高浓度铝酸钠溶液种分晶体长大速度研究.pdf

2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 高浓度铝酸钠溶液种分晶体长大速度研究 白万全，李晓萍，武国宝，王亚东，尹中林 中国铝业股份有限公司郑州研究院，河南郑州4 5 0 0 4 1 摘要用实验室间歇式结晶器进行了高浓度铝酸钠溶液晶体长大过程研究，使用电敏粒度计数仪测试出 单位重量的颗粒数，通过多次循环试验数据对比判断晶体的长大速度。试验溶液苛性碱浓度为1 5 5 和 1 7 5 9 ／L ，温度6 1 - - 5 16 C ，每次循环试验分解4 0 h 。循环试验的粒度变化发现铝酸钠溶液分解过程中，晶 体长大速率较慢；苛性碱浓度为1 7 5 9 ／L 的溶液，在分解长大过程中细颗粒 一2 0 V m 晶体长大速度较苛 性碱浓度为1 5 5 9 ／L 溶液的晶体长大速度慢；浓度对相对较粗颗粒 6 0 ”m 以上 晶体长大趋势的影响不 明显。 关键词铝酸钠溶液；晶体长大；电敏粒度计数仪 中图分类号T F 8 2 l文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 5 0 4 0 0 2 4 0 4 S t u d yo nC r y s t a lG r o w t hS p e e di nS o d i u mA l u m i n a t e S o l u t i o nw i t hH i 【g hC o n c e n t r a t e B A IW a n q u a n ，L IS h i a o p i n g ，W UG u o h e o ，W A N GY a d o n g ，Y I NZ h o n g l i n Z h e n g z h o uR e m a m hI n s t i t u t i o n ，C h a l c o ，H e n a n ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t C r y s t a lg r o w t hs p e e di ns o d i u ma l u n f i n a t es o l u t i o nw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o ni ss t u d i e du s i n ga1 a b o r a t o r y b a t c hc r y s t a l l i z e r ．T h en u m b e ro fg r a i np e rg r a mw a st e s t e db yE L Z O N Em i e r o m e r i t i c s ．C r y s t a lg r o w t hs p e e d w a se s t i m a t e da f t e rt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d ，I nt h e p r e s e n ts t u d y ，c r y s t a lg r o w t he x p e r i m e n t sw e r e p e r f o r m e da t6 1 ～5 1 ℃i n4 0 h 。a n dt h ec a u s t i cc o n c e n t r a t i o ni s1 5 5a n d1 7 5 9 ／Lr e s p e c t i v e l y ．T h er e s u l t ss h o W t h a tC r y s t a lg r o w t hs p e e dw a sv e r ys l o wu n d e rt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ．C r y s t a lg r o w t hs p e e do ff i n e p a r t i c l e 一2 0 ／1 mi nd i a m e t e r i na l u m i n a t es o l u t i o nw i t hc a u s t i cc o n c e n t r a t i o no f1 7 5 9 ／Lw a ss l o w e rt h a nt h a t i na t u m i n a t es o l u t i o nw i t hc a u s t i cc o n c e n t r a t i o no f1 5 5 9 ／L ．I tw a sn o te v i d e n tt h a tt h ec a u s t i cc o n c e n t r a t i o n i n f l u e n c e sg r o w t hs p e e do fc o a r s e rs e e d 6 0 t L mi nd i a m e t e r ． K e y w o r d s A I u m i n a t es o l u t i o n C r y s t a lg r o w t hs p e e d ；E L Z O N Em i c r o m e r i t i c s 铝酸钠溶液与氢氧化铝晶体之间的界面张力高 达1 ．2 5 N ／m ，使得氢氧化铝晶核在分解过程中难以 自发生成，因而通常从外部加入现成的晶种，促使氢 氧化铝结晶析出，氢氧化铝晶体析出的过程，也就是 铝酸钠溶液分解的过程。铝酸钠溶液的加晶种分解 过程不只是单一的晶种长大，同时还有几个复杂的 物理化学变化氢氧化铝晶体的长大；氢氧化铝晶 体的附聚；次生晶核的形成；氢氧化铝晶粒的破裂、 磨损。这几个现象往往同时发生，只是在不同的条 作者简介白万全 1 9 7 2 一 ．男．河南南阳 ．工程师，硕士研究生 件下，发生的程度不同，其中晶体的长大及附聚使 础 o H ，晶体变粗，而二次成核和晶粒破损使氢氧 化铝晶体变细。分解产物的粒度分布就是这些作用 的综合效果。对于以晶体长大为主的一段法分解工 艺，晶体的长大是维持系统及产品粒度变粗的主要 因素，因此对晶体长大过程的研究十分重要。 在铝酸钠溶液种分过程中，氢氧化铝晶体生长 是氢氧化铝直接从溶液中析出，因而是影响分解产 出率和产品粒度的关键。晶体生长使产品粒度增 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 大，但其速度很慢。根据文献[ 1 ] 介绍，细粒晶体的 成长是通过六角棱柱体的轴向和径向的扩大，并在 晶种 0 0 1 面上长出新的假六角片状结晶，属于表面 成核机理。在较粗大的晶体上，这种成长的正常取 向由于相互干涉而出现歪曲，最后长成不规则的球 状多晶体。 氢氧化铝晶体的长大是受表面反应控制而非扩 散控制[ 2 ] ，其根据是在饱和度很高时长大速度很低 每小时几微米 ；活化能较高；长大速度与搅拌无 关。一些学者根据对过饱和铝酸钠溶液种分过程宏 观动力学规律的研究，总结出不少的晶体长大速度 动力学方程以及晶体长大的表观活化能[ 2 0 J 。但 对一水硬铝石高浓度拜耳法精液种分晶体长大速度 的研究报道较少。 1 试验研究方法 1 ．1 试验方法 本试验采用单一的温度制度，主要考查在6 l ～ 5 1 “ 2 匀速降温，N K 为1 5 5 和1 7 5 9 ／L ，a K l ．5 0 ，种子 比为4 ．1 的高浓度铝酸钠溶液分解过程中，经过几 次循环试验，样品经处理后，用E l z o n e - 5 3 8 2 电敏粒 度计数仪测定系统出料氢氧化铝的单位重量颗粒 数。 1 ．2 试验原料、设备及检测方法 所用晶种系某拜耳法厂所提供的晶种，经热蒸 馏水洗涤，低温下干燥，筛分后，调配粒度分布。铝 酸钠溶液取自某厂拜耳法精液，溶液成分经调配后 苛性碱浓度分别为1 5 5 和1 7 5 9 ／L ，分子比a K 为 1 ．5 0 。 分解槽为自产A C D 一Ⅱ型智能控制分解槽。 容积4 L ，机械搅拌，搅拌器转速可调，微机控温 误 差0 ．2 ℃ 。 样品处理时将循环试验浆液用滤纸过滤，蒸馏 水洗涤，在6 0 ℃下红外干燥。在E l z o n e 5 3 8 2 电敏粒 度计数仪测定系统出粒氢氧化铝的单位重量颗粒 数。 2 试验结果及讨论 拜耳法工艺生产氧化铝增加产量的方法之一是 提高溶液的苛性碱浓度，以我国某拜耳法厂为例，产 量比设计产能高出近5 0 ％，一个主要原因就是其精 液苛性碱浓度已达到1 7 0 ～1 8 0 9 ／L 。纯溶液的平衡 溶解度曲线见图1 。图中计算以M i s r a [ 6 】给出的公 式为基础。 6 08 0 t O O1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0H 】I I2 2 02 4 0 N a O ／ g L - ’ 图1 苛性碱浓度对氧化铝溶解度的影响 F i g ．1 E f f e c to fc a u s t i cc o n c e n t r a t i o n o na l u m i n as o l u b i l i t y 图1 表明了氧化铝产出率随苛性碱浓度增加而 提高的潜力是巨大的，且产能增加后还可以大幅度 降低能耗。实践生产中该潜力是否可以完全实现， 将部分取决于苛性碱浓度对氢氧化铝颗粒长大速度 的影响。 试验对晶体长大过程进行了研究。对每次出料 取样，作颗粒计数分析，下次试验用上次出料作为种 子。共进行了2 个浓度4 次试验。主要目的是研究 两个不同浓度的溶液分解后所得氢氧化铝颗粒分布 变化规律，尤其关注细颗粒的晶体长大速度。 2 ．1 N K 1 5 5 9 九铝酸钠溶液晶体长大速度 图2 为一2 0 9 m 对应对数值1 ．3 的细颗粒数量 分布 横坐标为粒径取对数，以下相同 。从图2 可 以看出，一2 0 p m 对数值1 ．3 的细颗粒各粒级数量 在每次出料产品中均出现一尖峰，说明这种分解条 件几乎没有发生细颗粒附聚，尖峰随着试验进行不 断右移，显然是颗粒不断长大的结果。尖峰位置从 第一次试验的0 ．7 4 对应5 ．5 , u m 移动到第二次试 验的0 ．9 4 对应8 ．7 “m ，从第三次试验的1 ．0 2 对 应l O ．5 “m 移动到第四次试验的1 ．1 对应 1 2 ．6 “m 。平均每个循环长大约为2 ．4 p ．m ，在2 ．1 - - 3 ．2 p ．m 之间。 图3 为 2 0 9 m 颗粒在每次出料产品中各粒级 颗粒分布，图中在6 0 “m 1 ．7 5 ～1 ．8 左右出现了波 峰，表明这粒级阶段颗粒相对较多。图3 看出前两 次试验波峰从1 ．7 7 5 8 ．3 “m 向右移动至1 ．8 6 2 ．6 t i n l 的位置，长大趋势较为明显。而3 、4 次试 验产品较大颗粒氢氧化铝对应的波峰两边几乎完全 重叠，长大趋势不明显，波峰在1 ．8 左右 6 2 ／- m 。 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 041 1 ．60 81I2l4 l o g P S 图4N K 1 7 5 9 ／L 一2 0 I l m 颗粒分布 F i g ．4 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n so f 一2 0 1 ．‘ma tN K2 1 7 5 9 ／L 从图4 可以看出，当苛性碱浓度为1 7 5 9 ／L 时， 2 0 , u r n 对数值1 ．3 的细颗粒每次试验各粒级数 量与苛性碱浓度为1 5 5 9 ／L 时的相同，出现一尖峰， 没有明显发生细颗粒附聚，尖峰随着试验进行不断 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 2 7 向右移，细颗粒在不断长大。尖蜂位置从第一次试 验的0 ．7 1 5 ．1 t x m 移动到第二次试验的0 ．8 4 6 ．9 Ⅱm ，从第三次试验的0 ．9 5 8 ，8 t t m 移动到第 四次试验的1 ．0 3 1 0 ．6 v m ，该浓度下细颗粒每一 次长大试验长大约1 ．8 ～1 ．9 v t m ，低于1 7 0 9 ／L 时的 2 ，1 ～3 ．2 “m 的长大速度。 从图5 苛性碱浓度1 7 5 9 ／L 的 2 0 p m 各粒级 分布看出，在5 8 ～6 2 ．6 ／x m 对应坐标1 ．7 7 ～1 ．8 左 舔IN 1 E 0 5 3 结论 右出现了波峰，表明这一阶段的颗粒相对较多。前 两次试验波峰从1 ．7 7 5 8 ．3 “m 向右移动至1 ．8 6 2 ．6 M m 的位置，长大趋势较为明显。而3 、4 次试 验产品大颗粒氢氧化铝对应的波峰右边图形几乎完 全重叠，表明6 2 ”m 以上颗粒无明显长大趋势，波峰 在1 ．8 左右 6 2 t z n a ，与苛性碱浓度1 5 5 9 ／L 时较大 颗粒对应的波峰位置基本相同。 21 ．416I822 22 ．4 12l41 ．61822224 l o grPSlogPS 图5N K 1 7 5 9 ／L 2 0 I ‘m 颗粒分布 F i g ．5 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n so f 2 0 1 ma tN x21 7 5 9 ／L 根据不同循环试验的数据处理与比较，通过 E l z o n e 5 3 8 2 电敏颗粒计数仪测量单位重量颗粒个数 对晶体长大速度进行研究是可行的。 苛性碱浓度为1 5 5 9 ／L 和1 7 5 9 ／L 的溶液在分 解长大过程中，细颗粒 一2 0 “m 晶体长大速度随着 氧化铝浓度升高变得缓慢，每次循环试验长大速度 由苛性碱浓度为1 5 5 9 ／L 的2 ．1 ～3 ．2 p m 变到苛性 碱浓度为1 7 5 9 ／L 的1 ．8 ～1 ．9 p m ；浓度对相对较粗 颗粒 6 0 u m 以上 晶体长大趋势的影响不明显。 参考文献 [ 1 ] 赵继华，胨启元．强化过饱和铝酸钠溶液种分过程的研 究进展[ J ] 轻金属，2 0 0 0 4 2 9 3 1 ． [ 2 ] W h i t eET ，B a t e m a nSHE f f e c to fC a u s t i cC o n c e n t r a t i o n O nt h eG r o w t hR a t eo fA i O H 3P a r t i c l e s 【J j L i g h t M e t a l s ，1 9 8 8 1 5 7 1 6 2 [ 3 ] A u d e tDR ，L a r o c q u eJE ．D e v e l o p m e n to faM o d df o r P r e d i c t i o no fP r o d u c t i v i t yo fA I u n l l n aH y d r a t eP r e c i p i t a t i o n [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 8 9 2 1 2 6 ． [ 4 ] C a l a l oR ，T r a mT ．E f f e c t so fS o d i u mO x a | a t e0 1 1t h eP r e c i p i t e t i o no fA I u m i n aT r i h y d r a t ef r o mS y n t h e t i cS o d i u m A l u m i n a t eL i q u o r s [ J ] L i g h tM e t a l s ，1 9 9 3 1 2 5 1 3 0 [ 5 ] 李小斌，杨重愚，龙远志．等．铝酸钠溶液晶种分解过程 动力学初步研究 J 】轻金属，1 9 8 8 I I 1 0 1 5 ． [ 6 ] M i s r aC ．S o l u b i l i t yo fA l u m i n aT r i h y d m x i d e } I y d r a r g i l l i t e i nS o d i u mH y d r o x i d eS o l u t i o n s [ J ] ．C h e m i s t r y a n dI n d u s t r y ，1 9 7 0 2 0 6 1 9 ． 万方数据