赤泥水热分级脱碱过程微粒元素分布规律及脱碱性能差异_黄丹丹.pdf

年第期有色金属（选矿部分）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（）；博士后创新人才支持计划项目（）作者简介：黄丹丹（），女，安徽六安人，硕士研究生，主要从事固废材料研究。通信作者：王艳秀（），女，黑龙江宁安人，博士，副教授，主要从事固废材料研究。赤泥水热分级脱碱过程微粒元素分布规律及脱碱性能差异黄丹丹，王艳秀，陶乐，王丽，孙伟（中南大学 资源加工与生物工程学院，长沙 ）摘要：基于赤泥微粒的工艺矿物学特征，对拜耳法赤泥进行水热分级脱碱，研究不同粒级赤泥微粒的矿物组成和元素分布规律，并对不同粒级赤泥微粒的脱碱性能进行对比。结果表明，原赤泥试样中氧化钠含量为 ，进行分级后，不同粒级赤泥在元素和矿物组成上，表现出较大差异，粗粒级（）氧化钠含量为 ，中间粒级（）氧化钠含量为 ，微细粒级（）氧化钠含量为 。微细粒级赤泥产率为 ，粗粒级和中间粒级的产率分别为 、。赤泥分级脱碱前后的化学成分分析和 检测结果显示，反应温度对赤泥脱碱具有显著影响，在反应温度为，时间，转速 的条件下进行脱碱时，钠碱含量明确减少，分级脱碱效果明显。脱碱后赤泥的氧化钠含量根据粒级由粗到细分别为 、，微细粒级脱碱难度较高，脱碱效率仅为 。不同粒级赤泥的 元素含量、物相组成，赋存状态及脱除的难易程度均存在差异，赤泥分级能有效提升赤泥处理效率，降低脱碱成本。关键词：矿物学；赤泥；强碱性；分级脱碱中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），（）（），：；有色金属（选矿部分）年第期赤泥是氧化铝生产过程中产生的强碱性工业废弃物。高增长和低利用率导致了赤泥的大量堆存。当前，我国赤泥累计堆存量超过 亿，综合回收利用率仅约为。拜耳法赤泥浸出液 值约为 ，赤泥中的 含量约 。赤泥的强碱性造成了严重的环境污染，制约了其综合利用。传统赤泥处理一般采用酸法、碱法或者生物法，其原理基本上都是通过酸、碱或者生物副产物，与赤泥中的碱发生发应生产可溶性盐进而脱除，大部分研究主要从化学反应角度关注反应效率和反应成本，对原料本身的粒度性质关注较少。事实上，赤泥的组成成分复杂，不同粒径的组成不同。尽管有一些研究在赤泥粒度组成对脱碱难易程度上进行了探索，等的研究表明，通过预处理的方式能够将组成复杂的赤泥分成三种进行分类回收利用。刘万超等的研究表明，根据赤泥粒径对赤泥有价元素进行分级回收，能有效降低成本，减少 排放，但在精细分级方法、脱碱工艺和微观机制上缺乏详细描述。前期探索发现，简单的分级在赤泥脱碱效果上没有显著的优化，因为钠的强吸附状态在常温分级过程中，对于不同粒度的赤泥差异不大，因此提出了水热分级的概念，即提高分级温度，进而改变钠在不同粒度颗粒中的分布，实现后续脱碱过程的简化。结合赤泥工艺矿物学特点，针对不同粒形赤泥进行分类酸中和脱碱研究，拓展赤泥分类利用方式，减少赤泥脱碱过程的药剂消耗，降低成本。试验矿样及方法 试验原料试验用赤泥为山东某铝厂提供的拜耳法赤泥，其化学成分组成见表。原赤泥中氧化钠含量为 ，氧 化 铝 含 量 为 ，全 铁 含 量 为 ，氧化硅含量为 。赤泥的 谱图显示原赤泥的主要物相为赤铁矿、石英、锐钛矿、（）和（），见图。表原料赤泥的化学成分组成 组成成分 含量 图原料赤泥的 分析 试验方法赤泥不同粒级分级及脱碱方法如下：使用高温反应釜对试验用拜耳法赤泥进行分散搅拌，在温度为，转速为 的条件下搅拌，分散后的赤泥矿浆过 、筛，将赤泥颗粒分为 （粒 级）、（粒 级）、（粒级）个粒级。分级完成后，对不同粒级赤泥进行物相和组成分析，考察不同粒级赤泥 含量差异。在相同条件下对不同粒级赤泥进行有机酸脱碱试验，对比不同粒级赤泥颗粒的脱碱效率，分析不同粒级赤泥的脱碱性能差异。试验结果与讨论 水热分级条件下不同粒度赤泥粒形及物相差异从表赤泥矿浆水热分级的结果可以看出，赤泥粗粒级、中间粒级 的赤泥颗 粒产率分别为 和 ，含量较低，分别为 和 。主要组成为 的粒级微颗粒，产率为 ，含量 。可见，赤泥颗粒中 分配并不均匀。原赤泥中高碱黏土相和非黏 土 相 团 聚 在 一 起，赤 泥 整 体 含 量 为 ，是高碱矿物和低碱矿物中和的结果，其中高碱黏土矿可能是在铝土矿溶出过程中次生生成的钠硅渣，低碱矿物可能是原生矿物中未分解的超细黏土矿物。赤泥经过水热分级后，高碱黏土相的凝聚作用消失，使异类矿物得以分散，分离出 含量较高的细颗粒钠硅渣相和 含量较低的低钠非黏土相。年第期黄丹丹等：赤泥水热分级脱碱过程微粒元素分布规律及脱碱性能差异表赤泥不同粒形分级效果 粒级类别粒级 含量产率 将赤泥原料及粒级、的不同分级赤泥进行物相对比，对比原赤泥，不同粒级的赤泥的物相（图）、成分（表）均存在差异，元素的赋存状态也不同。粒级、赤泥中主要存在的钠碱成分为硅铝酸钠（），这些颗粒粒度大，晶型好，主要源于铝土矿原料中难分解的黏土矿物，比如高岭土、伊利石等，这些矿物本身含钠很低，但在铝酸钠溶液中，容易形成钠硅渣的相核，成为复合物，因此也表现出一定的钠含量。粒级赤泥中主要存 在 的 钠 碱 成 分 为 更 难 去 除 的 含 钠 硅 矿 物（），主要是铝酸钠母液脱硅时形成的沸石、方钠石以及霞石类钠硅矿物。这些矿物中的钠相对稳定，需要特定的或者强烈的化学条件才能脱除。不同粒级主要的非含钠矿物也不同，粗粒级、中主要存在的其他矿物为石英，而细粒级主要的非含钠矿物为赤铁矿和锐钛矿，且赤泥分级后，粒级中呈现出较高的 含量，为 ，粗粒级、中 含量分别为 和 。可见，原赤泥中的钛经水热分级后多进入不同粒级的量存在差异：粒级 粒级 粒级。这主要是因为，一般情况下，铝土矿中铁钛铝元素关系紧密，一般呈集合体或者类质同相存在，且嵌布粒度很细，铝元素被溶出后，铁钛氧化物经过一系列的复杂反应形成极微细颗粒，和钠硅渣交织在一起，进入赤泥之中，虽然含量很高，回收难度却很大。总而言之，赤泥水热分级结果显示，不同粒度赤泥矿物组成差异较大，含钠量差异显著，这表明，如果对赤泥分级处理可能大大降低赤泥的处理成本，为赤泥高消纳利用提供可能。（原原赤泥；粒级赤泥；粒级赤泥；粒级赤泥）图不同分级赤泥脱碱前的 物相分析 有色金属（选矿部分）年第期 不同粒级赤泥脱碱性能试验采用有机酸脱碱，相比于硫酸和盐酸，有机酸反应温和，酸根容易生成钙镁沉淀，不会产生多余的废盐，中 和 后 的 赤 泥 容 易 脱 水，方 便 后 续 综 合利用。为考察不同粒级赤泥脱碱性能的差异，使用相同的有机酸中和方法处理不同粒级赤泥，在脱碱温度，搅拌时长，搅拌转速 的条件下，使用自制有机酸 在加热式磁力搅拌器中对不同粒级赤泥进行酸中和脱碱，结果见表。表不同粒级赤泥脱碱前后化学成分对比 粒径分布组成成分及含量 脱碱效率酸耗量（）脱碱前 脱碱后 脱碱前 脱碱后 脱碱前 脱碱后 从表可以看出，酸中和反应前后，赤泥的氧化钠含量显著减少，其中粒级、反应后氧化钠含量分别仅为 和 ，微细粒级的氧化钠剩余含量为 。且粗粒级 赤 泥 的 酸 耗显著低于细颗粒赤泥。图为不同粒级赤泥脱碱反应后物相对比，对比图、相同粒级的脱碱前后 图谱，可以发现，赤泥中的钠碱成分的含量明显有所减少，与表的结果相符。在相同条件下，粗粒级、中间粒级 和微细粒级脱碱效率分别为 、，微细粒级中嵌布在黏土相的碱更加顽固，脱碱难度较、粒级更高。（脱碱后的粒级赤泥，脱碱后的粒级赤泥，脱碱后的粒级赤泥）图不同分级赤泥脱碱后的 物相分析 年第期黄丹丹等：赤泥水热分级脱碱过程微粒元素分布规律及脱碱性能差异结论）不同粒级的赤泥颗粒中 元素含量存在差异。原赤泥 含量为 ，经水热分级可分为粗粒级（），中间粒级（），微细粒级（）三个粒级，含量分别为 ，及 。粗粒级和中间粒级 赤泥主要含有的钠碱成分为 （），主 要源于铝土矿原料中难分解的黏土矿物，比如高岭土、伊利石等，粒级赤泥中主要存在的含钠物相为 （），主 要 是 铝 酸 钠 母液脱硅 时 形 成 的 沸 石、方 钠 石 以 及 霞 石 类 钠 硅矿物。）不同粒级的赤泥中 元素脱除的难易程度存在差异。在相同酸中和条件下，粗粒级、中间粒级 和 微 细 粒 级 脱 碱 后 的 氧 化 钠 含 量 分 别 由 ，及 降 至 、和 ，脱 碱 效 率 分 别 为 、，微细粒级中嵌布在黏土相的碱更加顽固，脱碱难度较、粒级更高。）鉴于赤泥分级后具有不同的 含量和脱碱性能，建议对赤泥矿浆过滤前先进行分级，对低钠、高钠赤泥采取不同处理方案，有助于提升赤泥处理效率、降低成本。参考文献肖国圣，艾光华，王雨桐微生物在矿物浮选中的研究进展与方向有色金属（选矿部分），（）：，（），（）：熊远东磁化焙烧对文山高铁铝土矿物相结构及溶出性能的影响贵阳：贵州大学，：，（）：薛群虎，陈延伟 广西平果铝赤泥综合利用思路与探索 轻金属，（）：，（）：，：陈珊，陈允建，谢鑫，等 赤泥脱碱方法及其机理研究进展硅酸盐通报，（）：，（）：李佩鸿平果铝矿赤泥直接还原炼铁的研究有色金属（选矿部分），（）：，（），（）：，（）：刘万超，张校申，江文琛，等拜耳法赤泥粒径分级预处理的研究环境工程学报，（）：，（）：（本文编辑刘水红）