溶出温度和压强对铝酸钠溶液结构的影响.pdf

1 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年1 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i M n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 1 ．0 0 5 溶出温度和压强对铝酸钠溶液结构的影响 张少云，刘云清，陈启元，马建业 中南大学化学化工学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要采用红外光谱、紫外光谱、X 射线衍射和扫描电镜研究了溶出温度和压强对铝酸钠溶液的结构组 成以及溶出液沉淀的结构和形貌的影响。结果表明，溶出温度和压强对铝酸钠溶液的结构组成以及晶 体的形貌有较大的影响。在较高温度较高压力下，铝酸钠溶液中的主要阴离子是A I 0 H ．一，溶出液沉 淀较疏松I 在较低温度较低压力下，铝酸钠溶液中不仅存在A l H t 一，还存在复合铝酸根离子，溶出液 沉淀比较紧密；溶出温度压强对溶出液沉淀的红外光谱和X R D 结构无明显的影响。 关键词铝酸钠溶液I 溶出 温度和压强，结构I 形貌 中图分类号T F 8 2 1 ；0 6 1 4文献标识码A文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 1 一0 0 1 6 一0 4 E f f e c to fD i s s o l v i n g O u tT e m p e r a t u r ea n dP r e s s u r eo n S t r u c t u r eo fS o d i u mA l u m i n a t eS o l u t i o n Z H A N GS h a o ．y u n ，L I UY u n - q i n g ，C H E NQ i y u a n ，M AJ i a n y e S c h o o lo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a le n g i n e e r i n g 。C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y 。C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 。C h i n a A b s t r a c t T h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd i s s o l v i n g - o u tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，t h es t r u c t u r eo fs o d i u ma l u - m i n a t es o l u t i o na n dp r o d u c t sm o r p h o l o g ya p p l y i n gI R ，U V ，X R D ，S E Ma r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h ed i s s o l v i n g o u tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eh a v ei n f l u e n c e so nt h es t r u c t u r eo fs o d i u ma l u m i n a t eS O I u - t i o na n dp r o d u c t sm o r p h o l o g y ．T h em a i na n i o ni sA I O H 4 一a n dt h ep r o d u c ti sl o o s ea th i g h e rt e m p e r a t u r ea n dh i g h e rp r e s s u r e ．T h em a i na n i o n sa r eA I O H 4 一a n d [ H O 3 A I O - A I O H 3 ] 2 。一，t h ep r o d u c t si s c o m p a c ta tl o w e rt e m p e r a t u r ea n dl o w e rp r e s s u r e ．D i s s o l v i n g o u tt e m p e r a t u r ep r e s s u r eh a sn oo b v i o u s e f f e c to nt h es t r u c t u r eo fp r o d u c t s ． K e y w o r d s S o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o nID i s s o l v i n g o u t ，T e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，S t r u c t u r e M o r p h o l o g y 铝酸钠溶液是拜耳法生产氧化铝工艺中重要 的中间物质，揭示铝酸钠溶液的结构性质是强化铝 酸钠溶液分解的关键【l 】。许多学者对苛性比，苛碱 浓度、氧化铝浓度等因素和铝酸钠溶液结构的关系 进行了大量的研究，而对铝土矿的溶出温度压强和 铝酸钠溶液结构关系的研究接近空白。铝土矿主要 以三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石三种类型存 在[ 2 ] 。不同类型的铝土矿有不同的溶出条件，其中 以三水铝石最易溶出，一水硬铝石的溶出条件最为 苛刻。国外的铝矿石多以三水铝石型为主，而我国 基金项目国家9 7 3 计划资助项目 2 0 0 5 C B 6 2 3 7 0 2 作者简介张少云 1 9 8 3 一 ．男，湖南衡阳人。硕士． 铝矿石绝大多数为一水硬铝石型矿石，属于最不利 于生产的铝矿石类型。若运用传统的一水硬铝石溶 出条件进行氧化铝的生产，所得的氧化铝均为粉状 氧化铝，这与国外的砂状氧化铝质量上存在较大差 异[ 3 ] 。许多学者认为，氧化铝生产质量上的差异可 能是因为不同的溶出条件导致了铝酸钠溶液结构的 变化而造成。为了找出国内外氧化铝生产的差异， 本实验以研究铝矿石的溶出温度压强对铝酸钠溶液 的结构及溶出液沉淀的影响为目的，模拟工业条件， 进行了一系列的实验以及检测比较，研究结果表明 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年1 期 - 1 7 铝酸钠溶液的结构组成及溶出液沉淀和溶出温度压 强有较大关系。 1试验方法 三水铝石型矿石溶出温度一般为1 2 0 ～1 4 0 ℃， N a 2 0 浓度为1 2 0 ～1 4 0g ／L ，a k 1 ．3 ～1 ．4 ；而一水 硬铝石型矿石溶出温度一般为2 4 0 ～2 6 0 ℃，N a 。O 浓度为2 7 0 ～2 8 0g ／L ，a k 一1 ．4 5 ～1 ．5 5 L 3 J 。由此，我 们取中间条件，实验温度分别于1 3 0 ℃和2 5 5 ℃下 进行；f t ．k L5 0 ，c N a 2 0 一2 7 5g ／L 。本实验主要 是在封闭的高压反应釜内，对三水铝石型和分析级 氢氧化铝各在1 3 0 ℃和2 5 5 ℃下溶出，溶出时间一 般为1 2 0m i n 。待高压反应釜温度降下后，将溶液 取出并过滤至溶液澄清，立即将溶液送去进行紫外 和红外检测。溶液静置于室温条件下，等析出沉淀， 将沉淀洗涤至中性，过滤干燥后进行红外、X R D 和 电镜扫描，对沉淀结构和形貌进行分析。 2 结果与讨论 2 ．1 三水铝土矿在1 3 0 ℃与2 5 5H 下溶出液的红 外和紫外光谱比较 三水铝土矿在1 3 0 ℃与2 5 5 ℃下溶出液的红外 光谱图如图l a 所示，由图1 a 知，在1 3 0 ℃与2 5 5 ℃ 下铝酸钠溶液的红外光潜图有3 个明显的峰，分别 是35 0 0c m ～，16 5 0c m1 和7 2 0c m ～，其中在 35 0 0c m _ 1 附近的宽峰是0 一H 伸缩振动引起的 峰l “，l6 5 0c m1 为水中0 一H 的弯曲振动峰L 5 J ， 7 2 0c m1 为A 1 H 。一中的A l O 伸缩振动 峰L 6 引，1 3 0 ℃下的溶出液14 4 0c r t l1 处出现了一 个朱知单峰，该峰可能源于铝酸根离子中 一H 的 弯曲振动[ 5 ] ，在5 5 0c m 一1 附近也出现峰，是A l O A I 振动带r 9 叫，振动带弱说明A l 一0 一A I 键相 对较少，说明含有少量[ H O 。A 1 一O A l H 。] 2 ～等 缩聚离子。因此，在较低温度较低压力下溶出。铝酸 钠溶液中不仅存在A l O H 。一，还存在复合铝酸根 离子。三水铝土矿在1 3 0 ℃与2 5 5 ℃下溶出液的紫 外光潜图如图1 b 所示，由图1 b 知，在2 5 5 ℃下i 水 铝土矿溶出液的紫外光谱图是一大的宽峰，而在 1 3 0 ℃下的溶出液在3 3 0n m 处出现明显的尖峰，这 说明出现了复合铝酸根离子，这与之前的推测一致。 置 星 翌 三 W a v e l e n g t h ／n m 图1三水铝土矿在1 3 0H 与2 5 5H 下溶出液的红外和紫外吸收光谱 F i g ．1 I Ra n dU Vo fa l u m i n u ms o d i u ms o l u t i o no fb a u x i t ea t1 3 0 ℃a n d2 5 5 ℃ 2 ．2 纯氢氧化铝在1 3 0 ℃与2 5 5 ℃下溶出液的红 外和紫外吸收光谱比较 纯氢氧化铝在1 3 0 ℃与2 5 5 ℃下溶出液的红外 吸收光谱如图2 a 所示，由图2 a 知，在2 5 5 ℃下的溶 出液的红外光谱的峰比1 3 0 ℃下的峰要弱，1 3 0 ℃ 下的溶出液在5 5 0c m _ 1 附近出现峰，一般认为这与 复合铝酸根离子的形成有关。由此可推测在较低温 度较低压力下，存在复合铝酸根离子。纯氢氧化铝 在1 3 0 ℃与2 5 5 ℃下溶出液的紫外吸收光谱如图 2 b 所示，由图2 b 知。1 3 0 ℃和2 5 5 ℃溶出液中在约 2 2 0n m 处附近出现一吸收峰，根据紫外光谱记录， 可能为A l O H 。一离子【l 。而1 3 0 ℃溶出液中在 2 2 5 ～2 7 0n m 范围内还出现一较宽范围的峰。故该 溶液中可能存在A l o H 。一离子以及[ H O 。A 1 一O A l O H 。] 2 聚合离子‘1 2 , 1 a ] 。这说明较低温度较低 压强下，存在聚合铝酸根离子，这与之前红外光谱的 推测一致。 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年1 期 W a v e l e n 粤h ／r i m 图2纯氢氧化铝在1 3 0 ℃与2 5 5 ℃下溶出液的红外和紫外吸收光谱图 F i g ．2 I Ra n dU Vo fa l u m i n u ms o d i u ms o l u t i o no fa l u m i n i u m h y d r o x i d ea t1 3 0 ℃a n d2 5 5 ℃ 2 ．3 不同溶出条件下的溶出液静置析出沉淀的红 外光谱图和x R D 图。 不同溶出条件下的溶出液静置析出沉淀的红外 光谱图和X R D 图分别如图3 和图4 所示。由图可 知，溶出温度压强对溶出液的沉淀的红外光谱和 X R D 结构无明显的影响，通过不同温度压强溶出处 理，其溶出液的沉淀皆为三水铝石型氢氧化铝。 图3 溶出液沉淀的红外光谱图 F i g ．3 I Rs p e c t r ao fp r e c i p i t a t e 2 ．4 溶出温度压强对溶出液沉淀形貌的影响 图5 为三水铝石矿和纯氢氧化铝在1 3 0 ℃和 2 5 5 ℃下溶出液沉淀的电镜照片。由图5 可以看 出，通过不同温度压强溶出处理，其溶出液的沉淀有 所不同。1 3 0 ℃的溶出液沉淀比较紧密，2 5 5 ℃溶 出液沉淀比较疏松，说明高温高压溶出使得溶出液 析出沉淀的形貌发生变化。故可推测，由于高温高 压的条件提供了足够使溶液中含铝物质缩合的能 1 02 03 04 05 6 07 08 0 2 0 ／ 。 图4 溶出液沉淀的X R D 图 F i g ．4X R Dp a t t e r no fp r e c i p i t a t e 量，从而使得最终结晶形成的粒子粒度偏细，所以 2 5 5 ℃溶出液的沉淀可能粒度偏小，故而粒子间结 合力小于大粒子间的结合粒，所以沉淀较为疏松，也 有可能因此而导致粉状氧化铝的产生。 3结论 1 溶出温度压强对铝酸钠溶液的结构组成有 较大的影响，较高温度较高压强下，铝酸钠溶液的主 要阴离子是A l o H 。一，较低温度较低压强下，铝酸 钠溶液中不仅存在A 1 0 H 。一，还存在复合的铝酸 根离子； 2 溶出温度压强对溶出液沉淀的红外光谱和 X R D 结构无明显的影响； 3 溶出温度压强对溶出液沉淀的形貌有明显 影响，较低温度较低压强下，溶出液沉淀比较紧密， 置一2_篁口_ 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年1 期 较高温度较高压强下，溶出液沉淀疏松。 图5三水铝石和氢氧化铝在不同温度下溶出液沉淀的S E M 照片 F i g ．5 S E M p a t t e r no fp r e c i p i t a t eo fb a u x i t ea n dA l O H 3a td i f f e r e n t d i s s o l v i n gt e m p e r a t u r e s o l u t i o n s - Ar e v i e w 口] ．J o u r n a lo fM o l e c u l a rL i q u i d s ， 参考文献 [ 1 ] 陈念贻．氧化铝生产的物理化学[ M ] ．上海上海科技 出版社，1 9 6 2 1 2 3 0 ． [ 2 ] 杨莺愈．氧化铝生产1 艺学[ M ] ．北京冶金工业出版 社，1 9 9 3 2 0 一2 4 9 ． [ 3 ] 刘云清。陈启元，尹周澜，等．溶出条件对铝酸钠溶液结 构的影响研究[ J ] ．中国稀土学报，2 0 0 6 ，1 0 2 4 1 3 6 一 1 3 9 ． [ 4 ] 于海燕，毕诗文，翟秀静，等．含选矿捕收剂的铝酸钠溶 液红外光谱[ J ] ．化工学报，2 0 0 6 ，5 7 5 1 2 3 1 1 2 3 5 ． [ s ] 吕宝林．含羧基结晶助剂对过饱和铝酸钠溶液种分过 程的影响及机理研究[ D ] ．长沙中南大学化学化工学 院，2 0 0 9 4 2 4 6 ． [ 6 ] C h e nY u n 。F a n gY i m i n g ，L i uK u n ，e ta 1 ．S t u d yo nt h e s t r u c t u r eo fB a y e rl i q u o rw i t hs p e c t r o s c o p ya n dM Ds i m u l a t i o n [ J ] ．C h e m i c a lP h y s i c sL e t t e r s ，2 0 0 6 ，4 2 2 4 0 6 4 1 1 ． [ 7 ] P a lS i p o s ．T h es t r u c t u r eo fA I I I I i ns t r o n g l ya l u m i n a t e 2 0 0 9 ，1 4 6 l 一1 4 ． [ 8 ] 李睿华．蒋展鹏．阴离子对水的羟基伸缩振动拉曼光谱 的影响[ J ] ．物理化学学报，2 0 0 7 ，2 3 1 1 0 3 1 0 6 ． [ 9 ] M o o l e n a a rRJ ，E v a n sJC ，M c K e e v e rLD ．T h es t r u t - t u r eo ft h ea l u m i n a t ei o ni ns o l u t i o n sa th i g hp H [ J ] ．J p h y sC h e m ，1 9 7 0 ，7 4 3 6 2 9 - - 3 6 3 6 ． [ 1 0 ] W a l t l i n gHR ，S i p o sP LS p e c t r o s c o p yo fe o n c e n tr a t e ds o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o n [ J 3 ．A p p l i e dS p e c t r o s c o P y ，1 9 9 8 ，5 2 2 2 5 0 一2 5 8 ． [ 1 1 ] R a yLF ，K l o p r o g g eJT ．V i b r a t i o n a ls p e c t r o s c o p ya n d d e h y d r o x y i a t i o no fa l u m i n u m o x o h y d r o x i d e s G i b b s i t e l , J ] ．A p p l i e dS p e c t r o s c o p y 。1 9 9 9 ，5 3 4 4 2 3 4 2 8 ． [ 1 2 ] 王雅静，瞿玉春，田彦文．等．苛性比对铝酸钠溶液结 构和性质的影响l - J ] ．东北大学学报，2 0 0 3 ，2 4 2 8 7 7 4 7 7 6 ． [ 13 ] M aS h u h u a ，Z h e n gS h i l l ，X uH o n g b i n ，e ta 1 ．S p e c t r ao f s o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o n l , J ] ．T r a n sN o n f e r r o u sM e t S o eC h i n a ，2 0 0 7 ，1 7 8 5 3 8 5 7 ． 万方数据