基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)研究

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

工業(yè)上利用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，會產(chǎn)生大量含有氧化鐵的廢渣，由于廢渣中的氧化鐵呈現(xiàn)紅色，且其含水量較高通常情況下為泥狀，因此稱之為“赤泥”。赤泥屬于強(qiáng)堿性的廢渣，如果不慎泄露，會對大氣、生態(tài)環(huán)境、人與動植物產(chǎn)生嚴(yán)重的生命影響。由于氧化鋁的制造在近幾年達(dá)到了蓬勃發(fā)展的狀態(tài)，對于赤泥的處理并沒有一個較好的解決方案，反而成為了氧化鋁生產(chǎn)的限制因素[1]。目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究人員對于赤泥的無害化處理與資源化利用方面做出了很多深入的研究，例如將赤泥進(jìn)行改性后作為基體對水體和空氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行吸附，或以赤泥作為原料與其他組分進(jìn)行混合后作為建筑材料，制備路基或水泥等。由于赤泥中包含很多金屬元素，主要含有鋁土礦礦石，除此之外，還含有很多鐵、鈦、硅等元素的氧化物以及不溶性的氧化鋁，還有很多其他的氧化物[2]。其中有很多金屬具有一定的回收價值，本文從冶金領(lǐng)域入手，將赤泥作為提取有價金屬的原料。傳統(tǒng)的回收利用方法中，反應(yīng)物料的反應(yīng)率較小，為了提高赤泥在回收過程中的反應(yīng)率，對基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)進(jìn)行研究。

1 基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)研究

1.1 分析赤泥中的礦物結(jié)構(gòu)組成

利用拜耳法制造氧化鋁得到的赤泥中，粒徑比較小，在0.005mm～0.075mm，其具有的多空架構(gòu)決定了它具有很大的表面積。由于其具有的多空架狀結(jié)構(gòu)，比重為2840g·m3～2870g·m3，所以具有較強(qiáng)的持水性，塑性指數(shù)能夠達(dá)到17.0-30.0，其含水量為86.1%～90.0%[3]。赤泥中的成分會個根據(jù)鋁土礦的來源不同而略有差異，我國的拜耳法生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)生的赤泥中，主要的組成成分如下表所示：

表1 拜耳法生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)生的赤泥組成成分

由于在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，產(chǎn)生的赤泥非找成分非常復(fù)雜，與原始的金屬礦有很大區(qū)別[4]。如果不對赤泥進(jìn)行改造利用，大量赤泥的存放會占用珍貴的農(nóng)田和土地，并且需要一些堆場的建設(shè)維護(hù)費(fèi)用，因?yàn)槠涑煞值奶厥庑?，一旦泄露，會對空氣、建筑物表面、土壤和地下水造成不可逆轉(zhuǎn)的污染，且部分赤泥中所含有的礦物質(zhì)中，還有存在一些鐳等放射性物質(zhì)，危害人與動植物的健康。因此充分挖掘赤泥的價值，從中將一些金屬元素回收再利用，是目前處理赤泥較優(yōu)的方法。

1.2 回收有價金屬

對于赤泥中的有價金屬來說，赤泥中的氧化鋁一般會與鐵、鈦或鈉等金屬一起回收。拜耳法赤泥成分復(fù)雜，其中包含多種具有回收價值的金屬，根據(jù)金屬的性質(zhì)不同，相關(guān)的工藝也不相同[5]。有價金屬一般利用酸法進(jìn)行回收，酸法使使用H2SO4或HCl浸泡，得到拜耳法赤泥中的鋁，再從浸液中提取鋁鹽，將其進(jìn)行分離得到金屬鋁。使用兩段鹽酸來浸出赤泥，赤泥中一些能夠溶解在酸中的金屬元素會全部進(jìn)入液相，而不溶于酸的SiO2以固相的形式析出。浸出的液相通過一系列的蒸發(fā)、水解、除鈣、中和、溶出等過程，可以從中得到分離出的高鈦渣、鈣渣、稀土渣和NaAlO2溶液。得到的NaAlO2可用于在工業(yè)上生產(chǎn)Al2O3和Al（OH）3，這種提取金屬的工藝能夠浸出赤泥中88%以上的鋁金屬元素，并且在回收得到的率金屬元素中，80%以上的鋁能夠?qū)崿F(xiàn)有效回收。

對于赤泥中的金屬回收來說，使用燒結(jié)法能有效提高Al2O3的回收率[6]。燒結(jié)法主要是將赤泥進(jìn)行漂洗，當(dāng)其呈弱堿性后，將其與石灰和Na2CO3在充分混合的情況下經(jīng)過高溫焙燒，在此過程中，需要嚴(yán)格控制石灰和Na2CO3的用量，過多或過少都會影響反應(yīng)的進(jìn)程，生成難溶的三元化合物；除此之外，還需要注意溫度的控制，溫度也會影響Al2O3的溶出率。在這樣的反應(yīng)條件下，赤泥中的Al2O3與加入的CaO和Na2CO3灰生成鋁酸鈉，赤泥中存在的SiO2與CaO會生成CaSiO3，氧化鐵則會生成鐵酸鈣和鐵酸鈉[7]。另外使用Na2CO3和和NaOH的稀釋溶液能夠?qū)⑹炝现械匿X酸鈉溶出，堿液中的鋁酸鈉經(jīng)過反應(yīng)分解得到Al（OH）3沉淀，下一步通過高溫鍛燒，反應(yīng)生成Al2O3，而溶出渣經(jīng)過磁選可得到磁鐵礦石。在燒結(jié)的過程中，如果燒結(jié)的時間不足，那么氧化鋁就無法完全轉(zhuǎn)化成鋁酸鈉，導(dǎo)致鋁金屬無法溶解到溶液中，降低了鋁的溶出率[8]。在有價金屬的燒結(jié)法回收過程中，可以回收到赤泥中大部分的Al2O3。至此完成基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)的研究。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法具有一定的有效性，需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中主要采用的實(shí)驗(yàn)原料為某鋁業(yè)公司拜耳法生產(chǎn)氧化鋁所產(chǎn)生赤泥，赤泥的物相分析如下圖所示：

圖1 拜耳法赤泥的XRD圖譜

從上圖可以看出，實(shí)驗(yàn)赤泥中的主要成分有Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2、CaO、Na2O。本文選擇的赤泥中鐵含量較高，其中Al2O3、Fe2O3、Na2O三種物質(zhì)的含量之和為57.33%，因此對赤泥中的鐵、鋁、鈉進(jìn)行回收能夠取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要用到的實(shí)驗(yàn)試劑主要有氫氧化鋁、氫氧化鈉、鹽酸、乙二胺四乙酸二鈉、氫氧化鈉、醋酸鈉、氯化鋇、醋酸、石灰、石灰石、無水碳酸鈉、水楊酸鈉、鎢酸鈉、氯化亞錫、氟化鈉、煤粉，需要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有電子天平、低壓釜、磁選機(jī)、馬弗爐、管式電阻爐、高溫管式氣氛爐、循環(huán)水真空機(jī)、分光光度計(jì)、火焰光度計(jì)、鼓風(fēng)干燥箱、振動磨礦機(jī)、多功能礦物混合機(jī)、熱重分析儀。

在實(shí)驗(yàn)過程中，將赤泥、純堿、石灰、煤粉進(jìn)行混合，制備成混礦生料，在高溫條件下經(jīng)過還原焙燒后，得到主要成分為硅酸鈣、鋁酸鈉以及磁性鐵化合物的熟料，并將其放置在鋁酸鈉調(diào)整液中浸泡，溶出漿液后將溶出液進(jìn)行分離和洗滌，得到鋁酸鈉粗液和赤泥溶出渣，將其進(jìn)行磁選分離，得到鐵精礦和尾礦。

將反應(yīng)物料按照預(yù)定的配比在混料機(jī)上混合均勻后，使用熱分析儀，采用程序升溫的控制方式，控制升溫速率保持在10℃/min，從室溫升到1000℃，載氣選擇的是高純度的氬氣，流速為100mL/min。并根據(jù)熱分析儀記錄的熱重曲線計(jì)算出升溫過程中各個物相反應(yīng)和溫度之間的關(guān)系，通過混合物料的理論失重率和實(shí)際失重率來計(jì)算出反應(yīng)率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，分別使用了本文設(shè)計(jì)的回收利用技術(shù)和傳統(tǒng)的回收利用技術(shù)共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

從上表的結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的回收利用的方法能夠有效的提高回收過程中的反應(yīng)率。說明本文研究的基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)具有一定的有效性。

3 結(jié)束語

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁而產(chǎn)生的赤泥作為固體的廢棄物，如果不能得到有效的處理，會大量的占用土地并引發(fā)一系列的環(huán)境問題。因此將赤泥作為原料回收其中的有價金屬，成為了目前的研究方向。針對目前赤泥回收利用技術(shù)中反應(yīng)率較低的問題，設(shè)計(jì)一種基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法在赤泥的回收過程中具有更高的反應(yīng)率。