e su s i n gf l o c c u l a n ta n d l e t t i n gt h e ms e t t l e ．j L ‘．- ■ 月I J吾 铝是地壳中丰富程度为第三的元素，是文明社会中最常使用的金 属元素之一。由于铝合金具有高度的耐腐蚀性和良好的机械强度／质 量比，因此被广泛用作飞机、建筑物、机器部件、饮料罐和食品包装 的主要结构材料。目前，铝土矿是氧化铝／铝生产的主要原料。中国 己知的铝土矿储量约为2 3 亿t ，居世界第五位。与其他加工铝土矿的 国家不同，中国铝土矿矿石9 8 ％以上有硬水铝石存在的特点，含有 约8 0 ％的硬水铝石。中国铝土矿中的脉石矿物主要是高岭石、叶蜡 石和伊利石，其余是少量的钛和铁杂质。这些脉石矿物经常以细粒浸 染的包体形式存在。中国硬水铝石矿石一个不理想的特点是低铝硅 比，典型的范围为4 6 。 众所周知，A 1 2 0 3 与S i 0 2 质量比大于1 0 的高品级铝土矿能直接 用拜耳法处理，而对于A 1 2 0 3 与S i 0 2 质量比低于8 的低品级硬水铝石 铝土矿，可使用烧结法或烧结与拜耳法联合的方法。烧结法能耗很大， 环境不友好，氧化铝生产成本高。因此，迫切需要采用低费用的物理 分选工艺以提高中国硬水铝石矿石的A 1 2 0 3 与S i 0 2 的质量比，以便能 直接使用拜耳法工艺处理。 作为一种基于表面润湿性的分离技术，浮选有较高的通用性，尤 其适于细粒分选，因此被选择作为硬水铝石矿石潜在的物理富集方 法。 利用聚合物絮凝细粒物质以及使这些团聚体与其它分散相组分 分离的过程称之为选择性絮凝。必须控制不同组分的表面对絮凝剂的 竞争，以达到使絮凝剂吸附在目的组分上。这样，就可采用沉淀／淘 析法或絮团浮选法从悬浮液中将覆盖着聚合物的颗粒形成的团聚体 或絮团分离出来。倘若它们相当牢固，那么这些絮团就能进一步精选， 以提高精矿品位。选择性絮凝剂技术已广泛应用于矿物加工工程的诸 多领域。一些关于铝土矿选择性絮凝技术的研究已经在开展中。该方 法的主要目的是利用絮凝剂和沉降的方法将一水硬铝石颗粒选择性 絮凝，再从矿浆中分离出来达到脱硅的目的。 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名盔＆差L 一日期础年一[ 月』日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名血茸导师矗逊日期4 年埘卫日 M A S T E RT H E S I SC h a p t e r l R e f e r e n c e sR e v i e w C h a p t e r lR e f e r e n c e sR e v ie w 1 ．1I n t r o d u c t i o na n dS i g n i f i c a n o eo fB a u x i t eD e s iIi c a t i o n A l u m i n u mi st h et h i r dm o s ta b u n d a n te l e m e n ti nt h eE a r t h ’Sc r u s ta n do n eo ft h e m o s tc o m m o n l yu s e dm e t a l l i ce l e m e n t si nc i v i l i z a t i o n ．D u et oi t sh i g l lc o r r o s i o n r e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a ls t r e n g t ht om a s sr a t i o ，a l u m i n u ma l l o y sa r eu s e da sam a j o r s t r u c t u r a lm a t e r i a li na i r c r a f t ，b u i l d i n g s ，m a c h i n e r yp a r t s ，b e v e r a g ec a l l sa n df o o d w r a p s ．C u r r e n t l y , b a u x i t ei st h em a j o rs o u r c ef o ra l u m i n a ／a l u m i n u mp r o d u c t i o n ．C h i n a h a sa b o u t2 3 0 0m i l l i o nt o n e so fk n o w nb a u x i t er e s e r v e s ，w h i c hr a n k st h ef i f t hi nt h e w o r l d 【l 】．U n l i k et h eb a u x i t eO r e si no t h e rb a u x i t ep r o c e s s i n gc o u n t r i e s ，m o r et h a n 9 8 ％o ft h eb a u x i t ei nC h i n ai so fd i a s p o r i cc h a r a c t e r i s t i c s [ 2 - 3 1 ，c o n t a i n i n ga b o u t8 0 ％ d i a s p o r e ．T h e g a n g u em i n e r a l si nC h i n e s eb a u x i t e sa r em a i n l yk a o l i n i t e ，p y r o p h y l l i t e a n di l l i t e ，b a l a n c e db yas m a l la m o u n to ft i t a n i u ma n di r o ni m p u r i t i e s ．T h eg a n g u e m i n e r a l sa r eo f t e np r e s e n ta sf i n e l yd i s s e m i n a t e di n c l u s i o n s ．Au n i q u eu n d e s i r a b l e f e a t u r eo fC h i n e s ed i a s p o r i cO r e Si st h e i rl o wA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s sr a t i o ，t y p i c a l l y r a n g i n gf r o m4 t o6 ． I ti sk n o w nt h a th i g hg r a d eb a u x i t e 、析t l la nA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s sr a t i og r e a t e rt h a n 8C a l lb ep r o c e s s e dd i r e c t l yb yt h eB a y e rp r o c e s s l 4 卯．F o rt h el o wg r a d ed i a s p o r i c b a u x i t e 、 ，i t l la nA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s sr a t i ob e l o w8 ，as i n t e r i n gp r o c e s s 【6 Jo ra c o m b i n a t i o no fs i n t e r i n ga n dB a y e rp r o c e s s 【7 。c a l lb eu s e d ．T h es i n t e r i n gp r o c e s si s e x t r e m e l ye n e r g y i n t e n s i v ea n de n v i r o n m e n t a l l yu n f r i e n d l y , i n c u r r i n gah i g ha l u m i n a p r o d u c t i o nc o s t ．T h e r e f o r e ，i ti sh i g h l yd e s i r a b l et oi n c r e a s et h eA 1 2 0 3t oS i 0 2m a s s r a t i oo ft h eC h i n e s ed i a s p o r i co r e sb yal o wc o s tp h y s i c a ls e p a r a t i o np r o c e s sS Ot h a t t h eB a y e rp r o c e s sC a nb ea p p l i e dd i r e c t l y ． 1 ．2D e v eIo p m e n to fB a u xit eD e siIic a tio nP r o c e s sin g T e c h n o I o g y D u et oi t se c o n o m i ci m p o r t a n c e ，t h ev a s td i a s p o r i cb a u x i t er e s o u r c ei nC h i n ah a s b e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e dw i t ht h eo b j e c t i v eo fd e v e l o p i n gaf l o t a t i o n B a y e rp r o c e s s ． M A S T E RT H E S I SC h a p t e r l R e f e r e n c e sR e v i e w A sas u r f a c ew e t t a b i l i t y - b a s e ds e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , f l o t a t i o ni sk n o w nt ob eh i g h l y v e r s a t i l ea n dp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rf m ep a r t i c l es e p a r a t i o n ．I th a st h e r e f o r eb e e n c h o s e na sap o t e n t i a lp h y s i c a lu p g r a d i n gm e t h o df o r t h ed i a s p o r i co r e s ． E a r l yr e s e a r c h se f f o r t sh a v el e dt os o m ed e v e l o p m e n to fn e wc h e l a t i n gc o l l e c t o r s f o rt h ed i r e c tf l o t a t i o no fd i a s p o r ew h i l er e j e c t i n gt h es i l i c a t em i n e r a l s [ 3 ，引．F o r e x a m p l e ，b yu s i n gan o v e la n i o n i cc o l l e c t o rk n o w n a sR L ，d i a s p o r eW a sf l o a t e dw i t ha t y p i c a lr e c o v e r yg r e a t e rt h a n9 0 ％，w h i l ea l u m i n o s i l i c a t em i n e r a l sw e r ed e p r e s s e db y i n o r g a n i cd e p r e s s a n t s ，r e s u l t i n gi na l la l u m i n at os i l i c am a s sr a t i og r e a t e rt h a n 11I 川i n t h ef l o t a t i o nc o n c e n t r a t e ．T h i sd i r e c tf l o t a t i o np r o c e s si s ，h o w e v e r ’a g a i n s tg e n e r a l f l o t a t i o np r a c t i c ei nw h i c ht h em a j o rc o m p o n e n t so fa no r ea r eu s u a l l yd e p r e s s e d w h i l et h em i n o rc o m p o n e n t sa r ef l o a t e d a ne x c e p t i o ni st h ef l o t a t i o no fn a t u r a l l y h y d r o p h o b i cc o a l ．I nt h ed e s c r i b e d d i r e c tf l o t a t i o np r o c e s s ，ah i g hc o l l e c t o r c o n s u m p t i o ni sn e c e s s a r yt of l o a ta b o u t8 0 ％o ft h ef e e dm a t e r i a l s ，r e s u l t i n gi nah i g h o p e r a t i n gc o s t ．I na d d i t i o n , t h ec o l l e c t o r st h a ta r ea d s o r b e do nt h ec o n c e n t r a t ea r e c a r r i e di n t ot h eB a y e rp r o c e s s ，w h i c hm a ye x h i b i ts o m ee f f e c to nt h eB a y e rp r o c e s s ． 2 ．R e v e r s e f l o t a t i o n C o n s i d e r i n gt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fr e v e r s es i l i c a t ef l o t a t i o np r a c t i c e di n k a o l i n i t ep u r i f i c a t i o n [ 9 1 0 】a n di r o no r ep r o c e s s i n g [ I l 1 7 1 ，t h e r em a yb ea ne c o n o m i ca n d e n v i r o n m e n t a li