電石渣燒結(jié)法從赤泥回收氧化鋁

紀(jì)利春，相亞軍

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010062；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

電石渣燒結(jié)法從赤泥回收氧化鋁

紀(jì)利春1，相亞軍2

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010062；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

拜耳法赤泥中含有一定數(shù)量的氧化鋁，從赤泥中回收氧化鋁對于節(jié)約資源、改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)以電石渣為助劑活化赤泥，并考察了活化條件和浸出條件對赤泥中氧化鋁浸出率的影響。實(shí)驗(yàn)得到最佳活化條件：電石渣與赤泥質(zhì)量比為2.5、燒成溫度為1 250℃、燒成時(shí)間為120 min。最佳浸出條件：浸出溫度為85℃、浸出時(shí)間為120 min、Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、液固比為3.0。在此條件下，赤泥中氧化鋁的浸出率高達(dá)88.1%，得到的浸出殘?jiān)且环N良好的水泥混合材料。

赤泥；浸出率；浸出；氧化鋁；燒結(jié)法

赤泥是鋁土礦提取氧化鋁時(shí)排出的廢渣，每生產(chǎn)1 t氧化鋁可排出1～2 t赤泥［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年赤泥的存放量將達(dá)到3.5億t左右，且每年還會(huì)以20%的速度增長。赤泥堆存量逐年大幅增長，而目前赤泥利用率僅為15%左右［2-3］。赤泥存放不僅占用大量可用土地資源，同時(shí)也耗費(fèi)較多的堆場建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，此外對環(huán)境和人體健康也產(chǎn)生不良的影響，因此對赤泥的綜合利用正成為研究的重點(diǎn)。目前，氧化鋁工業(yè)普遍采用拜耳法從鋁礦提取氧化鋁，而其廢渣中仍含有16.5%～32.7%氧化鋁。由于赤泥的堿含量高，不能直接用作水泥的原料或水泥的混合材料。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用電石渣燒結(jié)法從赤泥中回收氧化鋁，溶出的殘?jiān)?jīng)過3次逆流洗滌后，堿含量可以滿足水泥的原料或水泥的混合材料的要求。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

實(shí)驗(yàn)室采用拜耳法從鋁土礦中提取的氧化鋁廢渣為原料，其主要化學(xué)成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO分別為 21.52%、12.56%、15.63%、30.23%，其他為 20.06%；電石渣取自內(nèi)蒙古烏海PVC廠，其主要化學(xué)成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO分別為3.56%、1.45%、4.73%、64.46%，其他為25.80%；Na2CO3為分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1赤泥的活化

電石渣和赤泥分別經(jīng)過破碎、研磨、干燥、過篩至粒徑小于81.05 μm（篩余物少于5%），按石灰渣與赤泥質(zhì)量比（配料比）為2.5，將石灰渣與赤泥混合均勻，放置于1 250℃的馬弗爐中保溫120 min，得到燒結(jié)物，經(jīng)過自然冷卻得到熟料。

1.2.2浸出過程

按液體的體積與固體質(zhì)量比（液固比）為3.0，將熟料加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%的Na2CO3溶液中，固定于85℃水浴上，在攪拌條件下反應(yīng)2h，自然冷卻后真空過濾，得到鋁酸鈉濾液。浸出液中的Al3+含量用絡(luò)合滴定法測定，由滴定過程計(jì)算出Al2O3浸出率。

2　結(jié)果與討論

2.1赤泥的活化

如何將赤泥中的鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苡贜a2CO3溶液的鋁酸鹽，而硅轉(zhuǎn)化為低溫晶型硅酸二鈣，是熟料質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。為了獲得良好的熟料，必須通過實(shí)驗(yàn)對燒成條件以及配料比進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1配料比與煅燒溫度對熟料浸出率的影響

1）配料比。在燒成溫度為1 250℃、燒成時(shí)間為120 min的條件下，考察了配料比對赤泥中氧化鋁浸出率的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可見，氧化鋁浸出率隨著配料比增大而先增加后減少，在配料比為2.5時(shí)，氧化鋁浸出率最高為88.1%。當(dāng)配料比小于2.5時(shí)，此時(shí)電石渣中的氧化鈣的量不足，不能使赤泥中的Al2O3完全形成易溶于碳酸鈉溶液的鋁酸鈣；當(dāng)配料比大于2.5時(shí)，由于加入的CaO太多，而多余鈣又與鋁酸鈉和硅酸二鈣相互反應(yīng)生成C3A、C2AS等化合物，該類化合物在碳酸鈉稀溶液中難以溶解，致使鋁酸鈉損失，降低了Al2O3的浸出率。因此，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的配料比為2.5。

2）煅燒溫度。在配料比為 2.5、燒成時(shí)間為120 min的條件下，考察了煅燒溫度對赤泥中氧化鋁浸出率的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可知，氧化鋁浸出率隨煅燒溫度的升高先增加后減少。這是由于溫度升高，增加了固體結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)動(dòng)能，提高了反應(yīng)活化能，致使赤泥中的Al2O3轉(zhuǎn)化為鋁酸鈣的能力得到增強(qiáng)，從而使氧化鋁的浸出率增加。但是當(dāng)溫度大于1 250℃時(shí)，提高溫度在加速鋁酸鈣生成的同時(shí)，也加速了可溶鋁酸鈣與硅酸鈣和氧化鈣相互作用而生成難以溶解的C2AS，造成熟料中氧化鋁浸出率降低。因此，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的生料煅燒溫度為1 250℃。

圖1　配料比對氧化鋁浸出率的影響

圖2　燒成溫度對氧化鋁浸出率的影響

2.1.2燒成時(shí)間對浸出率的影響

在煅燒溫度為1 250℃、配料比為2.5的條件下，考察了燒成時(shí)間對赤泥中氧化鋁浸出率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　燒成時(shí)間對氧化鋁浸出率的影響

由圖3可知，隨著燒成時(shí)間的延長，Al2O3浸出率相應(yīng)增加，在120 min后，Al2O3浸出率增幅趨于平緩。這是由于相同反應(yīng)溫度下，燒成時(shí)間愈長則反應(yīng)愈加完全。當(dāng)時(shí)間大于120 min時(shí)，鋁酸鈣和七鋁酸十二鈣的生成已基本趨于完全，而時(shí)間繼續(xù)延長則會(huì)大幅度增加生產(chǎn)過程的能耗，降低生產(chǎn)效率。從經(jīng)濟(jì)性和能量消耗方面考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的燒成時(shí)間為120 min。

2.2熟料浸出條件的確定

為了使熟料中的氧化鋁最大程度地浸出，通過實(shí)驗(yàn)探索對熟料中Al2O3的最佳浸出條件。

2.2.1Na2CO3濃度與浸出溫度對浸出率的影響

1）Na2CO3濃度。在液固比為3.0、浸出溫度為85℃、浸出時(shí)間為120 min的條件下，考察了Na2CO3濃度對氧化鋁浸出率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8%的Na2CO3溶液中，Al2O3浸出率較低，這是因?yàn)镹a2CO3用量不足使鋁酸鈣沒有完全溶解。當(dāng)w（Na2CO3）＞8%時(shí)，Al2O3浸出率又開始下降，這是因?yàn)镹a2CO3濃度過高，增加了浸出殘?jiān)冃援a(chǎn)物生成Ca3Al2Si2O8（H2O）4的數(shù)量，使氧化鋁的浸出率下降［5］。因此，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

2）浸出溫度。在液固比為3.0、浸出時(shí)間為120min、w（Na2CO3）=8%的條件下，考察了浸出溫度對氧化鋁浸出率的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可見，隨浸出溫度的升高Al2O3浸出率先增加而后下降，當(dāng)浸出溫度達(dá)到85℃時(shí)，Al2O3浸出率達(dá)到最高。這主要是因?yàn)榻龇磻?yīng)是固液相反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，溫度升高而液相黏度降低，增加了分子間的碰撞，加快了浸出速度，從而加速熟料中Al2O3的浸出。溫度高于85℃時(shí)，溫度升高加劇了β-C2S分解，其分解過程的產(chǎn)物又與溶液中鋁酸鹽相互作用生成難溶解的Ca3Al2Si2O8（H2O）4，浸出的鋁酸鹽又轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗芪?，降低了熟料中Al2O3浸出率［6］。因此，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的浸出溫度為85℃。

圖4　Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對氧化鋁浸出率的影響

圖5　浸出溫度對氧化鋁　浸出率的影響

2.2.2浸出時(shí)間與液固比對浸出率的影響

1）浸出時(shí)間。在液固比為 3.0、浸出溫度為85℃、w（Na2CO3）=8%的條件下，考察了浸出時(shí)間對氧化鋁浸出率的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可見，浸出時(shí)間低于120 min時(shí)，Al2O3浸出率隨時(shí)間的延長而增加。浸出時(shí)間為120 min時(shí)，浸出率達(dá)到最高，隨后又隨著浸出時(shí)間的延長而降低。這是由于反應(yīng)物的完全溶解需要一定的反應(yīng)時(shí)間，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，Al2O3浸出率增加，當(dāng)達(dá)到最佳反應(yīng)時(shí)間時(shí)，CA和C12A7反應(yīng)已經(jīng)趨于完成，再延長反應(yīng)時(shí)間，只能是CA和C12A7在緩慢的反應(yīng)過程中生成的氧化鋁低于β-C2S分解而引起的二次反應(yīng)所消耗掉的氧化鋁，從而使浸出率降低［7］。因此，實(shí)驗(yàn)確定適宜的浸出時(shí)間應(yīng)為120 min。

2）液固比。在浸出溫度為85℃、浸出時(shí)間為120 min、w（Na2CO3）=8%的條件下，考察了液固比對氧化鋁浸出率的影響，結(jié)果見圖7。由圖7可見，隨著液固比的增大，Al2O3浸出率也相應(yīng)增加，當(dāng)液固比大于3.0時(shí)，氧化鋁浸出率趨于平緩。這是因?yàn)橐汗瘫仍龃螅档土巳芤褐袖X酸鈉的濃度和液相黏度，加快了分子間的擴(kuò)散速度，從而增加分子間碰撞幾率，使Al2O3浸出率升高。然而，液固比過大，會(huì)使浸出液的流量增加，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，這給后續(xù)工序處理帶來負(fù)擔(dān)，同時(shí)也使制造成本增加。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的液固比為3.0。

赤泥通過電石渣燒結(jié)法回收氧化鋁后，赤泥經(jīng)過 3次洗滌后分析可知，殘?jiān)袃H含 2.34%的Al2O3，堿含量為0.76%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。殘?jiān)械膲A含量符合水泥的堿含量的要求，并且殘?jiān)屑s50%的C2S，其C2S正好是硅酸鹽水泥所需要的礦物質(zhì)。因此，浸出殘?jiān)且环N良好的水泥的混合材料。

圖6　浸出時(shí)間對氧化鋁浸出率的影響

圖7　液固比對氧化鋁　浸出率的影響

3　結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了以赤泥和電石渣為原料采用石灰石燒結(jié)法提取Al2O3工藝是可行的，同時(shí)確定了生料燒成條件和熟料浸出條件：石灰渣與赤泥的質(zhì)量比為2.5、煅燒溫度為1250℃、燒成時(shí)間為120min；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的Na2CO3溶液與熟料在液固比為3.0條件下混合后，在85℃下反應(yīng)120 min，Al2O3浸出率高達(dá) 88.1%。以赤泥和電石渣為原料提取Al2O3，不僅使赤泥中的鋁得到合理利用，也是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑。

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［2］梁媛，陳均寧.赤泥的危害及綜合利用［J］.大眾科技，2014，16（7）：33-34，40.

［3］黃迎超，王寧，萬軍，等.赤泥綜合利用及其放射性調(diào)控技術(shù)初探［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2009，28（2）：128-130.

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［5］任根寬.氧化鋁生產(chǎn)中赤泥變性和膨脹機(jī)理的研究［J］.輕金屬，2011（12）：8-11.

［6］相亞軍，紀(jì)利春，任根寬.堿法提取煤矸石中氧化鋁試驗(yàn)條件優(yōu)化［J］.中國電力，2015，48（1）：64-67

［7］任根寬.二次反應(yīng)對熟料中氧化鋁溶出率的影響分析［J］.輕金屬，2007（4）：16-18，21.

聯(lián)系方式：331223839@qq.com

Alumina recovery from red mud by sintering method of carbide slag

Ji Lichun1，Xiang Yajun2
（1.College of Chemical Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010062，China；2.College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology）

A certain number of aluminum is in the red mud derived from Bayer process.It has important meaning to extract alumina from the red mud for saving resources，protecting environment，and achieving sustainable development.The conditions of calcining activation of red mud with carbide slag as assistant and extracting alumina were studied.The effects of conditions of calcining activation and leaching on the leaching rate of alumina from red mud were investigated.Experimental results showed that the optimum conditions of calcining activation were：mass ratio of carbide slag to red mud of 2.5，calcination temperature of 1 250℃，and calcination time of 120 min；the best technological conditions of leaching were as follows：under liquid-to-solid ratio of 3.0，alumina leaching efficiency of 88.1%was achieved when clinker was leached with 8%（mass fraction）of Na2CO3at 85℃for 120 min.The digestion residue could be used as a good admixture of cement.

red mud；leaching efficiency；extraction；alumina；sintering method

TQ133.1

A

1006-4990（2016）02-0068-03

2015-08-20

紀(jì)利春（1975—），女，碩士，講師，從事固體廢物綜合利用。

相亞軍