高铝粉煤灰水热法提取氧化铝工艺的基础研究

发布时间：2020-09-10 13:07

　　我国高铝粉煤灰年排放量约2500万吨,累积堆存超过1亿吨。高铝粉煤灰大量堆存导致严重的大气、水体和土壤污染。与此同时,我国缺乏高品位铝土矿,对外依存度高。开发高铝粉煤灰提取氧化铝技术,不仅能够有效缓解高铝粉煤灰堆存产生的环境污染问题,而且能够降低我国对高品位铝土矿的对外依存度。高铝粉煤灰的铝硅比较低,传统拜耳法提取氧化铝工艺难以适用。水热法在添加CaO条件下,使用NaOH溶液提取氧化铝,其反应条件温和,但提铝液一般存在苛性比高、氧化铝分离回收困难等问题。基于此,本论文针对高铝粉煤灰碱法提取氧化铝过程,系统开展了高铝粉煤灰一步水热法提取氧化铝过程工艺条件优化、矿相转化机理研究,并在此基础上进一步提出了两步水热法提取氧化铝新工艺,可显著降低提铝液苛性比。之后,进行了高铝粉煤灰分解动力学和提铝尾渣脱钠等研究工作,本论文取得的进展如下：(1)系统开展了高铝粉煤灰一步水热法提取氧化铝过程工艺条件优化研究,考察了反应温度、NaOH浓度以及钙硅比等工艺条件对氧化铝提取率及提铝浸出液苛性比的影响规律,并进一步研究了高铝粉煤灰在水热体系中的矿相转化规律。结果表明,在水热体系中高铝粉煤灰中主要矿相变化过程为莫来石-羟基方钠石-沸石和硅酸钠钙。研究发现,提铝残渣中沸石物相的形成是造成高铝粉煤灰提铝过程中氧化铝损失的主要原因,提高反应温度和液固比可有效降低沸石含量,从而提高氧化铝的提取率。在260℃,40% NaOH,钙硅比1.0,液固比12和反应时间45min条件下,高铝粉煤灰中氧化铝的提取率达到91.3%。(2)针对高铝粉煤灰直接水热法提取液苛性比偏高的问题,提出形成羟基方钠石过程和羟基方钠石转化过程相结合的两步水热新工艺,提铝溶液的苛性比从一步水热法的11.5降低到7.2。与一步水热法从高铝粉煤灰提取氧化铝相比,氧化铝溶出过程和铝酸钠晶种分解过程的NaOH循环量均显著降低。(3)基于高铝粉煤灰提取氧化铝过程的矿相转变规律,开展了高铝粉煤灰水热体系溶出氧化铝过程的莫来石及羟基方钠石分解动力学研究。结果表明,莫来石在NaOH体系下分解过程的速控步骤为表面化学反应为主的混合控制,得到反应的活化能为29.70 kJ/mol;使用Avrami-Erofeev方程对羟基方钠石在Ca(OH)2存在下的分解过程进行研究,确定速控步骤为硅酸钠钙晶核形成和晶体生长,得到反应的活化能为148.90 kJ/mol。(4)为回收提铝残渣中的Na2O和实现提铝残渣的综合利用,开展了低碱水热体系下提铝残渣Na2O脱除的研究。结果表明,经过低碱水热处理,提铝残渣中硅酸钠钙主要变为链长较短的托贝莫来石,其Na2O含量为2.2%。通过红外光谱和核磁共振等分析手段,确定了Na2O在产物中主要以未分解的硅酸钠钙、平衡铝取代硅产生电荷和硅羟基吸附三部分的形式存在。进一步使用温水洗涤处理,其Na2O含量最终降低到0.6%。
【学位单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ133.1

【参考文献】