拜耳法中分解添加劑的研制

本文考察了五類物質(zhì)在鋁酸鈉溶液分解全過(guò)程中作為添加助劑的作用。試驗(yàn)表明，單一物質(zhì)作為分解助劑，其綜合性能并不全面。而由這五類物質(zhì)按某一特定配比制成的復(fù)合體作為種分結(jié)晶助劑，具有顯著的促進(jìn)微晶附聚生長(zhǎng)，增加產(chǎn)品顆粒強(qiáng)度的作用。

本世紀(jì)初，我國(guó)才開(kāi)始對(duì)砂狀氧化鋁生產(chǎn)工藝進(jìn)行攻關(guān)。中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司確立了在砂狀氧化鋁工藝條件下，添加國(guó)外結(jié)晶助劑來(lái)實(shí)現(xiàn)砂狀氧化鋁生產(chǎn)的新工藝。使用國(guó)外助劑嚴(yán)重制約了其在生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，適合國(guó)內(nèi)不同拜耳法工藝的分解添加劑，替代進(jìn)口結(jié)晶助劑產(chǎn)品已顯迫切必要。

根據(jù)我國(guó)大多數(shù)氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際情況，并模擬氧化鋁生產(chǎn)上實(shí)際條件及種分過(guò)程，筆者選擇了礦物油、天然植物油、陰離子表面活性劑、聚環(huán)氧烷類高分子化合物、非離子表面活性劑等五類物質(zhì)進(jìn)行了分解添加劑的配方篩選試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法

1.攪拌控溫水浴5套，控溫精度±1℃，5升燒杯5個(gè)；微量加樣器等；ECF1-10-14高溫電爐、干燥箱、MASTER SIZER-2000粒度分析儀、AAIMD-II磨損指數(shù)測(cè)定儀及粒度個(gè)數(shù)測(cè)定儀各一臺(tái)。

2.種分精液取自分解車間精液槽；晶種取自分解車間立盤過(guò)濾機(jī)。

待篩選的分解添加劑：

1#：以中等黏度礦物油類為主要活性成份。

2#：以天然植物油類為主要活性成分。

3#：以天然植物油的陰離子表面活性劑類為主要活性成分。

4#：以低碳醇封端的聚環(huán)氧烷類高分子化合物為主要活性成分。

5#：以天然油脂低碳多元醇酯非離子表面活性劑類為主要活性成分。

3.試驗(yàn)條件

分解初溫：59℃

降溫制度：每10小時(shí)降2℃

分解終溫：49℃

晶種量：650g/L

表1 添加劑篩選種分試驗(yàn)所用種子的理化指標(biāo)

表2 添加劑對(duì)鋁酸鈉溶液分解率的影響

分解時(shí)間：50小時(shí)

攪拌速度：180-190rpm

4.試驗(yàn)方法

（1）種分模擬試驗(yàn)方法：定量的精液與定量的分解添加劑混勻后再加入定量的晶種進(jìn)行分解實(shí)驗(yàn)。過(guò)程中每10小時(shí)取樣分析，同時(shí)根據(jù)要求勻速降溫，并根據(jù)分析結(jié)果補(bǔ)充水。50小時(shí)后，出料、固液分離、分析溶液成分。根據(jù)要求洗滌分離出的固體（需作循環(huán)試驗(yàn)晶種的不洗滌），烘干、混勻，做理化分析。

（2）氫氧化鋁燒制氧化鋁的方法：將氫氧化鋁于ECF1-10-14高溫電爐中，以4℃/分鐘的速度，升溫至440℃保溫1小時(shí)后，再以同樣的升溫速度升溫至1050℃保溫10分鐘，然后自然降溫至100℃取出，至常溫后混勻，以備理化分析。

5.分析測(cè)試方法

（1）用MASTER SIZER-2000粒度分析儀分析粒度及粒度分布。

正聊得興起，高潮突然想起下班時(shí)在地鐵站口拿到的上訪材料，猛拍一下腦門，暗罵自己一句傻逼，就急急忙忙給“詩(shī)的妾”道別：老婆，我還有工作要做，可能要鏖戰(zhàn)到雞叫頭遍，告辭了。

（2）用AAIMD-Ⅱ磨損指數(shù)測(cè)定儀，測(cè)試磨損并用磨損指數(shù)表示氫氧化鋁（AH）或氧化鋁（AO）產(chǎn)品強(qiáng)度。

具體方法如下：稱取50±0.1g氫氧化鋁放入孔經(jīng)分別為45μm、74μm、149μm套篩中，套篩在振篩機(jī)上篩分15分鐘后取下，稱取每個(gè)篩上的物料重量，算出≥45μm顆粒的百分含量X。

稱取物料50±0.1g，放入AAIMD-Ⅱ型磨損系數(shù)測(cè)定儀內(nèi)，在規(guī)定壓力或流量下吹15分鐘后取出，同上做粒度篩分，算出≥45μm顆粒的百分含量Y。

產(chǎn)品的磨損指數(shù)為：a%=(X-Y)/X×100

表3 1#～5#添加劑對(duì)產(chǎn)品體積平均粒徑、粒徑分布及強(qiáng)度的影響

表4 復(fù)合型添加劑對(duì)鋁酸鈉溶液分解率的影響

表5 單一及復(fù)合型添加劑種分試驗(yàn)AO產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)變化對(duì)比表

試驗(yàn)及討論

1.分解添加劑主要成分類型篩選

1#～5#待篩選的物質(zhì),通過(guò)種分試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，篩選出對(duì)產(chǎn)品有明顯改善作用的物質(zhì)種類及組成。考察篩選種分試驗(yàn)中所用種子的理化指標(biāo)列于表1。

1.1在添加量為150ppm的條件下，對(duì)1#～5#添加劑進(jìn)行了種分試驗(yàn)，首先考察這五類物質(zhì)作為種分添加劑對(duì)鋁酸鈉溶液分解率這一前提性因素的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2添加量為150ppm，1#～5#添加劑種分試驗(yàn)產(chǎn)品成分分析結(jié)果表明對(duì)產(chǎn)品主要化學(xué)雜質(zhì)含量及灼減均無(wú)影響。

1.3添加量為150ppm，1#～5#添加劑種分試驗(yàn)中對(duì)氫氧化鋁、氧化鋁體積平均粒徑、粒徑分布及強(qiáng)度的影響列于表3。

由表3可知，5#較有利于改善氫氧化鋁粒經(jīng)分布；1#較有利于減少氫氧化鋁-45μm的比例；4#較有利于改善氧化鋁粒度； 2#、4#、5#有利于減少氧化鋁-45μm的比例；4#有利于減少氫氧化鋁的磨損系數(shù)； 1#、2#提高氧化鋁的強(qiáng)度較為有效；3#各方面性能不突出，但對(duì)降低分解率的負(fù)面作用最低。

總體上，單一物質(zhì)作為添加劑對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)改善不一致、不全面，一種物質(zhì)僅對(duì)某些或某項(xiàng)指標(biāo)改善有效，對(duì)其他指標(biāo)改善的效果差、甚至為副作用。作為種分添加劑，單一物質(zhì)綜合性能難以勝任。

2.添加劑的優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)以上分析及各類物質(zhì)對(duì)改善產(chǎn)品相應(yīng)指標(biāo)的效果，再綜合考慮生產(chǎn)中“結(jié)疤現(xiàn)象”、過(guò)濾負(fù)擔(dān)及燒結(jié)蒸發(fā)量大、破損率大等問(wèn)題，著重考慮1#～5#類物質(zhì)間的相互作用，按其各自表現(xiàn)特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，交叉配比、突出性能，有機(jī)結(jié)合，組成復(fù)合型結(jié)晶助劑6#～10#，并同樣進(jìn)行篩選種分試驗(yàn)，主要結(jié)果見(jiàn)表4～表6，并作以下討論。

復(fù)合型添加劑對(duì)產(chǎn)品中主要化學(xué)雜質(zhì)含量及灼減均無(wú)影響。

復(fù)合型添加劑對(duì)分解率的負(fù)面影響低，6#、7#基本無(wú)影響。

分析表7可知，6#復(fù)合型添加劑有最強(qiáng)的附聚效果，D[4,3]增量最大，為3.954μm。就實(shí)際生產(chǎn)而言，粒度分布體現(xiàn)出明顯的附聚效果是種分工藝中最關(guān)鍵的、最需要改進(jìn)的參數(shù)；同時(shí)，6#對(duì)減少-45μm比例的作用也是最好的；6#提高顆粒強(qiáng)度的作用比10#差一些，但6#基本不影響分解率、附聚效果好、尤其是減少-45μm比例的作用要比10#強(qiáng)得多（10#-45μm反而增加）。綜合考慮，無(wú)疑應(yīng)首先選擇6#，在進(jìn)一步模擬工業(yè)生產(chǎn)工藝的種分試驗(yàn)中考察其實(shí)際效果。

表6 復(fù)合型添加劑對(duì)產(chǎn)品體積平均粒徑、粒徑分布及強(qiáng)度的影響

圖1 分解率ηA（%）隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

圖2 晶種粒度D[4,3]（μA）隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

2.添加劑種分循環(huán)試驗(yàn)

將空白及6#添加劑模擬生產(chǎn)條件進(jìn)行循環(huán)種分試驗(yàn)，起始晶種取自生產(chǎn)上種分旋流器溢流，精液取自精液槽，每次循環(huán)的出料做下一個(gè)循環(huán)的晶種，共十次循環(huán)，每次循環(huán)中6#添加劑添加量均為25ppm，結(jié)果見(jiàn)表7，并作如下討論。

（1）圖1，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白與添加劑對(duì)分解率的影響趨勢(shì)大致相同，添加劑對(duì)分解率基本無(wú)影響。

（2）圖2，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白試驗(yàn)在前三個(gè)循環(huán)內(nèi)，產(chǎn)品粒度分布改善明顯，后七個(gè)循環(huán)幾乎無(wú)改善。6#對(duì)粒經(jīng)分布，在十個(gè)循環(huán)內(nèi)，有規(guī)律地保持明顯、持久的改善附聚的作用。

（3）圖3，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白試驗(yàn)前四次循環(huán)，產(chǎn)品中-45μm比例下降較快，此后反而持續(xù)上升；6#至第四次循環(huán)，就下降到約18%，此后基本保持不變，說(shuō)明6#不僅有良好的附聚性能，還有持續(xù)地抑制二次成核、防止細(xì)化的性能。

（4）圖4，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白與6#對(duì)減小氧化鋁磨損指數(shù)規(guī)律相似。前七個(gè)循環(huán)應(yīng)該是一個(gè)較慢的降低過(guò)程，至后三個(gè)循環(huán)，磨損指數(shù)出現(xiàn)較快速度的下降，空白從29.54%降至25.66%、6#從26.56%降至23.40%，這與拜耳法種分過(guò)程中，小晶體先附聚成大顆粒，然后微小晶體緩慢填平較大附聚顆粒，呈現(xiàn)較規(guī)則的幾何形狀，最后形成晶格，具有較低的表面能而達(dá)到一定強(qiáng)度的過(guò)程相吻合。

表7 空白及6# 種分循環(huán)試驗(yàn)主要指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 晶種-45μA(%)的比例隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

圖4 氧化鋁產(chǎn)品磨損指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

結(jié)論

本文所選的五種單一物質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)改善綜合效果不全面、不理想，不建議以單一物質(zhì)作為種分添加劑。

同時(shí)含有礦物油類、天然植物油類、陰離子表面活性劑類、聚環(huán)氧烷高分子化合物類以及非離子表面活性劑類等類物質(zhì)為主要活性成分的6#復(fù)合型添加劑，綜合性能優(yōu)于單一物質(zhì)的添加劑，用量為25PPm，經(jīng)10次循環(huán)，不降低分解率，對(duì)提高產(chǎn)品的粒徑及強(qiáng)度有明顯的作用，D[4,3]上升了10.129μm、-45μm下降了13.83%、磨損指數(shù)下降了2.26%，已具備了工業(yè)試驗(yàn)的可能性，其結(jié)果值得期待。