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中高浓度铝酸钠溶液一段脱硅工艺研究

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第3期 2013年6月 矿产综合利用 Multipurpose Utilization of Mineral Resources NO.3 Jun.2013 中高浓度铝酸钠溶液一段脱硅工艺研究 王雅静 ,王立思 ,庞常健 ,翟玉春 (1.沈阳化工大学,应用化学学院,辽宁沈阳110142; 2.东北大学,材料与冶金学院,辽宁沈阳110004) 摘要:硅是铝酸钠溶液中最难除去的杂质,若硅含量过高会造成氧化铝产品的损失。通过改变脱硅温度、 脱硅时间、铝酸钠溶液浓度及脱硅剂用量来确定铝酸钠溶液一段脱硅的较优条件。试验表明最优条件是脱硅 温度为100℃,时间为100 min,脱硅剂用量为27g/L,搅拌速度为300r/rain,铝酸钠溶液浓度从140~200s/L, 脱硅指数可达1000以上。并通过测定表面张力随脱硅时间、脱硅温度变化,及通过钙硅渣XRD衍射试验,分 析了铝酸钠溶液一段脱硅机理。铝酸钠溶液一段脱硅后能够基本达到铝酸钠溶液二段脱硅的工艺要求。 关键词:铝酸钠溶液;脱硅;硅量指数;XRD衍射 doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2013.03.008 中图分类号:TD989,TF03 文献标识码:A文章编号:1000—6532(2013)03—0036—04 在氧化铝的碱法生产工艺中,由于铝、硅化合 物在碱液中的特性相近,导致该工艺实质上为氧化 铝和氧化硅的分离过程…,铝酸钠溶液脱硅过程的 1.2脱硅后硅量指数的测定 将硅铝酸钠溶液、脱硅剂(钙盐与硅渣的混合 物)置于容器中,搅拌、恒温进行脱硅反应,脱硅结 束静置冷却,得澄清溶液。SiO 的含量用硅钼蓝比 色法测定,A1 0,的含量用滴定法测定。 实质就是使溶液中的SiO 转变为溶解度很小的化 合物沉淀析出 。 在氧化铝生产过程中,铝酸钠溶液中含有以硅 酸根或硅铝酸根形式存在的含硅化合物 J,可引起 氧化钠和氧化铝在分解过程中析出,造成损失,又可 使氧化铝产品质量下降,所以铝酸钠溶液脱硅对于 2试验结果与讨论 2.1 温度对脱硅效果的影响 在铝酸钠浓度为200g/L,脱硅剂的用量为30g/ L,脱硅时间为90 min,搅拌速度为300 r/min,A/S 为25的条件下,脱硅温度对脱硅效果的影响见图 1,脱硅过程中温度与表面张力关系见图2。 提高产品质量有十分重要的作用。脱硅后的纯度指 标溶液A1:0 与SiO:重量之比(A/S)表示,一称脱硅 指数 引。 近几年来,国内外的学者对于深度脱硅有了全 面的研究了解,但对一段脱硅,则有较少的学者进行 研究。本文通过铝酸钠溶液中一段脱硅过程工艺的 研究,寻找其较优工艺。且能使优化后的工艺能够 基本达到铝酸钠溶液二段脱硅的工艺要求。 由图1可以看出,在一定范围之内,温度是脱硅 深度的重要影响因素,温度越高,脱硅效率越高,脱 硅后硅铝酸钠溶液的A/S越高。这是因为温度提 高,有利于[H SiO ] 一的扩散,使脱硅反应更容易进 行。也有文献资料 一 表明,随着温度的升高,在预 脱硅初期,溶液中SiO:浓度较高,处于不稳定状态, 在种子表面上形成新钠硅渣结晶析出,其反应速度 受化学反应控制;随着脱硅反应的进行,到中后期, 1 试验部分 1.1溶液的配制 配制一系列不同浓度的铝酸钠溶液,使其苛性 比为1.5,将纯Na SiO ・9H 0溶于去离子水中,将 硅酸钠溶液缓慢的滴人铝酸钠溶液中,配置成硅铝 酸钠溶液。 收稿日期:2012-11-01 溶液中SiO 浓度降低,反应速度受扩散过程控制, 脱硅速度变慢。在120cc时,铝酸钠溶液脱硅后的 A/S最大,但由于温度过高时,脱硅过程的耗能将增 大,所以选取100℃为较优条件。 基金项目:国家科技部973项目(G199904690-4);辽宁省教育厅项目(05L339) 作者简介:王雅静(1963一),女,博士,教授,物理化学专业。 第3期 王雅静等:中高浓度铝酸钠溶液一段脱硅工艺研究 。37・ 图1 脱硅温度对脱硅效果的影响 Fig.1 Th influence of temperature on desilication 由图2可知,硅铝酸钠溶液的表面张力随溶液 温度的升高而降低。一般而言,温度升高,溶液膨 胀,分子问的距离增大,同时分子的热运动加剧。这 两个因素都会导致分子间的吸引力减弱,从而使表 面张力下降。同一溶液随着温度增加,表面张力下 降。此外,对于铝酸钠溶液来说,随着温度的增加Al (OH):离子间的氢键作用逐渐减弱,铝酸根阴离子群 逐渐分裂为AJ(OH):离子,溶液中分子间的作用力 减弱,所以温度升高表面张力下降。同时,AI—O—Si键 中更容易生成A1一O—A1键,使脱硅效果更明显。 Fig.2 The re1图2脱硅过程中表面张力与温度的关系 ati。nship between the su ce tensi。n and the temperature 2.2脱硅时间对脱硅效果的影响 在200g/L铝酸钠溶液,脱硅剂的用量为30g/ L,搅拌速度为300 r/min,脱硅温度为100cC,A/S为 25的条件下,脱硅时间对脱硅效果的影响见图3,表 面张力与脱硅时间关系见图4。 由图3可以看出在相同条件下,脱硅时间对含 铝酸钠溶液深度脱硅效果也有较大的影响,在脱硅 时间在50min到160min之间,脱硅后硅量指数A/S 从491到1022,溶液的硅量指数随着脱硅时间的增 加而增加,在IO0 ̄C,脱硅剂用量30 L、搅拌转速 300r/min条件下脱硅100 min后,200 g/L的铝酸钠 溶液中硅量指数可以达到1050,可以满足工业生产 的要求。 随着脱硅时间的增加,溶液的表面张力随之下 降。亦可以得出,在相同温度下,溶液的表面张力随 时间的增加而下降。增加反应时间,有利于提高硅 铝酸钠溶液的脱硅效率。若过长时间脱硅,不利于 能源的节约。 图3 脱硅时间对脱硅效果的影响 Fig.3 The influence of time on disilication q 蜀 ● 吕 恒 图4脱硅过程中表面张力与脱硅时间的关系 Fig.4 The relationship between surface tension and the desilication time 2-3氧 氧化铝浓度幢・L。 图5 氧化铝浓度对脱硅效果的影响 Fig.5 The influence of the alumina concentration on the desilication 在脱硅时间为100rain,脱硅温度IO0 ̄C,脱硅剂 用量30 L,搅拌速度300r/min条件下,氧化铝浓度 对脱硅效果的影响见图5。 ・38・ 矿产综合利用 20l3年 由图5可以看出氧化铝浓度对脱硅效果有较大 影响,硅量指数随氧化铝的浓度增大而减小,铝酸钠 溶液浓度在140—200g/L时,脱硅后铝酸钠溶液A/ s能够达到1000以上,基本达到二段脱硅的要求。 2.4脱硅剂用量对脱硅效果的影响 脱硅剂用tJg・ 图6脱硅剂用量对脱硅效果的影响 Fig.6 The influence of the dosage of the reagent on the desilication 在脱硅时间为100 rain,脱硅温度100clC,氧化 铝浓度170g/L,搅拌速度300r/min,AZS为25的条 件下,脱硅剂用量对脱硅效果的影响见图6。 从图6中可以看出,脱硅剂的用量对脱硅效果 也有一定的影响。当脱硅剂用量从20g/L增加到 27 L时硅量指数从900增加到1450,脱硅剂用量 在40g/L时硅量指数达最大值。当硅量指数大时, 脱硅效果较好。但考虑到实际生产耗材及经济问 题,选择脱硅剂的用量为27g/L为较优条件。 2.5脱硅剂的XRD谱图分析 5O 60 70 80 20/(。) 图7 铝酸钠溶液脱硅后形成的硅渣的XRD光谱 Fig.7 The XRD spectrum of silicon slag formed by sodium aluminate solution after desilication 铝酸钠溶液是存在多种络合离子的复合体系, 铝浓度较低时主要以四面体结构A1(OH):存在,硅 主要以四面体结构SiO (OH) 一存在。铝酸钠溶液 加人脱硅剂后生成水化石榴石。图7是钙盐与硅渣 的混合物作为脱硅剂的铝酸钠溶液脱硅后所形成的 硅渣的XRD衍射图,由图7可知,说明SiO 已与脱 硅剂发生反应,形成的硅渣是类似水化石榴石的结 构,达到脱硅目的,脱硅效果明显。 3 结 论 (1)温度是脱硅的重要影响因素,温度越高,脱 硅后硅铝酸钠溶液的A/S越高,且铝酸钠溶液表面 张力随温度的增加而降低,脱硅效率越好。试验测 得较优温度为100℃。 (2)脱硅时间对脱硅效果也有一定的影响,铝 酸钠溶液的表面张力随脱硅时间的增加而降低,试 验结果可知脱硅时间为100 min的脱硅效果较好。 (3)氧化铝的浓度也是影响硅量指数的重要因 素,硅量指数随氧化铝的浓度增大而减小,试验可得 铝酸钠溶液的浓度在140~200g/L时,溶液脱硅后 A/S可达到1000以上,达到工业生产需要。 (4)铝酸钠溶液用脱硅剂脱硅的较佳条件为: 脱硅温度为IO0 ̄C,时间为100 min,脱硅剂的用量 为27g/L,搅拌速度为300 r/min,铝酸钠溶液浓度在 140—200g/L时,脱硅指数可达1000以上。 (5)XRD图表明,SiO 已与脱硅剂反应,形成类 似于水化石榴石结构,达到脱硅目的。 参考文献: [1]王学诗.脱硅技术的创新与脱硅概念的拓展[J].轻金 属,2001(2):27—29. 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[3]李杰,刘艳丽,刘素兰,等.低品位硼镁矿制备硼酸及回 收硫酸镁的研究[J].矿产综合利用,2009(1):3-6. [4]李杰.低品位硼镁矿及富硼渣综合利用研究[D],沈阳: 东北大学,2010. (3)硫酸分解法和碳碱法各有优劣,综合考虑, 采用硫酸分解一步法生产硼酸和一水硫酸镁更为合 适。 [5]泉美治,d,JlI雅孺,加藤俊二.仪器分析导论[M].北京: 化学工业出版社.2005.106—108. [6]陈吉,刘素兰,张显鹏.富硼渣碳碱法制取硼砂[J].东北 大学学报(自然科学版),1996,17(5):508—511. 参考文 献 T,Sasai R,ltoh H.Precipitation recovery of boron [1]hakura [7]冉启培,郑学家,杨子怀,等.硼化物的制造与应用[M]. 沈阳:辽宁科学技术出版社,1985.354. Experimental Research of Comprehensive Utilization of Boron—rich Slag LI Jin—sheng ,LI Jie ,LEI li ,WANG Liang-juan ,FAN Zhan—guo (1.School of Materials&Metallurgy,Northeastern University,Shenyang,Liaoning,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot,Mongolia,China) Abstract:The boron—rich slag is similar to ascharite in the chemical composition,which can replace the ascharite as the source of boron and magnesium.The sulfuric acid one—step method was determined for the preparation of boric acid and magnesium,and the carbonate—alkaline method for borax.The both results are very good.The recovery of boric acid,magnesium sulfate monohydrate and borax is 71.86%,55.77%and 71.93%respectively,which fits na・ tional quality standards because of their high purity.Compared to the two methods and taking into account environ— mental and market factors,the production of boric acid and magnesium sulfate monohydrate using sulfuric acid one- step method is more appropriate. Key words:Boron—irch slag;Sulfuric acid one—step method;Carbonate—alkaline method;Comprehensive tilization (上接38页) Research on the One—stage Desilication Process for the Mid.high Concentration of Sodium Aluminate Solution WANG Ya-jing ,WANG Li—si。,PANG Chang-jian ,ZHAI Yu-ehun (1.College of Applied Chemisty,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang,Liaoning,China; 2.College of Material and Metallurgy,Northeast University,Shenyang,Liaoning,China) Abstract:The removal of silicon in the sodium aluminate solution is the most difficult among all the impurities.Alu— mina products will be lost if the content of silicon is too high.In this paper,the one—stage desilication optimal condi— tion was obtained by changing the desilieation ternperature,desilication time,sodium aluminate solution concentra— tion and calcium silicon slag content.The results showed when the desilication temperature is 100cC.the time is 1 00min,the dosage of the agent is 27g/L,the stirring speed is 300r/min and the concentration of the sodium alumi— nate solution is from 1 4O L to 200 g/L,the desilication index is more than 1 000。The first—stage desilication mech— anism of sodium aluminate solution was obtained by measuring surface tension with desilication time,temperature; and by analyzing the XRD of calcium silicon slag.The sodium aluminate solution after the first—stage desilication can almost meet the requirement of the deep desilication process. Key words:Sodium aluminate solution;Desilication;Silica modulus,XRD diffraction. 

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