资源描述：
分类号 U DC 密级 编号 十I 初大警 C E N T RA I ，S O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目．⋯磊机爨聚剂对餐硅矿物选择性⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯凝聚龛壹垫奎研窕⋯⋯⋯⋯⋯ 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯矿物妲王王猩⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯蛆坐民⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯王氯生⋯一耋攮⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号V D C 硕士学位论文 密级一 无机凝聚剂对铝硅矿物选择性凝聚 分离技术研究 A S t u d y o nS e l e c t i v eC o a g u l a t i o nS e p a r a t i o no f D i a s p o r i c - - B a u x i t eb yI n o r g a n i cC o a g u l a t i n gA g e n t 作者姓名胡业民 学科专业矿物加工工程 学院 系、所 资源加工与生物工程学院 指导教师王毓华教授 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名盔 垒包 日期丛 三年羔月望日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名生垒鱼巨L 导师签名 摘要 我国主要采用拜耳法生产氧化铝。然而，由于我国铝土矿资源现 状，大多需要进行选矿处理达到一定铝硅比才能满足拜耳法对原料的 要求。本文在总结和参考国内外相关文献的基础上，选用多种无机凝 聚剂对一水硬铝石和高岭石选择性凝聚分离进行了试验研究。 首先考察了一水硬铝石和高岭石纯矿物在不同p H 条件下的自然 沉降行为。由于选择性凝聚过程需要使物料在良好的分散条件下进 行，还考察了两种纯矿物在铝土矿选矿工艺中常用的分散剂碳酸钠、 六偏磷酸钠和氟硅酸钠作用下的分散行为。确定了碳酸钠的最佳用量 为1 2 m g ／L ，六偏磷酸钠的最佳用量为2 ．5 m g ／L 。 进而在碳酸钠和六偏磷酸钠的分散条件下，考察了硫酸铝、氯化 铁、聚合硫酸铝、聚合氯化铁和聚合硫酸铁对两种纯矿物的凝聚效果。 聚合硫酸铝、聚合氯化铁和聚合硫酸铁均能在一定程度上实现选择性 凝聚，在碳酸钠分散体系，3 种凝聚剂在4 0 m g ／L 、4 0 m g ／L 和2 0 m g ／L 用量下能使两种纯矿物的沉降产率差达到3 9 ％、4 4 ％和6 3 ％；而在六偏 磷酸钠体系，3 种凝聚剂用量均为l O O m g ／L 时，两种纯矿物的沉降产 率差值分别为3 8 ％、4 0 ％和5 8 ％。 最终选用聚合硫酸铁分别在碳酸钠和六偏磷酸钠分散条件下对 A ／S 为3 、5 、7 的3 种人工混合矿进行了选择性凝聚分离。在碳酸钠 2 0 m g ／L 、聚合硫酸铁2 0 m g ／L 的条件下，3 种混合矿A ／S 分别提升至 4 ．4 6 、7 ．2 0 和9 ．4 0 ，产率分别为5 0 ．2 5 ％、6 8 ．3 5 ％禾H7 4 ．3 9 ％。在六偏 磷酸钠4 m g ／L 、聚合硫酸铁l O O m g ／L 的条件下，3 种混合矿A ／S 分别 提升为4 ．2 9 、6 ．6 7 和8 ．7 9 ，产率分别为4 7 ．0 0 ％、6 1 ．4 4 ％和6 4 ．6 9 ％。 根据混合矿实验结果，在碳酸钠3 0 0 0 9 ／t 、聚合硫酸铁3 0 9 ／t 用 量下，对A ／S 为4 ．3 9 的实际矿石，经3 次沉降分离，得到了精矿A ／S 为6 ．4 3 ，A 1 。0 。回收率为8 7 ．2 8 ％的指标。 由上述实验得知，聚合硫酸铁能在一定程度上实现一水硬铝石和 高岭石的选择性凝聚分离。对矿物结构、己电位和矿物与药剂作用力 的研究也证实了这一结论。 关键词一水硬铝石，高岭石，选择性凝聚，聚合硫酸铁 本研究得到国家重点基础研究发展规划 9 7 3 计划 项目“低铝硅比铝土矿浮选分离与 高效利用基础研究” 编号2 0 0 5 C B 6 2 3 7 0 1 资助。 A B S T R A C T A l u m i n ai s m a i n l yp r o d u c e db yB a y e rp r o c e s s i nC h i n a ．T h i s p r o c e s s ，h o w e v e r , r e q u i r e sah i g hr a t i oo fa l u m i n i u mt os i l i c a t eo fb a u x i t e ， w h i c hi sm o s t l ya c h i e v e db ym i n e r a lb e n e f i c i a t i o n ，d u et ot h ep o o r b a u x i t eq u a l i t yi nC h i n a ．T e s t so nt h es e l e c t i v ec o a g u l a t i o ns e p a r a t i o no f d i a s p o r ea n dk a o l i n i t eh a v eb e e nc a r r i e do u tb ya d o p t i n gd i v e r s i f e d i n o r g a n i cc o a g u l a n t s i n t h i s p a p e r , b a s e do nt h e s u m m a r i z i n ga n d c o n s u l t i n gr e l a t i v el i t e r a t u r e sa th o m ea n da b r o a d ． N a t u r a ls e d i m e n t a t i o nb e h a v i o u r so fp u r em i n e r a l so fd i a s p o r ea n d k a o l i n i t ea tv a r i o u sp Hc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d ．D e c o n c e n t r a t i o n b e h a v i o u r so ft h e s em i n e r a l sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e db yu s i n gs o d i u m c a r b o n a t e ，s o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t ea n ds o d i u mf l u o s i l i c a t e ，w h i c ha re t h ec o m m o nd i s p e r s a n t si nt h eb e n e f i c i a t i o nt e c h n o l o g yo fb a u x i t e ．S t u d y o nt h el a t t e rb e h a v i o u r si si m p e r a t i v e ，b e c a u s et h ep r o c e s so fs e l e c t i v e c o a g u l a t i n gC a no n l yb ec o n d u c t e do nag o o dd i s p e r s i n gc o n d i t i o no f m i n e r a l s ．T e s t ss h o wt h a tt h eo p t i m u md o s a g eo fs o d i u mc a r b o n a t ei s 12 m g ／L ，a n di t ’S2 ．5 m g ／Lf o rs o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t e ． E f f e c t so fa g g l o m e r a t i o no ft h e s em i n e r a l sb yu s i n ga l u m i n u m s u l f a t e ，f e r r i cc h l o r i d e ，p o l y m e r i ca l u m i n u ms u l f a t e ，p o l y m e r i c f e r r i c c h l o r i d ea n dp o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t ew e r ei n v e s t i g a t e dn e x t ，o nt h e d i s p e r s i n g c o n d i t i o n sc r e a t e d b y s o d i u mc a r b o n a t ea n ds o d i u m h e x a m e t a p h o s p h a t e ．T e s t sr e s u l ti n d i c a t e st h a ts e l e c t i v ec o a g u l a t i o nC a n b ea c h i e v e dt os o m ee x t e n t ，u s i n gp o l y m e r i ca l u m i n u ms u l f a t e ，p o l y m e r i c f e r r i cc h l o r i d ea n dp o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e ．I nt h ed i s p e r s i n gs y s t e mo f s o d i u mc a r b o n a t e ，t h ed i f f e r e n c e so fs e d i m e n t a t i o np r o d u c t i v i t yb e t w e e n d i a s p o r ea n dk a o l i n i t ew e r e3 9 ％，4 4 ％a n d6 3 ％，a st h ed o s a g e so ft h r e e a b o v e m e n t i o n e d c o a g u l a n t s w e r e 4 0 m g ／L ，4 0 m g ／L a n d 2 0 m g ／L r e s p e c t i v e l y ．W h i l ei nt h es y s t e mo fs o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t e ，t h e d i f f e r e n c e so fs e d i m e n t a t i o np r o d u c t i v i t yw e r e38 ％，4 0 ％a n d58 ％，w h e n t h ed o s a g e so ft h ec o a g u l a n t sw e r ea l llO O m g ／L ． T e s t so fs e l e c t i v ec o a g u l a t i o ns e p a r a t i o no na r t i f i c i a lm i x e dm i n e r a l s w i t hr e s p e c t i v eA ／So f3 ，5 ，7h a v eb e e nc a r r i e do u tb ya d o p t i n g p o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e ．O nt h ec o n d i t i o no f2 0 m g ／L o fs o d i u mc a r b o n a t e a n d2 0 m g Lo fp o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e ．～So ft h ea r t i f i c i a lm i x e d m i n e r a l sC a ni n c r e a s et o4 ．4 6 ．7 ．2 0a n d9 ．4 0 ；a n dt h ec o n c e n t r a t e p r o d u c t i v i t i e sw e r e5 0 ．2 5 ％．6 8 ．3 5 ％a n d7 4 ．3 9 ％r e s p e c t i v e l y ．O nt h e c o n d i t i o no f4 m e e t , o fs o d i u mh e x a m e t a p h o s p h a t ea n d10 0 m g ／Lo f p o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e ，A ／Sw e r ei n c r e a s e dt o4 ．2 9 ，6 ．6 7a n d8 ．7 9 ；a n d p r o d u c t i v i t i e sw e r e4 7 ．O O ％．6 1 ．4 4 ％a n d6 4 ．6 9 ％r e s p e c t i v e l y ． A c c o r d i n g t ot h eo p t i m a lr e a g e n ts y s t e mo fa r t i f i c i a lm i x e dm i n e r a l s t e s t s ，30 0 0 9 ／to fs o d i u mc a r b o n a t ea n d3O 酚o fp o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e w e r ee m p l o y e df o rr a wd i a s p o r ew i t ha ～So f4 ．3 9 ．C o n c e n t r a t ew i t ha ～So f6 ．4 3a n dA 1 2 0 3r e c o v e r yo f8 7 ．2 8 ％h a v eb e e na c h i e v e d ，a f t e r s e d i m e n t a t i o na n ds e p a r a t i o nf o rt h r e et i m e s ． I tc a nb ec o n c l u d e dt h a ts e l e c t i v ec o a g u l a t i o ns e p a r a t i o nb e t w e e n d i a s p o r ea n dk a o l i n i t ec a nb ea c h i e v e di ns o m ee x t e n tb yu s i n gp o l y m e r i c f e r r i cs u l f a t e ． S t u d y o nt h em i n e r a l ss t r u c t u r e ．Z e t ap o t e n t i a l d e t e r m i n a t i o n sa n dt h ef u n c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nm i n e r a l sa n d r e a g e n t sv e r i t i e st h i sc o n c l u s i o na sw e l l ． K E YW O R D S d i a s p o r e ，k a o l i n i t e ，s e l e c t i v ec o a g u l a t i o n ，p o l y m e r i c f e r r i cs u l f a t e I l l 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 我国氧化铝工业的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 铝土矿资源特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 氧化铝生产工艺及比较⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．1 ．3 氧化铝的产能与需求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．1 ．4 氧化铝工业的挑战与思考⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 中低品位铝土矿脱硅进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．2 ．1 生物选矿脱硅⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．2 化学选矿脱硅⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．3 物理选矿脱硅⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 选择性絮凝分选工艺技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．1 选择性絮凝分选原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．3 ．2 絮凝剂的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．3 ．3 絮凝剂作用原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 1 ．3 ．4 选择性絮凝工艺的应用情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 1 ．3 ．5 铝土矿选择性絮凝脱硅⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l5 1 ．4 有机物对氧化铝生产的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 1 ．4 ．1 有机物的来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 1 ．4 ．2 有机物的危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 1 ．4 ．3 有机物的控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 1 ．5 论文的研究意义和内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 第二章矿样、药剂、仪器和试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．1 矿样准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 2 ．1 ．1 矿样采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．1 ．2 矿样制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．1 ．3 矿样性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 2 ．1 ．4 实际矿石样品⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 2 ．2 试验药剂与仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．2 ．1 试验药剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 I V 2 ．2 ．2 试验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．3 试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 2 ．3 ．1 单矿物沉降试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．3 ．2 人工混合矿试验和实际矿石试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 ．3 粒度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．3 ．4X 衍射分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 2 ．3 ．5 电位测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 第三章分散剂对单矿物分散行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1p H 对单矿物分散行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 碳酸钠对单矿物分散行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 六偏磷酸钠对单矿物分散行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 氟硅酸钠对单矿物分散行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 第四章无机凝聚剂对单矿物凝聚行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 硫酸铝对单矿物凝聚行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 氯化铁对单矿物凝聚行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．3 聚合硫酸铝对单矿物凝聚行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．4 聚合氯化铝对单矿物凝聚行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．5 聚合硫酸铁对单矿物凝聚行为的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．6d 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 第五章人工混合矿及实际矿石分离试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1 人工混合矿凝聚分离试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1 ．1 混矿方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．1 ．2 沉降试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 实际矿石凝聚分离试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 第六章药剂与矿物表面作用机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 ．1 单矿物的晶体结构与表面性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 ．2p H 对单矿物分散机理的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 6 ．2 ．1p H 对单矿物表面c 电位的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 6 ．2 ．2 不同p H 对单矿物颗粒间的相互作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 6 ．3 聚合硫酸铁与单矿物表面作用机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．3 ．1 聚合硫酸铁对单矿物表面 电位的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 6 ．3 ．2 聚合硫酸铁对同质矿物相互作用能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 V 6 ．3 ．3 聚合硫酸铁对单矿物凝聚机理探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 6 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 第七章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 铝是当今最常用的金属之一，铝元素大约占地壳总质量的8 ．8 ％。由于铝的 资源丰富，加上铝及其合金具有相对密度小、导热性好、易于机械加工等许多 优良的性能，不仅在建筑、交通运输、电力、包装等国民经济领域得到了广泛 的应用，而且也是国防军工和高新技术产业的重要支撑材料。同时，由于铝具 有良好的再生利用性能，所以在发展循环经济、推进节能减排、保护生态环境 等进程中发挥着重要作用。经过1 2 0 多年的发展，目前世界铝消费量已经达到 5 0 0 0 万t 左右 包括再生利用量 ，预计未来全球铝的需求量还将持续增长， 其生产应用水平已成为一个国家现代化程度的重要标志。 中国经济的稳步增长带动了铝消费的持续增长，铝材产量在近2 年连续出 现超过2 0 ％的增长。2 0 1 1 年我国电解铝总产量1 8 0 6 ．1 7 万t ，同比增长1 1 ．5 3 ％； 铝材总产量2 3 4 5 ．5 8 万t ，同比增长2 0 ．5 8 ％，其中再生铝4 4 0 万t ，同比增长 1 0 ％。在可预计的将来，我国铝工业仍将以一定的速度增长。我国铝工业经过了 半个世纪的发展，尤其是近年来，发展速度异常迅猛。现今，我国已成为世界第 一原铝生产国，在世界铝工业中具有举足轻重的地位。但是，我国铝土矿资源 主要以铝硅比 h ／S 为5 ～8 的中低品位的一水硬铝石型铝土矿为主，高铝高 硅，低铝硅比，矿物组成复杂。多年来的基础和应用技术研究成果表明，处理 这种铝土矿资源首先要解决的问题就是如何通过选矿等物理脱硅方法使铝土矿 的铝硅比提高，而后采用流程相对简单和经济的拜耳法氧化铝生产工艺。因此， 采用选矿技术提高铝土矿铝硅比，为生产氧化铝提供优质原料，是充分利用我 国铝土矿资源，实现氧化铝工业乃至整个铝工业可持续发展的关键。 1 ．1 我国氧化铝工业的发展现状 1 ．1 ．1 铝土矿资源特点 铝土矿是一种主要由氧化铝水合物组成的矿石，铝土矿中常见的氧化铝水合 物有三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石3 种矿物。依据上述矿物的含量可将铝 土矿分为三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型和各种混合型，我国的铝土 矿资源以一水硬铝石型为主。由于铝土矿其成分和生成地质条件的变化，常具有 不同的颜色和结构形状，因此也可将铝土矿分为粗糙状 土状 铝土矿、致密状 铝土矿和豆鲕状铝土矿3 种。 铝土矿的质量主要取决于其中氧化铝存在的矿物形态和有害杂质的含量，不 硕士学位论文 第一章文献综述 同类型的铝土矿其拜耳法溶出性能差别很大。在工业生产中，常用铝硅比、氧化 铝含量和矿物类型等3 个指标来衡量铝土矿的质量。 世界铝土矿资源总量丰富，根据美国地质调查局统计的结果，2 0 0 5 年全世界 铝土矿储量约为2 5 0 亿t ，基础储量约为3 2 0 亿t ，资源量约为5 5 0 ～7 5 0 亿t 。基础 储量的静态保障年限约为1 9 0 年。世界各国铝土矿类型和典型的化学成分范围见 表卜1 n 1 。 表1 ．1 世界各国铝土矿类型和典型的化学成分范围 根据我国国土资源部公布的资料，截至2 0 0 6 年底，全国保有资源储量的矿 区共有3 6 8 处，主要分布在山西、河南、广西、贵州、云南、重庆、山东等7 个省、区、市 见表卜2 ，保有资源储量约2 7 ．7 6 亿t ，其中基础储量7 ．4 2 亿t ，占2 6 ．7 ％；资源量2 0 ．3 5 亿t ，占7 3 ．3 ％。在基础储量中，储量达5 ．4 2 亿 t ，占资源量的1 9 ．5 ％。我国铝土矿的基础储量和储量在世界上分别占第7 位和 第9 位I l 】。 2 硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 22 0 0 6 年全国铝土矿资源储量 万t 截止2 0 0 5 年底，我国铝土矿探明可采资源储量约占世界储量的2 ．3 ％，而开采 量却已达到世界铝土矿开采总量的8 ％，我国对铝土矿资源的开采水平远高于储量 保有水平Ⅲ。 如前所述，我国的铝土矿资源的分布高度集中，且以大、中型矿床为主。其 中，山西、河南、贵州、广西等4 省约占全国总储量的9 0 ．9 0 5 其中山西占4 1 ．6 ％、 贵州占1 7 ．1 ％、河南占1 6 ．7 ％、广西占1 5 ．5 ％ ，其余1 5 个探明有铝土矿资源的省、 自治区、直辖市的储量合计仅占全国总储量的9 ．1 ％担儿3 J 。储量在2 0 0 0 万t 以上的大 型矿床有3 1 个，这3 1 个矿床的储量总和约占全国总储量的4 9 0 5 ；储量在5 0 0 - - 一2 0 0 0 万t 的中型矿床共有8 3 个，储量总和占全国总储量的3 7 0 5 ，大、中型矿床储量相加 占全国总储量的8 6 ％H 1 。 根据矿床类型划分，我国铝土矿资源以沉积型、堆积型、红土型为主，其中 沉积型铝土矿最多。在已探明的储量中，沉积型矿床的储量占9 2 ．2 5 ％，主要分布 在山东、山西、河南和贵州等地；堆积型矿床分布在广西和云南，约占6 ．2 1 0 5 ； 红土风化壳型三水铝土矿储量仅占1 ．5 4 ％晦1 。 从表卜1 可以看出，全世界的铝矿资源大多以三水铝土矿型铝土矿为主。然 而，我国的铝土矿资源中约有9 8 0 5 是高岭石一一水硬铝石型铝土矿，这种类型的 铝土矿基本都属于高铝、高硅、低铁、难溶的矿石，且铝硅比一般比较低，约在 5 左右，溶出性能差。我国铝土矿的A 1 0 平均含量为4 0 ％～6 0 ％，很少有铝硅比大 于9 的高质量铝土矿 约1 8 ．5 ％ ，而中低品位的铝土矿占8 0 9 6 以上喳3 。 我国铝土矿资源的另外一个特点就是矿物种类多、组成复杂，且嵌布粒度较 细。一水硬铝石与主要含硅矿物的嵌布关系复杂，彼此紧密镶嵌，难以解离口1 。 我国铝土矿的主要脉石矿物有3 类，分别为含硅矿物 高岭石、伊利石、叶腊石、 绿泥石、石英等 、含铁矿物 褐铁矿、赤铁矿、水赤铁矿等 和含钛矿物 锐 硕士学位论文 第一章文献综述 钛矿、金红石等 。 1 ．1 ．2 氧化铝生产工艺及比较 氧化铝的生产方法可分为拜耳法、烧结法和拜耳烧结联合法3 种。 拜耳法是由奥地利化学家拜耳 K ．J ．B a y e r 于1 8 8 9 ～1 8 9 2 年发明的一种 从铝土矿中提取氧化铝的方法。一百多年来在工艺技术方面进行了许多改进， 但基本原理没有发生根本性的变化，拜耳法仍是目前世界上生产氧化铝最主要 的方法。 在拜耳法流程中，铝土矿经破碎后，和石灰、循环母液一起进入湿磨，制 成合格原矿浆。原矿浆首先进行预脱硅处理再进行高温溶出。溶出后的矿浆经 自蒸发降温后进入稀释及赤泥沉降分离工序。自蒸发过程产生的二次蒸汽用于 矿浆的预热过程。赤泥沉降分离后洗涤进入赤泥堆场，而沉降分离的溢流经叶 滤脱除浮游物的溶液称为精液。精液经晶种分解得到氢氧化铝。分解出的氢氧 化铝一部分作为晶种进入下一步流程，另一部分经过高温焙烧制得氧化铝产品。 晶种分解后，分解母液经蒸发浓缩后还可用于下一批矿石的溶出工艺，这样就 形成拜耳法生产氧化铝的闭路循环。 拜耳法用于处理高铝硅比的铝土矿时，具有流程简单，能耗低，产品质量 好的特点，特别是处理三水铝石型铝土矿时，其优点更为突出。目前，全世界 有9 0 ％以上的工厂选用拜耳法来生产氧化铝和氢氧化铝。 烧结法的基本原理是将碱石灰与铝土矿混合后，通过高温焙烧将氧化铝转 变为铝酸钠，氧化硅转变为正硅酸钙，氧化铁转变为铁酸钠。烧结法的优点是， 可以处理含硅较高的铝土矿 U S 约为3 - - 5 ，且该工艺采用了碳酸钠取代昂 贵的烧碱。但是由于其流程复杂，能耗高，产品质量不如拜耳法，且综合成本 较高，已少有应用。 联合法的核心思想则是，用较为廉价的苏打来补偿拜耳法生产工艺中的苛 性碱损失，以降低成本，同时采用拜耳法和烧结法来处理两种硅含量不同的矿 石，生产氧化铝。根据铝土矿化学与矿物组成以及其他条件不同，可将拜耳法 和烧结法组成并联、串联和混联3 种基本流程。 由于国外铝土矿的主要矿石类型为三水铝石，其高铝、低硅、高铁的特点 非常适合采用拜耳法生产氧化铝；而我国的铝土矿资源则以一水硬铝石型为主， 总体特征是高铝、高硅、低硫、低铁、铝硅比偏低。所以我国最早的氧化铝生 产工艺主要采用生产工艺复杂、流程长、投资大、成本高的烧结法和独创的混 联法。在全球范围内，采用拜耳法生产的氧化铝占9 0 ％以上，烧结法和联合法 不到1 0 ％，目前仍在使用烧结法和联合法生产氧化铝的主要有我国和俄罗斯。 4 硕士学位论文 第一章文献综述 据统计，这3 种不同工艺生产氧化铝所需的动力、燃料和电力等直接能耗 和其他各项间接能耗均以拜耳法工艺最低。表卜3 呻3 是国内不同氧化铝生产工艺 的能耗指标。从表1 - 3 可知，烧结法能耗约为拜耳法能耗的3 倍，联合法能耗 约为拜耳法的1 ．5 倍。高能耗，业已成为我国氧化铝工业参与国际竞争的主要 差距‘8 I 。 表1 - 3 国内不同氧化铝生产工艺的能耗指标k g 标煤 ／t 长期以来，我国铝土矿资源特点决定了我国氧化铝生产采用烧结法和联合 法工艺。由于我国铝土矿资源中铝硅比小于7 的有7 0 ％，而拜耳法普遍要求铝 土矿原料的铝硅比要大于8 。从相关文献得知，拜耳法生产氧化铝的综合能耗 随着矿石铝原料中铝硅比的增大而呈下降趋势。当矿石中铝硅比为4 ～9 时，能 耗随矿石铝硅比的增加迅速减少，每提高1 个铝硅比，能耗平均减少1 ．2 ％。并 且随着矿石铝硅比的降低，矿石中A 1 0 。的实际溶出率也呈下降趋势，且矿石铝 硅比越低，氧化铝的实际溶出率下降幅度越大。同时，氧化铝生产的碱耗、矿 石消耗也随矿石铝硅比降低而增加旧儿1 0 1 。 1 ．1 ．3 氧化铝的产能与需求 我国的氧化铝工业起步于1 9 5 4 年山东铝厂建成投产，经过5 0 多年的发展， 已经形成了6 大氧化铝生产基地，尤其是2 0 0 0 年以后，发展速度异常迅猛。2 0 1 1 年我国氧化铝的产量达到3 4 0 7 ．7 6 万t ，同比增长1 7 ．6 9 ％，已连续多年保持世 界第一大氧化铝生产国和第一大氧化铝消费国的位置，在世界铝工业中具有举 足轻重的地位。2 0 11 年山东赶超河南成为我国氧化铝生产第一大省，产量为 1 0 9 3 ．0 7 万t ，同比增长2 1 ．8 1 ％；河南省氧化铝产量达1 0 4 1 ．5 9 万t ，同比增长 9 ．0 3 ％，居全国第二。两省区氧化铝产量占全国总产量近三分之二。 随着我国氧化铝生产能力的不断提升，国内铝土矿生产氧化铝的资源保障 能力显著下降。2 0 1 1 年我国一次铝资源的对外依存度为4 7 ％，比2 0 1 0 年增加了 4 个百分点。迫切需要对低品位的铝土矿资源加以利用。 需要指出的是，由于我国铝土矿多为一水硬铝石型，如果直接用它来生产 氧化铝，面临的将是高能耗和低效益等问题。因此，必须对铝土矿进行预先脱 硅处理⋯】。 5 硕士学位论文 第一章文献综述 1 ．1 ．4 氧化铝工业的挑战与思考 我国氧化铝工业经过5 0 多年的发展，己成为全世界铝工业大国，特别是改 革开放的3 0 年间取得了突飞猛进的发展。但在2 0 0 8 年全球金融危机后，铝行 业受到了严重的冲击，滑落到了有史以来的低谷，生存和发展面临严峻挑战。 受到金融危机的影响，铝价格的一路下滑，导致我国氧化铝和电解铝的经济效 益一落千丈。 面对金融危机带来的困境和挑战，我国氧化铝工业唯有通过降低生产成本、 提高产品质量等手段，逐步增强行业竞争力，方能立于不败之地。混联法和烧 结法工艺中采用的熟料焙烧工艺所伴随的高能耗，是造成我国氧化铝生产成本 偏高的直接原因。而铝土矿资源铝硅比普遍较低的特点又是导致我国氧化铝生 产能耗高的根本原因。因此，通过预先脱硅手段，将我国铝土矿的铝硅比提高 到能够满足拜耳法工
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