氧化鋁冶煉中赤泥的微觀形貌分析

氧化鋁冶煉中赤泥的微觀形貌分析

理高鋁低硅鋁礦石氧化鋅是陶瓷生產中的重要原料之一。紅色污泥是氧化精煉過程中產生的固體粉末廢物，其外觀與紅色土壤相似。目前,氧化鋁冶煉方法有三種,即:拜耳法、燒結法和混聯(lián)法,三種不同的生產方法分別適用于處理不同品位的鋁礦石,處理后產生的赤泥其成分、性質和物相各異。拜爾法適用于處理高鋁低硅鋁礦石,主要是利用苛性堿溶液在高溫下溶解鋁土礦中的氧化鋁,得到鋁酸鈉溶液,溶液與赤泥分離后,加入氫氧化鋁晶種,進行分解,得到氫氧化鋁,在950~1200℃溫度下煅燒,得到氧化鋁。燒結法適用于處理中低品位鋁礦石。燒結法將磨好的鋁土礦、石灰或石灰石、純堿、循環(huán)母液的混合物在燒成窯中焙燒而提取氧化鋁?；炻?lián)法為了降低成本,最大限度地利用鋁土礦中鋁資源,將拜耳法和燒結法聯(lián)合使用,采用拜耳法排出的赤泥作為原料,經燒結法處理再制取氧化鋁,最后排出的赤泥為混聯(lián)法赤泥。大量的赤泥排放后不加利用,不僅占用大量土地和農田,耗費較多的堆場建設和維護費用,而且存在于赤泥中的剩余堿液向地下滲透,易造成地下水污染。此外,曬干的赤泥形成的粉塵到處飛揚,破壞生態(tài)環(huán)境,造成嚴重污染。因此,為使赤泥得到有效的處理和回收利用,對其組成和特性的詳細表征是非常重要的,本論文針對拜耳法和混聯(lián)法,這2種不同工藝產生的赤泥,采用多種表征手段分析其組成和特性,可為有針對性的回收利用提供基礎數(shù)據(jù)。1、實驗內容1.1來自紅泥的來源1.2赤泥的表征用X-射線熒光光譜(PW2424)分析赤泥的成分;用X-射線粉末衍射儀(RigakuD/max-3c,Cu靶(Kα),管電壓35kV,管電流20mA,Ni濾波(λ=1.5418?),掃描角度10~90°,掃描速率為5°/min)測試赤泥的晶相組成;用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet-360)分析赤泥的官能團;用熱分析儀(德國NETZSCH公司,STA409PG)表征赤泥在加熱過程中的變化;用比表面積分析儀(SSA-4200)測試樣品的比表面積;用場發(fā)射掃描電鏡(JSM-7500F)觀察赤泥的表面形貌。2、結果與討論2.1混聯(lián)法與混聯(lián)法的赤泥a和混聯(lián)法的金屬氧化物含量的對比赤泥A與赤泥B的XRF表征結果見表1和表2。分析發(fā)現(xiàn),兩種生產方法得到的赤泥均主要含有Al2O3、CaO、Fe2O3、SiO2、Na2O、TiO2等。拜耳法產生的赤泥A中Al含量較高,以金屬氧化物計達到22.25%,而混聯(lián)法產生的赤泥B中Al含量則較低,只有9.53%,但CaO含量高達42.13%,遠遠高于赤泥A中CaO的含量。這主要是因為拜耳法生產所用的礦石主要為高鋁低硅礦石,系利用苛性堿溶液在高溫下溶解鋁土礦中的氧化鋁,得到鋁酸鈉溶液并從中分離產生赤泥;而混聯(lián)法是將拜耳法和燒結法聯(lián)合,主要處理低品位鋁礦石,將磨好的鋁土礦、石灰或石灰石、純堿、循環(huán)母液的混合物在燒成窯中焙燒而提取氧化鋁,因此導致混聯(lián)法赤泥中鈣含量特別高。2.2規(guī)則質構結構赤泥A與赤泥B的微觀形貌分別如圖1與圖2所示。從圖1中可以看出赤泥A表面的糙化程度高,孔隙不規(guī)則,多為規(guī)則和不規(guī)則的四邊形多層片狀堆積構。從圖2可以看出赤泥B中存在大量規(guī)則簇狀結構,放大至20000倍發(fā)現(xiàn)簇狀結構之間由許多不規(guī)則的細小微粒組成,沒有確定的形狀。兩種赤泥的表面特征可以說明:不規(guī)則的大量空隙結構使得赤泥具有較高的比表面積,具有一定的吸附能力。2.3赤泥b中碳酸鎂、氯化銨8、ca3a3、ca3al2o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o3o6圖3和圖4分別為赤泥A和赤泥B的XRD圖。由圖可知,赤泥的組成非常復雜,對比標準譜圖卡發(fā)現(xiàn)赤泥A中可能的礦物組成為Ca3AlFe(SiO4)(OH)8、Ca3Al2(SiO4)(OH)8、Ca3Fe0.87Al0.13、CaAl2(CO3)2(OH)4·3H2O。赤泥B中則含有碳酸鎂、氯化銨、(Fe,Mg,Ca)SiO、3Ca2SiO4、Ca4Fe2Ti2O11、Ca3Al2O6等。這樣復雜的礦物組成使得赤泥中有效成分的分離和提純很困難,最好能夠整體加以處理和利用。2.4高頻區(qū)和中低頻區(qū)赤泥和赤泥的晶體結構及特性傅里葉紅外分析可以分析赤泥所包含的官能團。圖5和圖6分別為赤泥A和赤泥B的紅外光譜圖譜。赤泥的紅外光譜譜圖主要包括Si-O、OH及其他無機物振動,赤泥的結構和成分特征分別在高頻區(qū)和中低頻區(qū)有所反應。在高頻區(qū),圖5中赤泥A在3660.74cm-1出現(xiàn)尖銳峰形,圖6中赤泥B在3402.2cm-1出現(xiàn)特征吸收峰,表明兩種赤泥均具有表面-OH。中低頻區(qū)為赤泥的晶格振動區(qū)。在1100-900cm-1區(qū)間內為Si-O鍵伸縮振動特征吸收峰,赤泥A在1001cm-1出現(xiàn)Si-O-Si骨架振動峰,赤泥B在979.7cm-1出現(xiàn)Si-O鍵特征吸收峰,峰形寬。800-400cm-1為硅氧四面體和鋁氧八面體的內部振動。2.5赤泥b表面水因熱谷圖7和圖8分別為赤泥A,B的TG-DTA圖。由圖7可知,赤泥A在225℃、300℃及665℃處共有三個吸熱谷,225℃和300℃左右應該是赤泥A脫水導致,依次逐漸脫去表面水、水化水和結構骨架中的結合水,而665℃處可能是CaCO3受熱分解導致失重。隨著溫度的上升,赤泥A逐漸失重,但到700℃后失重速率大幅降低,到900℃左右只是微弱失重。赤泥B在110℃和650℃處出現(xiàn)吸熱谷。110℃處應該是赤泥B表面水的脫除導致,650℃處則同樣為CaCO3受熱分解所致。赤泥B在650℃之后失重速率大幅降低,在800℃之后只是微弱失重。3、結論中國長城鋁業(yè)河南分公司,拜耳法(A),混聯(lián)法(B)。2.6赤泥的組成和特性對兩種赤泥進行比表面積測定結果見表3。從表3中可以看出赤泥A與赤泥B比表面積差別不大,孔徑也非常接近,但赤泥B孔容遠遠大于赤泥A。這主要是因為赤泥B的產生過程中經過高溫燒結過程,其中的部分有機質、表面水、水化水、結構骨架中的結合水等可能在此過程中被除去,從而導致赤泥B孔容大大增大。在對兩種赤泥的粒度測定中發(fā)現(xiàn),任取100g赤泥A,100%都能過30目篩,73.58%過200目篩;任取100g赤泥B,91.3%能過30目篩,而只有13.39%能過200目篩。這也說明赤泥A相對赤泥B顆粒更細小,從而導致兩者比表面積相差不大。采用多種手段對兩種赤泥的組成和特性進行表征,結果表明赤泥的化學組成和礦物組成都很復雜,表面都存在OH官能團,掃描電鏡下呈不規(guī)則排列。其中赤泥A主要含有CaO、AlO、SiO、23FeO、NaO、TiO等成分。礦物成為2322CaAlFe(SiO)(OH),CaAl(SiO)(OH),3483248CaFeAl,CaAl(CO)(OH)·30.870.13232423HO,比表面積10.10