苛性碱浓度及苛性比对铝酸钠溶液种分附聚的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年6 期 1 3 苛性碱浓度及苛性比对铝酸钠溶液种分附聚的影响 白万全，尹中林，杨巧芳 中国铝业郑州研究院，河南郑州4 5 0 0 4 1 摘要在较大苛性碱浓度范围内进行了铝酸钠溶液种分附聚研究，结果表明在一定苛性比条件下，细粒 子附聚存在最佳苛性碱浓度范围，低于或高于该范围，附聚均将会减弱；运用S a k a m o t o 公式计算，N K 大 于1 5 5g ／L 时，只有溶液0 t K ≤1 ．5 时，才有可能发生有效附聚。 关键词铝酸钠溶液；附聚；苛性碱浓度；苛性比 中圈分类号．T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 6 0 0 1 3 0 3 I n f l u e n c eo fC a u s t i cS o d i u mC o n c e n t r a t i o na n dM o l a rR a t i oo nA g g l o m e r a t i o n i nt h eS e e dP r e c i p i t a t i o nf r o mA l u m i n a t eS o l u t i o n B A IW a n q u a n ，Y I NZ h o n g - l i n ，Y A N GQ i a o f a n g Z h e n g z h o uR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h a l m ，Z h e n g z h o u ，H e n a n4 5 0 0 4 1 。C h i n a A b s t r a c t T h ef i n ep a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o nw a si n v e s t i g a t e di nt h ea l u m i n a t es o l u t i o nw i t hw i d er a n g eo fc a u s t i c s o d i u mc o n c e n t r a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ee x i s t so p t i m u mc a u s t i cs o d i u mr a n g e ，a n da g g l o m e r a t i o nw i l l b ew e a kw h e nt h ec a u s t i cs o d i u mc o n c e n t r a t i o ng o e sb e y o n dt h er a n g e ．W h e nN Ki sb i g g e rt h a n1 5 5g ／L ，t h e a g g l o m e r a t i o nd o e sn o th a p p e ne f f i c i e n t l yu n l e s sa Ki sl o w e rt h a n1 ．5c a l c u l a t e db yS a k a m o t of o r m u l a ． K e y w o r d s A l u m i n a t es o l u t i o n ；A g g l o m e r a t i o n ；C a u s t i cs o d i u mc o n c e n t r a t i o n ；M o l a rr a t i o 铝酸钠溶液晶种分解是氧化铝生产过程的关键 工序之一，它直接影响着产品质量和铝酸钠溶液的 循环效率。而铝酸钠溶液的晶种分解迥异于其它无 机盐的分解，是由晶体附聚、二次成核、晶体长大及 磨蚀等复杂的物理化学过程同时存在【1J 。上述种 分解机理中，晶体附聚和晶体长大使产品颗粒增大， 成核和磨蚀将会使颗粒减小，因此要想获得粗颗粒 的产品氢氧化铝必须创造条件有利于附聚和长大发 生。按照佐腾先生心J 的观点，镶嵌结构或假径佝结 构的颗粒经焙烧后，产品氧化铝磨损指数低、强度 高。镶嵌结构颗粒是在二次成核和凝聚、附聚机理 作用下细颗粒镶嵌而成，该类颗粒进一步在长大作 用下形成了内部为附聚体，外部成长为年轮状的假 径向结构颗粒。可以看出，在铝酸钠溶液分解过程 中促使细晶体的有效附聚是得到高品质砂状氧化铝 基金项目国家重大基础研究发展计划项目 9 7 3 2 0 0 5 C B 6 2 3 7 0 2 作者简介白万全 1 9 7 2 一 ，河南省南阳市人，高级工程师 的前提。 溶液过饱和度是决定附聚能否有效进行的先决 条件，而溶液苛性比a K 和苛性碱浓度是决定溶液过 饱和度的关键因素。因此要研究附聚过程，有必要 首先了解溶液的苛性碱浓度和a K 对附聚过程的影 响规律。不少学者[ 3 叫】曾对高浓度铝酸钠溶液进 行过附聚研究，得到了一些结论。但在较大苛性碱 浓度范围及其与咏的匹配对附聚影响研究较少。 1试验部分 苛性碱浓度对附聚影响试验溶液为化学试剂 合成纯铝酸钠溶液，溶液d K l ．3 2 ，苛性碱浓度在较 大范围内调配选择了6 0 、8 2 、1 0 4 、1 2 4 、1 4 6 、1 6 8 和 1 9 0g ／L 的7 个不同浓度。附聚温度7 6 ℃恒温，附 万方数据 1 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年6 期 聚时间3h 。为了使添加晶种具有可比性，试验种子 比均为0 ．3 。 苛性比a K 对附聚影响试验试验分别进行了 a K 1 ．6 2 ，N K 1 6 2 和C t ．K 1 ．5 0 ，N K 1 5 7 两种拜 耳法精液的附聚试验。温度条件为7 6 ～7 4 ℃，附聚 时间为8h ，所用晶种中一4 51 a m 含量为4 0 ．4 2 ％， 固含6 0g ／L 。 2 结果与讨论 2 ．1 苛性碱浓度对附聚的影响 2 ．1 ．1 苛性碱浓度对附聚分解率的影响 不同苛性碱浓度的溶液附聚3h 其分解率变化 绘于图1 。 譬 姆 蒌 苛性碱浓度N d g - L - 1 图1苛性碱浓度对分解率和a K 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 no n p r e c i p i t a t i o nr a t i oa n du Kp r e c i p i t a t e d 由图1 可知，随着N K 浓度增加，溶液分解率明 显下降，附聚末口K 也不断下降，说明分解速度随着 N K 浓度增加具有显著降低趋势。这是因为苛性碱 浓度增加，在相同分子比、相同分解时间条件下，溶 液的过饱和度降低，从而造成溶液反应速度和深度 的下降。 2 ．1 。2 苛性碱浓度对附聚产物粒度的影响 在苛性碱浓度对附聚影响试验条件下，考察了 不同苛性碱浓度对附聚产物粒度的影响，结果列于 表1 。晶种采用拜耳法二段种分细晶种。 由表1 可知，当苛性碱浓度低于／0 0g ／L 时，附 聚物中5 ～1 0 肛m 、1 0 ～1 5 “m 及1 5 ～2 0 肛m 粒子百 分含量与晶种相比没有明显减少，在6 0g ／L 时甚至 出现明显的增加，表明在该浓度条件下，分解3h 细 粒子附聚不占优势，有明显二次成核出现，成核粒子 得不到及时凝聚、附聚。这可能是溶液浓度低时分 解速度过快、分解率高所造成的。而当苛性碱浓度 在1 0 0 ～1 3 0g ／L 时，小于2 01 a m 的各级粒子百分含 量显著减少，小于1 5 肚m 的粒子减少更明显，说明 细粒子附聚先由更细粒子开始，逐渐附聚成为粗一 级粒子，同时浓度为1 0 4g ／L 时晶种中2 0 ～3 0p - m 粒子也明显减少，说明这一浓度条件也适合于2 0 ～ 3 0 , a m 粒子的附聚，并且该浓度下产物中位径也最 大。此外，当苛性碱浓度达到1 4 0g ／L 以上时，附聚 优势逐渐减弱，并且随着浓度的进一步升高，二次成 核占主导优势，表现为3 0 , a m 以下的细粒子百分含 量显著增加。 表1不同苛性碱浓度下附聚产物粒度分布 T a b l e1 D i s t r i b u t i o no fa g g l o m e r a t i o np a r t i c l e s s i z ea td i f f e r e n tc a u s t i cs o d i u mc o n c e n t r a t i o n／％ 粒度组成以m5 ～1 01 0 - - 1 5 1 5 ～2 0 2 0 ～3 0 3 0 ～4 5 4 5D 5 0 上述现象可以用附聚临界直径来解释。ML S t e e m s o n [ 5 ] 等指出，只有小于临界尺寸D c 的颗粒 中，一部分会形成附聚体，附聚过程条件不同，发生 附聚的粒子粒度也会发生变化，而且附聚体的直径 在D c 附近的狭小范围内，即附聚临界直径为 D 。 G 2 ／3 1 2 ．1 ～3 ．5 1 0 9 e 1 ．5 l o g M T ] 其中D ，一临界尺寸，, a m ；M T 一悬浮液中的固 含，g ／L ；G 一晶体生长速度，G K C C 。。 2 ，灶m ／h ； e 一单位体积悬浮液所消耗的功率，k W ／m 3 。 在其它条件相同时，N K 浓度越高，溶液中氧化 铝过饱和度降低，长大速度G 随之下降而使D c 减 小，因而使参加附聚的颗粒数减小而造成附聚减弱， 产物粒度变细。 综上所述，细粒子附聚存在着最佳苛性碱浓度 范围，N K 低于该浓度时，由于相对过饱和度太大，导 7 致明显二次成核出现，抵消了附聚作用效果；当N K 高于该浓度时，溶液过饱和度过低，造成附聚颗粒临 界直径D c 减小，附聚减弱。 2 ．2 分子比对附聚效果的影响 在研究分子比对附聚的影响采用附聚效率量度 细粒子凝聚、附聚的程度。不同研究者对附聚效率 的计算方法并不相同，本文采用简易直接的公式 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年6 期 1 5 E 产品中一4 5t t m 的量一晶种中～4 5 “m 的 量 ／ 晶种中一4 5b t m 的量 不同a K 条件下一4 5t t m 粒子附聚效率及原液 起始氧化铝过饱和度结果见表2 氧化铝平衡浓度 以M i s r a 公式为基础 。 表2 中数据表明，当溶液a K 1 ．6 2 时，一4 5 ／z m 的附聚效率已经很低，附聚几乎无明显优势。其原 因也可以用附聚颗粒临界直径理论来解释，在其它 条件相同时，溶液ⅡK 升高，溶液过饱和度低，溶液析 出氢氧化铝的速度G 减小，使n 变小，从而减弱了 附聚。 表2a K 对一4 5 肛m 附聚效率的影响 T a b l e2E f f e c to f 仅Ko n 一4 5I L ma g g l o m e r a t i o n e f f i c i e n c y 为从理论上说明N K 和a K 对附聚的影响，我们 引用S a k a m o t o [ 6 ] 公式计算附聚推动力P T 、AK ∥ G D G 。。 r 一百一面i 习r 面 1 B G o G t 1 一a r 、一r 、 其中a 暑三导。 ⅦL ∞ 式中K 一分解速率常数；G 0 一最初固含，g ／L ； G ，一t 时刻的氧化铝析出量，g ／L ；G 。。一平衡时析出 氧化铝量，g ／L ；C 一氧化铝浓度，g ／L ；C 。一氧化铝 平衡浓度，g ／L ；c o 一初始氧化铝浓度，g ／L 。 S a k a m o t o 认为，当P ≥0 ．1 3 时，便可发生有效 附聚，即细小颗粒晶粒附聚形成具有足够机械强度 的较大颗粒。当P ≤0 ．1 3 时，由于缺乏足够的粘结 剂，附聚物机械强度差，这种附聚无效。 运用S a k a m o t o 公式，我们计算不同N K 和a K 的附聚推动力 温度为7 6 ℃ ，由于起始时C t 1 ，计 算结果见图3 。图3 可以看出，当n K 大于1 ．6 时， N K 超过1 4 0g ／L 则附聚推动力已小于0 ．1 3 ；当N K 大于1 5 5g ／L 时，只有溶液a K ≤1 ．5 ，其附聚推动力 才有可能≥0 ．1 3 ，即会发生有效附聚。表2 结果与 计算结果基本相一致，表明S a k a m o t o 公式对附聚效 果有一定的指导性。 0 ．4 S f l - 4 0 f 1 ．3 5 f J ．3 0 1 ．2 5 a n ．2 f ’ ‘ll S { } ．】f l 0 ．0 5 0 ．0 0 1 4 5 1 5 0 N J g L - 1 1 图3N K 和嘎K 与P 的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nN Ka n d 伍Kw i t hP 3结论 1 不同苛性碱浓度对附聚分解率影响显著； 2 在一定苛性比条件下，铝酸钠溶液晶种分解 过程中，细粒子附聚存在最佳苛性碱浓度范围，低于 或高于该范围，附聚均将会减弱； 3 运用S a k a m o t o 公式计算，N K 大于1 5 5g ／L 时，只有溶液a K ≤1 ．5 时，才有可能发生有效附聚。 与试验结果基本一致。 参考文献 [ 1 ] 杨重愚．氧化铝生产工艺学[ M ] ．长沙中南工业大学出 版社，1 9 9 2 ． [ 2 ] 佐腾．拜耳法种分与砂状氧化铝[ R ] ．郑州中国铝业郑 州研究院，2 0 0 2 ． [ 3 ] 张之信．高浓度拜耳法精液制取砂状氧化铝研究[ J ] ．轻 金属，1 9 8 8 2 1 4 1 8 ． [ 4 ] 张樵青．对拜耳法高浓度铝酸钠溶液两段分解细晶种附 聚的研究[ J ] ．轻金属，1 9 9 4 4 5 9 ． [ 5 ] S t e e m s o nML ，W h i t eET ，M r a s h a l lRJ ．M a t h e m a t i c a l M o d e lo fP r e c i p i t a t i o nS e c t i o no faB a y e rP l a n t [ J ] ．L i g h t M e t a l s ，1 9 8 4 x x 2 3 7 2 5 3 ． [ 6 ] S a k a m o t oK ，K a n e h a r aM ，M a t s u s h i t aK ．A g g l o m e r a t i o n o fC r y s t a l l i n eP a r t i c l e so fG i b b s i t ed u r i n gt h eP r e c i p i t a t i o n i ns o d i u mA l u m i n a t eS e l u t i o n [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 7 6 2 1 4 9 1 6 2 ． 万方数据