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第6 2 卷第l 期 2010 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u 8M e t a l s V 0 1 .6 2 。N o .I F e b r u a r y .20l0 钠硅渣湿法处理热力学分析 张亚莉1 ,张邦胜2 ,于先进1 ,彭志宏3 1 .山东理工大学化工学院,山东淄博2 5 5 0 0 2 ;2 .北京矿冶研究总院,北京10 0 0 4 4 ; 3 .中南大学冶金科学与工程学院,长沙4 10 0 8 3 摘 要基于热力学理论对钠硅渣湿法处理过程中含硅化合物的稳定性及相互间町能存在的转化进行理论分析,主要涉及 到不同饱和系数的水化石榴石的分解条件及水合硅酸钙可能稳定存在的物相和生成条件。结果表明.钠硅渣加石灰反应町以生 成水化石榴石,回收其中的氧化钠。水化石榴行渣在通入C 0 2 气体过程中,易于分解生成氢氧化铝和水合硅酸钙。钠硅渣湿法处 理工艺路线理论上可行,能够回收其中的碱和氧化铝。 关键词冶金过程物理化学;钠硅渣;热力学;湿法处理;机理 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 l 2 0 1 0 0 1 0 0 6 4 0 5 l 钠硅渣湿法处理技术方案⋯ 碱法生产氧化铝的关键在于铝、硅分离。钠硅 渣是碱法处理铝土矿时最重要的硅矿物的反应产 物。在拜耳法高压溶出一水硬铝石的过程中,几乎 所有的硅矿物主要以钠硅渣形式进入赤泥。烧结法 粗液脱硅过程中,9 0 %以上的S i O 也以钠硅渣的形 式从溶液中析出。钠硅渣中含有大量的碱和氧化 铝,必须加以分离。 钠硅渣湿法处理的技术路线是将钠硅渣脱碱, 再对脱碱渣通入C O 转型,最后溶铝。称取一定量 的合成钠硅渣 常压的或高压的 ,按一定的C a O / N a O 分子比加入石灰,然后在适宜温度下进行脱 碱,对脱碱渣进行洗涤、烘干,得脱碱后的二氧化硅 饱和系数大的水化石榴石 以下一般称之为脱碱 渣 。取一定量的脱碱渣,在一定温度的水浴槽中, 加入要求浓度的C O 物质,反应若干时间后取出, 过滤,烘干,备用。将一定量的转型后渣,加入一定 浓度的碱液,在低压釜中反应一定时间,取出,过滤 烘干,分析溶液成分和渣相成分。 2 钠硅渣物相组成 图1 一图3 分别为脱碱后钠硅渣、分解后水化 石榴石和溶铝后钠硅渣的x 射线衍射光谱。从图1 收稿日期2 0 0 9 0 3 2 4 基金项目淄博市科技项目 2 0 0 6 k j m 3 9 作者简介张亚莉 1 9 7 4 一 ,女,河北安国市人,讲师。博士生。主要 从事有色金属冶金等方面的研究。 可以看出,钠硅渣脱碱后,主要成分是水化石榴 石口一,钠硅渣的峰很少,说明钠硅渣脱碱后主要形 成了水化石榴石。从图2 看出,脱碱后渣通人气体 转型后,水化石榴石分解,产生水合硅酸钙和丝钠铝 石。图3 则是转型渣再经溶铝的产物,主要剩下水 合硅酸钙的峰,说明丝钠铝石已经分解,铝则以溶解 性物质进入溶液,这样达到了铝硅分离的目的。 图1常压合成钠硅渣脱碱后的x 射线衍射光谱 F i g .1 X R Dp a t t e r n so fr e s i d u ea f t e ra l k a l ir e c o v e r yw i t h s o d i u mh y d r a t ea l u m i n o s i l i c a t ei no r d i n a r yp r e s s u r e 1 2 .02 f L f J2 f 1 .f J3 6 .o4 4 .o勉.06 0 .06 8 .O7 a 0 A 一碳酸钙;B - 硅酸钙;C - N a 2 0 ’A 1 2 0 3 。C 0 2 ’} 炉;D - A 1 2 0 . 图2水化石榴石渣分解后的X 射线衍射光谱 F i g .2 X R D p a t t e r n s o fr e s i d u ea f t e rc o n c e n t r a t i o nw i t h s o d i u mh y d r a t ea l u m i n o s i l i c a t ei no r d i n a r yp r e s s u r e 万方数据 第1 期张亚莉等钠硅渣湿法处理热力学分析 6 5 1 5 ∞ 1 2 0 0 9 ‘耵 6 0 0 3 0 0 。 .、~叙. ,猷“斗A “ A A 魁B A k .髅呈.k 图3 溶铝后渣的X 射线衍射图谱 F i g .3 X R Dp a t t e r n so fr e s i d u ea f t e ra l u m i n ae x t r a c t i o n 3 钠硅渣湿法处理过程热力学分析 3 .1 钠硅渣脱碱过程热力学分析 钠硅渣脱碱过程就是在钠硅渣的水体系中加入 石灰,使钠硅渣转化成水化石榴石,该过程可能存在 式 1 和式 2 所示的两个主要化学反应。 N a 2 0 A 1 2 0 ,2 S i 0 2 H 2 0 3 C a O H 2 _ 3 C a O A 1 2 0 3 2 S i 0 2 2 H 2 0 2 N a 2 0 H 一 H 2 0 1 N a 2 0 A 1 2 0 3 1 .5 S i 0 2 1 .2 H 2 0 3 C a O H 2 _ 3 C a O A 1 2 0 3 1 .5 S i 0 2 3 H 2 0 2 N a 2 0 H 一 0 .2 H 2 0 2 由反应方程式可以看出,反应过程主要是以钠 硅渣、石灰、水化石榴石、氢氧化钠的化学反应为主, 其中反应物钠硅渣、生成物水化石榴石为复杂化合 物,在水系中的溶解度很小。在处理该体系的热力 学问题时,引入活度“ 叫3 1 概念,离子的活度系数均 按R o b i n s o n ,G u g g e n h e i m 和b a t e s 提出修正的D e - b y e h u c k l 方程”引。电解质溶液中高离子强度下的 活度系数由式 3 计算,式中,为离子强度,, ∑ X i Z i /2 x ;为离子i 摩尔分数 ,而Z 则为离子i 的活 度系数。 一l o g ,/z i 0 .5 11 // 1 1 .5 0 1 一0 .2 0 1 3 在高于2 9 8 K 的任何温度下,任何反应的a c o 的计算式可近似推导,如式 4 一式 1 0 所示,其中 口,b ,c 分别为热容系数,K ,为反应平衡常数。 △G ,。 △域,。一2 9 8 a s 0 9 8 4 △G ; △群一弘S o T 5 △G ;一△G ,8 △衅一△磋,。 一 T a s o 一2 9 8 a s 2 0 9 8 6 △日; △月笔。 I △c ,d T T 2 9 8 ~T 7 J a s o △s 9 8 f △c ,d T /T T 2 9 8 一T 8 , C , 口 bX1 0 3 T C 1 0 5 T 一2 9 A G △G ; R T l n K r’ 1 0 ’根据方程式 4 和方程式 5 的特点,可得出上 述反应的坼均为K , 菇。H 一厶。.菇.. 兀。一。 由式 3 和式 7 可以计算出温度为r 时反应 1 和反应 2 两个反应的标准吉布斯自由能△G , 再根据钠硅渣脱碱过程中各物质的实际浓度和和工 艺条件,按K ,计算反应的自由能a G ,,见式 1 1 ,其 中△G ,的单位为k J t o o l ~。 A G △G ; 矗丁I n 菇o H 一f o H 一髫N . 厶H 一 1 1 钠硅渣脱碱反应的整个过程中N a O H 的浓度变 化不大,反应结束后其浓度范围在1 5 3 0 9 /L ,由于 反应初期N a O H 的浓度为0 ,因此只能计算反应末 期的吉布斯自由能。对于该反应来说,反应末期R T i n 石。。一f o H 一戈N 。 f o 。. 远小于a c o ,所以通过 △G 来讨论不同硅饱和系数的水化石榴石形成条件 是可行的。根据实验本身对温度要求不是很高的特 点,仅计算了2 9 8 K 一3 9 8 K 之间间隔1 0 K 的1 1 个不 同点的吉布斯自由能,具体计算是在“氧化铝生产 热力学数据库软件”H 3 一副上完成的。 如图4 所示,无论是N a 2 0 A 1 0 ,2 S i 0 2 H 2 0 还是N a 2 0 A 1 2 0 ,1 .5 S i 0 2 1 .2 H 0 与石灰 的反应,在3 2 8 K 一4 6 8 K 之间,随温度的升高,反应 吉布斯自由能有所增加,从图4 可以看出,脱碱反应 的吉布斯自由能曲线的斜率是正值,属于放热反应, 水化石榴石的形成过程是放热反应,说明升高温度 不利于水化石榴石的生成,主要是水化石榴石高温 下分解造成的。在要求的反应温度范围内,3 C a O A 1 2 0 3 2 S i 0 2 2 H 2 0 和3 C a O A 1 2 0 3 1 .5 S i 0 2 3 H ,O 的吉布斯自由能相差不大,因此都有可能生 成。然而,从热力学角度比较而言3 C a O A I O , 2 S i 0 2 2 H 0 更容易生成。 辜 蚤 图4 钠硅渣脱碱反应的吉布斯自由能 F i g .4 R e a c t i o nG i b b sf r e ee n e r g i e so fa l k a l i r e c o v e r ya td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 万方数据 有色金属第6 2 卷 3 .2 脱碱渣转型过程的热力学分析 钠硅渣湿法处理工艺中,脱碱渣转型对于氧化 铝回收起着重要作用,转型效果的好坏直接影响氧 化铝的回收率。脱碱渣的转型实质上是水化石榴石 分解过程,在此过程中涉及到N a 0 一A I O ,一C a O C O 一H 0 体系,主要物质是水化石榴石、氢氧化 铝、N a 2 0 A 1 2 0 3 C a O C 0 2 n H 2 0 。水化石榴石 分解后,其中的含铝物质主要转化为氢氧化铝或 N a ,0 A I 0 ,C O n H 0 。体系物质较多,反应复 杂,研究过程的反应热力学有利于探明脱碱渣转型 机理。过程中基于生成氢氧化铝的可能存在的化学 反应有3 C a O A 1 2 0 3 x S i 0 2 6 2 戈 H 2 0 C 0 2 - A l O H 3 m C a O n S i 0 2 y H 2 0 C a C 0 3 H 2 0 。 在实验过程中,P .一般保持在0 .4 1 .0 P o 之 间,对于式/t G △G ; R T I n K r 来说,R T l n K ,这一项 在实验条件下远小于△G ,可以忽略不计,因此通过 △G ;来讨论水化石榴石分解条件是可行的。 从图5 一图7 可以看出,3 C a O A 1 2 0 3 x S i 0 2 5 H ,0 加入C O 后生成的水合硅酸钙种类不同,其 吉布斯自由能也不同。C a O S i O H O ,6 C a O 6 S i O H 2 0 ,2 C a O - S i O 0 .5 H 2 0 三种水合硅酸 钙的生成吉布斯自由能为负值,因此均有可能生成。 由于C a O S i O H ,0 的生成吉布斯自由能曲线在 6 C a O 6 S i O H O 生成自由能曲线下面,因此C a O S i 0 2 H 2 0 比6 C a O 6 S i 0 2 H 2 0 较易生成。依 此类推,在3 C a O A 1 2 0 3 0 .5 S i 0 2 5 H 2 0 的分解 过程中,生成水合硅酸钙的顺序是C a O S i O H ,0 ,6 C a O 6 S i O ,H ,O 和2 C a O S i 0 2 0 .5 H 0 。 三条曲线随温度升高呈上升趋势,反应吉布斯自由 能随温度升高而增大,曲线的斜率为正值,说明反应 图53 C a O A 1 2 0 3 S i 0 2 4 H 2 0 分解 反应的吉布斯自由能 F i g .5 G i b b sf r e ee n e r g i e so fh y d r o g a r n e t 茹 1 d e c o m p o s i t i o n 是放热反应,氢氧化铝析出会放出大量反应热,即升 高分解温度不利于水化石榴石分解。过程的进行还 与反应动力学有关,因此要结合热力学与动力学,选 择最佳温度。 毫 ● 墨 司 图63 C a O A 1 2 0 3 1 .5 S i 0 2 3 H 2 0 分解反应的吉布斯自由能 F i g .6 G i b b sf r e ee n e r g i e so fh y d r o g a m e t x 1 .5 d e c o m p o s i t i o n , 巷 ● 显 著 司 图73 C a O A 1 2 0 3 2 S i 0 2 2 H 2 0 分解 ‘反应的吉布斯自由能 F i g .7 G i b b sf r e ee n e r g i e so fh y d r o g a r n e t 石 2 d e c o m p o s i t i o n 3 .3 从转型后的残渣中回收氧化铝的热力学分析 钠硅渣经过脱碱、转型后,其中的含铝物质转化 为氢氧化铝或N a O A I 0 ,C O n H 0 ,含硅物 质转化为水合硅酸钙。溶铝过程就是用苛性碱溶液 处理转型后渣,氢氧化铝或N a O A 1 0 ,C O n H ,O 变成铝酸钠进入溶液,含硅物质留在渣中,从 而达到铝硅分离的目的。苛性碱溶液与转型后渣发 生作用,A l O H , O H 一 A I O H 。一。 在氢氧化铝与苛性碱溶液反应过程中,反应初 始阶段,生成物的浓度为0 ,因此只能计算反应末期 的自由能来判断影响反应进行的因素。根据溶铝过 程中各物质的实际浓度和工艺条件,按照式 1 0 计 算反应 1 1 的吉布斯自由能A G ,。按表l 的有关试 万方数据 第1 期张亚莉等钠硅渣湿法处理热力学分析 6 7 验条件和试验结果计算了溶铝后期的A l O H ,与 O H 一反应自由能,结果如图7 所示。 表1 转型后渣的溶铝条件和结果 T a b l e1C o n d i t i o na n dr e s u l to fr e s i d u ea f t e rt r a n s f o r m a t i o n 从图8 可以看出,在氧化铝溶出过程中反应的 吉布斯自由能与反应温度和苛性碱浓度有关。苛性 碱的浓度高时,反应自由能变得更负,反应更易于进 行。反应温度升高时,自由能降低,反应图线的斜率 为负值,反应为吸热反应,说明升高温度有利于氢氧 化铝的溶解。 4结论 通过热力学计算知道,钠硅渣加石灰反应可以 参考文献 童 ● 黾 皂 1 7 K A - N a 2 0 浓度4 1 .7 9 9 /L ;B N a 2 0 浓度8 1 .6 9 /L 图8 不同温度下氢氧化铝溶解 反应吉布斯自由能 F i g .8 R e a c t i o nG i b b sf r e ee n e r g i e sw i t ha l u m i n a d i g e s t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 生成水化石榴石,回收其中的氧化钠。水化石榴石 渣在加入C O 的过程中,易于分解生成氢氧化铝和 水合硅酸钙。在整个转型过程中,生成的含铝物质 有氢氧化铝,含硅物质为水合硅酸钙。温度升高,不 利于水化石榴石分解转型反应的进行。 [ 1 ] 高守正.氧化铝生产中水化石榴石渣的综合处理[ J ] .轻金属,1 9 8 5 , 1 1 7 1 1 . 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K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lp h y s i c o c h e m i s t r y ;s o d i u mh y d r a t eh y d r oa l u m m o - s i l i c a t e ;t h e r m o d y n a m i c s ; h y d r o - t r e a t m e n t ;m e c h a n i s m 上接第4 7 页,C o n t i n u e df r o mP .4 7 P r e p a r a t i o na n dA n t i b a c t e r i a lP e r f o r m a n c eo fA g - c a r r i e dN a n o m e t e rC o p p e rF e r r i t e L I A OH u i w e i ,M UL a n ,T O N G ] r u n S i c h u a nP r o v i n c eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dC o n s t r u c t i o nM a t e r i a l ,S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ,M i a n y a n g6 2 1 0 1 0 ,S i c h u a n ,C h i n a A b s t r a c t A nA g c a r r i e da n t i b a c t e r i a la g e n ti s p r e p a r e db ya d s o r p t i o nm e t h o d ,w i t ht h e c a r r i e ro fm u l r i p l eo x i d e n a n o m e t e rc o p p e rf e r r i t e C u F e 2 0 4 .T h ea n t i b a c t e r i a lp e r f o r m a n c ei sc h a r a c t e r i z e db yt h ea n t i b a c t e r i a lc i r c l e d i a m e t e ra n dt h eb a c t e r i c i d a lr a t eo ft h el o a d i n gs i l v e rp o w d e r .T h ec o n d i t i o n so fp Hv a l u e5 .5 7 .0 .8 hr e t e n t i o n t i m ea n d5 0 。Cf o ra d s o r p t i o na r ec h o s e nw h e nA g i sa d s o r b e db yC u F e 2 0 4 .A g c a nb ee f f e c t i v e l yr e l e a s e d ,a n d h a st h ea n t i b a c t e r i a ll a s t i n gp e r f o r m a n c ea tt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo f5 0 0 。C .T h ea n t i b a c t e r i a la b i l i t yo fA S c a r r i e dn a n o m e t e rC u F e 2 0 4i sb e t t e rt h a nt h a to fA g c a r r i e dn a n o m e t e rS i 0 2a tt h es a m ep a r t i c l e s i z ea n dA g c o n t e n tb yt h ec o n t r a s t i v ea n a l y s e s .A n t i b a c t e r i a la b i l i t yi se n h a n c e df o l l o w e dt h ei n c r e a s eo fs i l v e rc o n t e n ti nt h e a n t i b a c t e r i a la g e n t .R e l e a s e dc a p a b i l i t ya n d l a s t i n gc a p a b i l i t y o fA g a r ea f f e c t e d b ys i n t e r i n gt e m p e r a t u r e . M o r e o v e r ,t h ed e s t r u c t i b i l i t yt ob a c t e r i ab ya d s o r b a b i l i t y ,c a t a l y s i so fC u F e 20 4c a r r i e ra n de x i s t e n c eo fC ua r e f a v o r a b l et oa n t i b a c t e r i a lp e r f o r m a n c e . K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ;n a n o m e t e rC u F e 20 4 ;A g c a r r i e da n t i b a c t e r i a la g e n t ;a n t i b a c t e r i a l p e r f o r m a n c e ;b a c t e r i c i d a lr a t e 万方数据
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