微波强化焙烧一水硬铝石矿提取氧化铝基础研究

发布时间：2018-03-25 14:50

本文选题：微波焙烧　切入点：一水硬铝石矿　出处：《昆明理工大学》2017年博士论文

【摘要】：中国是铝土矿资源较丰富的国家之一。但中国铝土矿绝大部分是难处理的一水硬铝石矿,其结晶完善、结构致密,铝硅比主要在4～7之间。采用传统拜耳法处理这类一水硬铝石矿时存在溶出条件苛刻、赤泥排放量大、氧化铝回收率低等问题。而烧结过程(包括联合法和强化烧结法)因为温度高、流程复杂、污染等问题限制了其应用。中国氧化铝工业要与国际竞争,必须采用新技术、新方法来提高铝回收率、降低能耗、提高效益。作为一种绿色环保、高效快速的加热方式,微波加热越来越受人们的关注。本文提出一种新型微波加热处理一水硬铝石矿提取氧化铝的新方法。该方法的原理是将一水硬铝石矿与碱性混合物(Ca(OH)2+饱和NaOH溶液)混合均匀后在微波炉中焙烧。利用微波对碱液的选择性加热作用,强化了一水硬铝石物相的分解作用。物料中含铝物质与NaOH快速反应生成易溶于水的铝酸钠(NaAlO2)物相,而Si杂质与Ca(OH)2反应生成不溶于水的硅酸二钙(Ca2SiO4)物相。熟料在常压下用稀碱溶液浸出,从而达到铝硅分离的目的。本文研究了反应的热力学和动力学。具体是,利用DTA-TG,XRD和SEM-EDS技术对熟料的加热性能、物相组成、微观结构和浸出效果进行了检测分析。通过微波焙烧-常规焙烧,干法混料-湿法混料,NaOH体系-Na2CO3体系的比较实验,探讨了微波焙烧强化一水硬铝石矿分解的反应机理。本文的主要研究内容如下下:1.针对一水硬铝石矿中常见的物相与NaOH和Ca(OH)2可能发生的化学反应,分别计算了二元体系、三元体系和四元体系主要反应的热力学,得到了了铝土矿中各物相与NaOH和Ca(OH)2互相反应的优先顺序。2.系统研究了不同配料比和焙烧条件下,铝土矿-氢氧化钠体系和钒土矿-氢氧化钠-氢氧化钙体系在微波场中的相变规律。通过熟料的物相结构确定微波焙烧实验的最优条件为:NaOH添加量根据nNa/(nAl+nFe)的摩尔比为1,Ca(OH)2添加量根据nCa/nsi的摩尔比为2,焙烧温度为800 ℃,保温时间20 min。3.系统研究了不同微波焙烧条件(NaOH和Ca(OH)2的添加量、微波焙烧温度和保温时间)和不同浸出条件(浸出温度、浸出时间和液固比)对熟料的浸出性能的影响。确定了浸出实验的最优条件为:浸出温度为80 ℃、时间为20 min、液固比为15:1。此时,熟料中Al、Na和Si的可溶率分别达到96.68%、98.2%和 7.05%。4.为了探索微波强化焙烧的机理,本文比较了常规焙烧和微波焙烧的熟料的物相结构和浸出性能。结果表明,微波加热促进NaOH与铝土矿中含铝的物质反应生成NaAlO2。微波焙烧所需要的温度比常规焙烧低400 ℃、时间仅为常规焙烧的1/3。与常规加热方法的相比,微波焙烧的表观活化能更低,从40.84 kJ/mol降低至 31.31 kJ/mol。5.为了揭示水在微波场中强化高温反应的机理,本文比较了微波焙烧后干混熟料和湿混熟料的物相结构和浸出性能。结果表明,与干法混料的熟料相比,湿法混料促进铝土矿与NaOH和Ca(OH)2的反应,利于NaAlO2和Ca2SiO4的形成,抑制AlOOH的脱水反应。6.通过介电特性、粘度和饱和蒸气压的比较发现,与Na2CO3相比,NaOH溶液在微波场中更利于传热、锁住水分和起到微区高压的作用。在800 ℃微波焙烧20 min后,Na2CO3熟料中Al的可溶率仅为70%、比NaOH体系的Al的可溶率低了 27%。7.揭示了湿法混料-微波焙烧强化一水硬铝石矿分解的反应机理为:(a)微波场中,生料浆的中心附近发生急速加热;(b)水蒸汽的蒸发和微波热传导的方向都是从内向外,促进热量从中心向外传递;温度梯度和极性分子在微波场中的存在使得物料的反应面积增加;(c)反应层逐渐从内向外扩大;(d)随着焙烧时间的延长,外层的介电损耗增加,微波穿透深度减小,样品中的温度梯度逐渐达到平衡,最终获得均匀的焙烧产物。综上研究内容,本文针对现有处理一水硬铝石矿工艺的不足,首次提出了一种有效的湿法混料-微波焙烧处理一水硬铝石矿提取氧化铝新工艺,实现了低温高效利用。此外,探讨了湿法混料-微波焙烧强化一水硬铝石矿分解的反应机理。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ133.1

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