高铁三水铝土矿综合利用新工艺.pdf

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书书书 收稿日期2 0 1 3- 0 9- 1 6 基金项目国家自然科学基金资助项目( 5 1 2 0 4 0 3 4 ) ;国家重点基础研究发展计划项目( 2 0 1 4 C B 6 4 3 4 0 5 ) . 作者简介辛海霞( 1 9 8 2- ) , 女, 山东烟台人, 东北大学秦皇岛分校讲师, 博士;翟玉春( 1 9 4 6-) , 男, 辽宁鞍山人, 东北大学教授, 博士生导师. 第3 5 卷第8 期 2 0 1 4年 8月 东北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) J o u r n a l o f N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e ) V o l . 3 5 , N o . 8 A u g .2 0 1 4 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 5- 3 0 2 6 . 2 0 1 4 . 0 8 . 0 2 3 高铁三水铝土矿综合利用新工艺 辛海霞1,吴 艳2,滕 飞1,翟玉春1 , 2 ( 1 东北大学秦皇岛分校 资源与材料学院,河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ; 2 东北大学 材料与冶金学院,辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 ) 摘 要通过对铝土矿进行 X射线衍射分析和电镜分析, 确定了原料的主要物相和形貌. 采用低温硫酸 焙烧法可以将铝、 铁与硅进行有效的分离. 实验考察不同条件对铝、 铁提取率的影响, 结果表明 焙烧温度在 3 5 0 ℃, 恒温时间 6 0m i n , 硫酸加入量为理论所需量的 1  2倍时, 铝、 铁的提取率均可达到 9 2 %以上. 采用黄钠 铁矾法使焙烧熟料水溶出后所得滤液中的大部分铁沉淀, 铁的沉淀率达 9 0 %以上, 铝的沉淀率可控制在 5 % 以内. 关 键 词高铁铝土矿; 综合利用; 铝铁提取; 硫酸; 焙烧; 黄钠铁矾 中图分类号T F1 1 1  1 2 文献标志码A 文章编号1 0 0 5- 3 0 2 6 ( 2 0 1 4 ) 0 8- 1 1 6 5- 0 4 N o v e l P r o c e s s f o r C o mp r e h e n s i v e U t i l i z a t i o no f H i g h  I r o nB a u x i t e X I NH a i  x i a 1,W UY a n2,T E N GF e i1,Z H A I Y u  c h u n1 , 2 ( 1 S c h o o l o fR e s o u r c e s&Ma t e r i a l s ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t ya t Q i n h u a n g d a o ,Q i n h u a n g d a o0 6 6 0 0 4 ,C h i n a ; 2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s &Me t a l l u r g y ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ,C h i n a .C o r r e s p o n d i n ga u t h o r X I NH a i  x i a ,E  m a i l x i n h a i x i a 2 0 0 8 @1 6 3 . c o m) A b s t r a c t T h eb a u x i t ew a sc h a r a c t e r i z e db yX  r a yd i f f r a c t i o n( X R D)a n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y( S E M) ,a n dt h em a i np h a s ea n dm o r p h o l o g yo f t h er a wm a t e r i a l w e r ed e t e r m i n e d . A l u m i n u m,i r o na n ds i l i c o nc a nb ee f f e c t i v e l ys e p a r a t e db yl o wt e m p e r a t u r es u l f u r i ca c i dr o a s t i n g p r o c e s s .T h ee f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ee x t r a c t i o nr a t e so fa l u m i n u m a n di r o nw e r e i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y .Wh e nt h ea m o u n t o fs u l f u r i ca c i di s1  2t i m e sa st h ea m o u n to f t h e o r y ,t h ee x t r a c t i o nr a t e s o f a l u m i n u ma n di r o na r ea b o v e 9 2 % a t 3 5 0℃ f o r 6 0m i n .Mo s t o f t h ei r o ni nt h ef i l t r a t ew a s d e p o s i t e db yn a t r o j a r o s i t em e t h o d ,a n dt h ei r o np r e c i p i t a t i o nr a t ec o u l d r e a c hm o r et h a n9 0 %,w i t ht h ea l u m i n u md e p o s i t i o nr a t ec o n t r o l l e dw i t h i n5 %. K e yw o r d s h i g h  i r o nb a u x i t e ;c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n ;e x t r a c t i o no fa l u m i n u m a n di r o n ; s u l f u r i ca c i d ;r o a s t i n g ; n a t r o j a r o s i t e 我国广西中部地区存在大规模的高铁三水铝 石型铝土矿矿床, 是我国铝、 铁冶炼的重要潜在资 源之一. 该类矿物具有高铁、 高硅、 低铝、 低铝硅比 的特点, 其成分和结构复杂, 且矿物嵌布粒度细微, 呈凝胶状态[ 1 - 2 ], 是难处理的复合矿石资源之一. 为了合理开发利用此类铝土矿, 科研工作者 进行了大量研究工作[ 3 - 7 ], 先后提出了三种综合 利用方案 “ 先选后冶” 工艺、 “ 先铝后铁” 工艺和 “ 先铁后铝” 工艺. 近几年, 酸法提取含铝矿物中 的有价组元被广泛研究, 主要方法为盐酸和硫酸 的浸出[ 8 - 1 1 ]. 为探索合理利用此类铝土矿的新工 艺, 本文采用硫酸低温焙烧法和黄钠铁矾法分离 铝土矿中的有价组元. 以期为高铁三水铝石型铝 土矿的综合利用提供依据. 1 实 验 1  1 实验原料 实验原料为广西某地铝土矿, 将铝土矿磨细 至粒度小于 7 4μ m用于实验, 其化学成分( 质量 分 数, %)为A l 2O32 2  9 6 ,S i O21 0  6 3 ,F e2O3 4 6  8 9 , T i O 21  4 3 , Mn O21  1 0 ; 可见该矿属高铁低 铝硅比铝土矿. 图 1铝土矿的 X射线衍射结果表明 铝土矿 结晶不完整, 其中, 铝以三水铝石形式存在, 铁主 要以赤铁矿和针铁矿形式存在, 还含有石英和锐 钛矿. 图 1 铝土矿的 X R D谱 F i g 1 X R Dp a t t e r no f b a u x i t e 采用场发射扫描电镜观察铝土矿形貌, 结果 如图 2所示 铝土矿粒度较细, 表面粗糙. 实验所用 9 8 %浓硫酸为分析纯试剂, 水为去 离子水, 分析检测用试剂均为天津科密欧公司生 产, X射线衍射仪为 R i g a k uU l t i m aI V , 扫描电镜 为 U l t r aP l u s 场发射扫描电镜. 图 2 铝土矿的 S E M图 F i g  2 S E Mi ma g e so f b a u x i t e 1  2 实验方法 1  2  1 低温硫酸化焙烧 将质量分数为 9 8 %的浓硫酸与铝土矿按一 定比例置于陶瓷坩埚中, 充分搅拌后置于电阻丝 炉中焙烧, 保温一定时间后取出, 冷却, 加水搅拌溶 出, 溶出水量为熟料质量的 3倍, 溶出温度 6 0℃, 溶出时间 3 0m i n , 溶出完毕后过滤, 滤渣洗涤两 次, 测定滤液中铝、 铁量, 计算铝、 铁焙烧提取率. 1  2  2 黄钠铁矾法沉淀铁 采用黄钠铁矾法沉淀所得熟料滤液中的铁. 首先净化溶液 溶液加热至 9 5℃, 加入黄钠铁矾 晶种 1 5g / L , 用饱和碳酸钠溶液调节溶液 p H值, 保温一定时间后过滤, 滤渣用热水洗涤; 所得滤液 用氢氧化钠溶液进一步沉淀铝、 铁, 得到的铝、 铁 混合物采用拜耳法制备氧化铝. 2 实验结果与讨论 2  1 铝土矿与硫酸混合焙烧提取铝、 铁 2  1  1 硫酸用量对铝、 铁提取的影响 对硫酸用量为理论值的 1  3倍, 3 5 0℃恒温 6 0 m i n 时所得熟料进行 X R D分析, 结果如图3所 示 铝土矿中铝、 铁与硫酸的反应产物为硫酸铝、 硫酸铁, 故发生的主要反应为 A l 2O3+ 3 H2S O4= A l2( S O4)3+ 3 H2O ↑, F e 2O3+ 3 H2S O4= F e2( S O4)3+ 3 H2O ↑. 图 3 焙烧产物的 X射线衍射图谱 F i g  3 X R Dp a t t e r no f r o a s t e dp r o d u c t 按照上述反应比例, 将矿中所有的铝物相按 照氧化铝计算, 铁物相按照三氧化二铁计算, 铝、 铁恰好与硫酸发生反应所需的浓硫酸的量计为 1 , 在焙烧温度为 3 0 0℃, 恒温时间为 4 0m i n时, 考察浓硫酸用量对铝、 铁提取率的影响. 结果如图 4所示 在硫酸用量为理论值的 1  1倍时, 铝、 铁 提取率已达 9 0 %以上; 硫酸用量大于理论所需量 的 1  3倍后, 铝、 铁提取率变化不大. 图 4 硫酸用量对铝、 铁提取率的影响 F i g  4 E f f e c t o f a mo u n t o f s u l f u r i ca c i do ne x t r a c t i o no f a l u mi n u ma n di r o n 2  1  2 焙烧温度对铝、 铁提取的影响 在硫酸用量为理论值的 1  2倍, 恒温时间为 4 0m i n时, 考察焙烧温度对铝、 铁提取的影响, 结 6611东北大学学报( 自然科学版) 第 3 5卷 果如图 5所示 温度低于 3 5 0℃时, 铝、 铁提取 率随温度的升高而升高; 温度高于 3 5 0℃时, 铝、 铁提取率降低. 主要原因为 1 0 0 %的硫酸加热 到 2 9 0℃开始分解, 变成 9 8  5 4 %的水溶液后, 在 3 1 7℃ 沸腾而成为共沸混合物[ 1 2 ], 温度低于 3 0 0℃时, 体系内硫酸未分解, 且温度升高, 反应 体系提供了更多的活化分子, 所以铝、 铁提取率随 温度升高明显增大; 温度在 3 0 0~ 3 5 0℃时, 硫酸 分解产生的气体继续与铝、 铁化合物反应, 导致 铝、 铁提取率继续升高; 温度高于 3 5 0℃时, 硫酸 还未与铝、 铁化合物反应便快速分解, 导致铝、 铁 提取率随温度升高而降低. 图 5 焙烧温度对铝、 铁提取率的影响 F i g  5 E f f e c t o f r o a s t i n gt e mp e r a t u r eo ne x t r a c t i o no f a l u mi n u ma n di r o n 2  1  3 恒温时间对铝、 铁提取的影响 在硫酸用量为理论值的 1  3倍, 焙烧温度为 3 0 0℃时, 考察恒温时间对铝、 铁提取的影响. 实 验结果如图 6所示 反应时间对铝、 铁提取率影 响较大, 当反应大于 4 0m i n时, 铝、 铁提取率变化 缓慢. 图 6 恒温时间对铝、 铁提取率的影响 F i g  6 E f f e c t o f t i meo ne x t r a c t i o no f a l u mi n u ma n di r o n 2  2 黄钠铁矾法沉淀铁 2  2  1 终点 p H值对铝、 铁沉淀的影响 实验选取反应温度 9 5℃, 加入黄钠铁矾晶种 1 5g / L , 用饱和氢氧化钠溶液调节溶液 p H值至 1  5 , 并维持 2h , 2h 后继续调节溶液 p H值, 考察 不同终点 p H值对铝、 铁沉淀率的影响, 结果如图 7所示. 对终点 p H值为3  0的沉淀产物进行 X射 线衍射分析, 结果如图 8所示. 图 7 终点 p H值对铝、 铁沉淀率的影响 F i g  7 E f f e c to fp H v a l u e a tf i n i s h i n g p o i n to n d e p o s i t i o nr a t e so f a l u mi n u ma n di r o n 图 8 沉淀产物 X R D F i g  8 X R Dp a t t e r no f p r o d u c t 2  2  2 反应时间对铝、 铁沉淀的影响 由于黄钠铁矾自溶液析出为吸热反应[ 1 3 - 1 4 ], 升高温度在热力学上有利于反应的进行, 且在 8 0℃以上黄钠铁矾即可生成, 因此选取 9 5℃进 行实验, 体系 p H值维持在 2  0 , 考察反应时间对 铝、 铁沉淀的影响. 结果如图 9所示 在 9 0m i n 后, 铁沉淀率变化不大, 而铝沉淀率一直升高. 图 9 反应时间对铝、 铁沉淀率的影响 F i g  9 E f f e c t o f t i meo nd e p o s i t i o nr a t e so f a l u mi n u m a n di r o n 7611第 8期 辛海霞等高铁三水铝土矿综合利用新工艺 采用黄钠铁矾法沉淀得到的黄钠铁矾可通过 煅烧或水解得到氧化铁产品[ 1 5 ]. 3 结 论 1 )采用硫酸低温焙烧高铁铝土矿方法分离 铝、 铁与硅的效果明显, 焙烧温度为 3 5 0℃, 恒温 时间为 6 0m i n , 硫酸加入量为理论值的 1  2倍时, 铝、 铁提取率分别达到 9 3 %和 9 4 %. 2 )采用黄钠铁矾法可以将溶液中 9 0 %以上 的铁沉淀出来. 保持溶液温度在 9 5℃以上, 调节 溶液终点 p H值至 3  0 , 铁的沉淀率达 9 0 %以上, 铝的沉淀率可控制在 5 %以内. 参考文献 [ 1 ] 李小斌, 孔莲莲, 齐天贵, 等. 高铁三水铝石矿拜耳法溶出 过程中铝针铁矿的行为[ J ] . 中国有色金属学报, 2 0 1 3 , 2 3 ( 2 ) 5 4 3- 5 4 8 . ( L i X i a o  b i n , K o n gL i a n  l i a n , Q iT i a n  g u i , e ta l . E f f e c to f a l u m o g o e t h i t e i n B a y e r d i g e s t i o n p r o c e s s o f h i g h  i r o n g i b b s i t i cb a u x i t e [ J ] . T h eC h i n e s eJ o u r n a lo fN o n f e r r o u s Me t a l s , 2 0 1 3 , 2 3 ( 2 ) 5 4 3- 5 4 8 . ) [ 2 ] 陈怀杰, 刘志强, 朱薇, 等. 贵港式铝土矿综合利用工艺研 究[ J ] . 材料研究与应用, 2 0 1 2 , 6 ( 1 ) 6 5- 6 8 . ( C h e nH u a i  j i e , L i uZ h i  q i a n g , Z h uWe i , e t a l . S t u d yo nt h e c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fb a u x i t eo fG u i g a n g [ J ] . Ma t e r i a l s R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o n , 2 0 1 2 , 6 ( 1 ) 6 5- 6 8 . ) [ 3 ] L i uXF ,Wa n g Q F ,Z h a n g Q Z ,e ta l .Mi n e r a l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s u p e r l a r g e Q u a t e r n a r yb a u x i t e d e p o s i t s i n J i n g x ia n dD e b a oc o u n t i e s , w e s t e r nG u a n g x i , C h i n a [ J ] . J o u r n a l o f A s i a nE a r t hS c i e n c e s , 2 0 1 2 , 5 2 5 3- 6 2 . [ 4 ] L i uXF , Wa n g Q F ,D e n g J ,e ta l .Mi n e r a l o g i c a la n d g e o c h e m i c a l i n v e s t i g a t i o n so f t h eD a j i aS a l e n t o  t y p eb a u x i t e d e p o s i t s , w e s t e r nG u a n g x i , C h i n a [ J ] . J o u r n a l o f G e o c h e m  i c a l E x p l o r a t i o n , 2 0 1 0 , 1 0 5 ( 3 ) 1 3 7- 1 5 2 . [ 5 ] A b d e l  A a l EA , R a s h a dM M. K i n e t i cs t u d yo nt h el e a c h i n g o fs p e n tn i c k e lo x i d e c a t a l y s tw i t h s u l f u r i c a c i d[J ] . H y d r o m e t a l l u r g y , 2 0 0 4 , 7 4 ( 3 / 4 ) 1 8 9- 1 9 4 . [ 6 ] B a z i nC , E l  O u a s s i t i K , O u e l l e t V . S e q u e n t i a l l e a c h i n gf o r t h e r e c o v e r yo f a l u m i n a f r o ma C a n a d i a n c l a y [ J ] . H y d r o m e t a l l u r g y , 2 0 0 7 , 8 8 ( 1 / 2 / 3 / 4 ) 1 9 6- 2 0 1 . [ 7 ] S m i t hP . T h ep r o c e s s i n go fh i g hs i l i c ab a u x i t e s r e v i e w o f e x i s t i n ga n dp o t e n t i a l p r o c e s s e s [ J ] . H y d r o m e t a l l u r g y , 2 0 0 9 , 9 8 ( 1 / 2 ) 1 6 2- 1 7 6 . [ 8 ] Z h a oAC , L i uY , Z h a n gTA , e t a l . T h e r m o d y n a m i c ss t u d y o nl e a c h i n gp r o c e s s o f g i b b s i t i cb a u x i t eb yh y d r o c h l o r i ca c i d [ J ] . T r a n s a c t i o n so f N o n f e r r o u sMe t a l sS o c i e t yo fC h i n a , 2 0 1 3 , 2 3 ( 1 ) 2 6 6- 2 7 0 . [ 9 ] R e d d yBR , Mi s h r aSK , B a n e r j e eGN . K i n e t i c s o f l e a c h i n g o f ag i b b s i t i cb a u x i t ew i t hh y d r o c h l o r i ca c i d [ J ] . H y d r o  m e t a l l u r g y , 1 9 9 9 , 5 1 ( 1 ) 1 3 1- 1 3 8 . [ 1 0 ] O z d e m i r M,C e t i s l iH .E x t r a c t i o n k i n e t i c so fa l u n i t e i n s u l f u r i ca c i da n dh y d r o c h l o r i ca c i d [ J ] . H y d r o m e t a l l u r g y , 2 0 0 5 , 7 6 ( 3 / 4 ) 2 1 7- 2 2 4 . [ 1 1 ] E l H a z e kM N , A h m e dFY , E l K a s a b yM A , e t a l . S u l f u r i c a c i dl e a c h i n go fp o l y m e t a l l i cA b uZ e n e i m ag i b b s i t e  s h a l e [ J ] . H y d r o m e t a l l u r g y , 2 0 0 8 , 9 0 ( 1 ) 3 4- 3 9 . [ 1 2 ] 硫酸协会编辑委员会. 硫酸手册[ M] . 张铉, 译. 北京 化学 工业出版社, 1 9 8 2 3 9 . ( T h e E d i t o r i a l B o a r do f S u l f u r i c A c i dA s s o c i a t i o n . Ma n u a l o f s u l f u r i ca c i d[ M] .T r a n s l a t e d b y Z h a n g X u a n .B e i j i n g C h e m i c a l I n d u s t r yP r e s s , 1 9 8 2 3 9 . ) [ 1 3 ] 郭学益, 张多默, 刘志宏, 等. 稀盐酸中锰结核还原浸出溶 液净化除铁[ J ] . 中国有色金属学报, 1 9 9 7 , 7 ( 4 ) 5 3- 5 6 . ( G u oX u e  y i , Z h a n g D u o  m o ,L i u Z h i  h o n g ,e ta l .I r o n r e m o v a l f r o m r e d u c t i o nl e a c h i n gs o l u t i o no fMn  n o d u l ei n d i l u t e H C l [ J ] . T h eC h i n e s eJ o u r n a l o f N o n f e r r o u sMe t a l s , 1 9 9 7 , 7 ( 4 ) 5 3- 5 6 . ) [ 1 4 ] 郭学益, 张多默, 赵统来, 等. 氯化物中黄钠铁矾除铁的热 力学与动力学[ J ] . 中南工业大学学报 自然科学版, 1 9 9 7 , 2 8 ( 1 ) 3 0- 3 3 . ( G u oX u e  y i , Z h a n gD u o  m o ,Z h a oT o n g  l a i ,e ta l .T h e t h e r m o d y n a m i c s a n dk i n e t i c s o f s o d i u mj a r o s i t ef o r m a t i o ni n c h l o r i d e s o l u t i o n [ J ] . J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e , 1 9 9 7 , 2 8 ( 1 ) 3 0- 3 3 . ) [ 1 5 ] 马荣骏. 湿法冶金原理[ M] . 北京 冶金工业出版社, 2 0 0 7 4 3 6 . ( MaR o n g  j u n . P r i n c i p l eo fh y d r o m e t a l l u r g y [ M] . B e i j i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r yP r e s s , 2 0 0 7 4 3 6 . ) 8611东北大学学报( 自然科学版) 第 3 5卷
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