專利名稱:由含少量反應(yīng)性硅石的三水鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的制作方法
本發(fā)明涉及根據(jù)拜耳法處理含氧化鋁(主要是三水鋁礦石)和一定比例的硅石的鋁土礦石的方法，硅石以硅酸鋁或其他各種易溶于拜耳法中常見(jiàn)的鋁酸鈉溶液的形態(tài)出現(xiàn)。
在本專業(yè)文獻(xiàn)中廣泛介紹的精制氧化鋁的拜耳法是生產(chǎn)氧化鋁供電解還原成金屬鋁的主要技術(shù)方法。
根據(jù)這一方法，鋁土礦用加熱的具有適當(dāng)濃度的氫氧化鈉的水溶液加以處理，促使氧化鋁溶解，并獲得過(guò)飽和的鋁酸鈉溶液。
在將不起反應(yīng)的礦石殘?jiān)?紅泥)固相物質(zhì)除掉后，在過(guò)飽和的鋁酸鈉溶液中加入氫氧化鋁Al(OH)3顆粒以達(dá)到沉淀出氫氧化鋁的目的。損耗掉氧化鋁的鋁酸鈉溶液稱為貧反應(yīng)液，在經(jīng)過(guò)提濃和再加入氫氧化鈉以形成其濃度能與礦石反應(yīng)的溶液(這種溶液稱為反應(yīng)液)之后，就再循環(huán)去進(jìn)行反應(yīng)。
本技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員都知道，對(duì)礦石的處理?xiàng)l件，一方面根據(jù)氧化鋁的礦物結(jié)構(gòu)和水合度，另一方面根據(jù)礬土中的雜質(zhì)，尤其是硅石、氧化鐵、氧化鈦等的特性及其含量的不同，而有所不同。
因此，對(duì)于含一水合態(tài)的氧化鋁的鋁土礦〔如勃姆石(一水軟鋁石)，一水硬鋁石〕在循環(huán)拜耳法中是在200℃的高溫下處理，而含三水合態(tài)的氧化鋁礦石，如三水鋁礦，一般是在100℃至170℃之間的較低溫度下處理。實(shí)際上，含三水合態(tài)的氧化鋁鋁土礦很容易利用鋁酸鈉溶液(拜耳液)來(lái)加以浸取。
浸取可溶性的氧化鋁，也即三水合態(tài)的氧化鋁時(shí)，如果很好地控制某些雜質(zhì)，如硅石的不利影響，則其浸取收率一般可達(dá)到95%。
事實(shí)上，鋁土礦中所含的硅石是以多種礦物形態(tài)出現(xiàn)的，它們?cè)跉溲趸c中的溶解程度也是各不相等的。某些形態(tài)的礦石，如高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)是分布最廣的礦石能同鋁土礦中的三水鋁礦同時(shí)進(jìn)行溶解。
鋁土礦中的這類可溶性硅石組份統(tǒng)稱為“反應(yīng)性硅石”，通常在鋁土礦中的含量，以SiO2計(jì)，約為干鋁土礦重量的0.5至7%。在堿性溶液存在下，反應(yīng)性硅石首先溶解，然后又沉淀成稍微具有溶解性的硅鋁酸鈉沉淀。
堿液中溶解硅石的濃度，是由長(zhǎng)時(shí)間后硅鋁酸鈉的平衡溶解度所決定的。工業(yè)上處理三水鋁土礦時(shí)，達(dá)到硅鋁酸鈉的平衡溶解度是個(gè)例外。一般情況下，堿液中的硅石濃度很高，要比硅鋁酸鈉的平衡溶解度高得多。因此，這一濃度是同時(shí)同硅鋁酸鈉的平衡溶解度和硅鋁酸鈉的沉淀動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的。鋁土礦中的反應(yīng)性硅石含量少，沉淀動(dòng)力學(xué)速度也就較慢，因?yàn)橐诔霈F(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物的情況下才能促發(fā)硅鋁酸鈉的沉淀反應(yīng)。
在拜耳法中，鋁土礦處理后的富氧化鋁溶液中的硅石濃度是一個(gè)很重要的因素，因?yàn)槠淞考?jí)決定了反應(yīng)液的濃度，同時(shí)也決定了氧化鋁產(chǎn)品中的硅雜質(zhì)含量。因此在處理鋁土礦以浸取氧化鋁的過(guò)程中，往往結(jié)合采用一個(gè)稱為“脫硅”的過(guò)程，其目的在于降低堿性反應(yīng)液中硅石的含量以及氧化鋁產(chǎn)品中硅雜質(zhì)的含量。
這一“脫硅”過(guò)程一般是同鋁土礦反應(yīng)過(guò)程一起進(jìn)行的，或者在這一過(guò)程之前或之后以另一操作過(guò)程進(jìn)行(美國(guó)專利341307和4426363)。
“脫硅”過(guò)程中部份地或全部地利用拜耳法中的貧反應(yīng)液，其中含苛性氧化鈉Na2O的濃度在100至200克/升之間，處理溫度在80℃至200℃之間。這要根據(jù)所處理鋁土礦的特性而定。對(duì)于含有2.5%以上的反應(yīng)性硅石的鋁土礦，可以獲得令人滿意的脫硅效果。
與此相反，以前的工藝技術(shù)在低溫或中溫下處理反應(yīng)性硅石含量低于此一界限的三水鋁土礦時(shí)，就必需讓鋁土礦同堿液接觸極長(zhǎng)的時(shí)間。這可由本申請(qǐng)中的下列一些對(duì)比例子得到應(yīng)征。
例 1在低溫下進(jìn)行浸取處理反應(yīng)，隨后進(jìn)行脫硅。應(yīng)用下列以乾鋁土礦重量百分比表示的三水鋁土礦Al2O351.3%總SiO23.8%反應(yīng)性SiO22.8%利用每升含140克苛性Na2O的溶液在107℃下反應(yīng)1小時(shí)30分鐘，每噸鋁土礦用6.5米3反應(yīng)液。反應(yīng)后，在104℃下進(jìn)行脫硅作用六小時(shí)。
此時(shí)Rp＝1.06Rp是溶液中Al2O3濃度同苛性Na2O濃度的比值(重量)，而溶液中硅石的濃度同苛性鈉的濃度比值為0.64%。
溶液中SiO2的濃度同溶液中苛性Na2O的濃度比值可用以鑒別拜耳循環(huán)中各個(gè)反應(yīng)階段的溶解的硅石含量，該含量值不隨溶液中苛性Na2O的濃度變化，以克/升表示。在這一例中，0.64%的含量可保證氧化鋁產(chǎn)品(Al2O3)中硅的含量低于100ppm，這是用于生產(chǎn)金屬鋁時(shí)一般可以接受的標(biāo)準(zhǔn)上限。
例 2在中溫下同時(shí)反應(yīng)和脫硅。采用與例1相同的三水鋁土礦。
利用每升含150克苛性Na2O的溶液，在145℃下反應(yīng)和脫硅1小時(shí)30分鐘，溶液的用量比與例1相同。
此時(shí)Rp＝1.21。
溶解硅石的濃度同苛性Na2O液的濃度比例為0.62%。
下面的一些例子中采用含反應(yīng)性硅石少得多的鋁土礦。在這種情況下，要達(dá)到脫硅的有效結(jié)果需要極長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，這需要大大增加脫硅車間的投資。
例 3在低溫下反應(yīng)隨后進(jìn)行脫硅。采用的鋁土礦組成為Al2O3＝47.5%;反應(yīng)性SiO2＝1.0%。利用每升含200克苛性Na2O的溶液在107℃下反應(yīng)2小時(shí)，每噸鋁土礦采用6.5米3反應(yīng)液。將溶液稀釋到每升含140克苛性Na2O，并在104℃下脫硅20小時(shí)。
此時(shí)Rp＝1.05。
溶解SiO2的濃度同苛性Na2O濃度的比值為0.63%。在這一例中，同例1相比較如收率和質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，如要保證同一的產(chǎn)量，裝置的容量就得是例1裝置的三倍。
例 4在中溫下反應(yīng)同時(shí)脫硅。采用同例3一樣的鋁土礦組成和相同的鋁土礦/反應(yīng)液用量比。利用每升含150克苛性Na2O的溶液，在140℃下反應(yīng)和脫硅3小時(shí)。
此時(shí)Rp＝1.14;
而溶解硅石同苛性Na2O的濃度比值為0.64%。
同例2相比較，為了達(dá)到相等的產(chǎn)量，裝置的容量必需兩倍于例2裝置的容量;另外，還有反應(yīng)的生產(chǎn)率下降，因?yàn)镽p從1.21降到1.14。這一下降應(yīng)歸因于反應(yīng)性硅石的百分比比較小，需要增加脫硅作用的時(shí)間。
例 5低溫下脫硅然后在中溫下反應(yīng)。采用同例3和例4一樣的三水鋁土礦。
脫硅按照1噸鋁土礦采用1.5米3懸浮液于100℃下脫硅6小時(shí)，懸浮液每升含150克苛性Na2O。
反應(yīng)按每噸鋁土礦采用4米3懸浮液，將鋁土礦懸浮在該已脫硅的溶液中，在140℃下反應(yīng)20分鐘。
此時(shí)Rp＝1.16;
而溶解硅石同Na2O苛性濃度的比值為0.62%。
本申請(qǐng)人已經(jīng)證明，如脫硅作用過(guò)程的時(shí)間延長(zhǎng)，則鋁土礦中所含的一大部份三水鋁礦會(huì)丟失掉。
這一損失，在前面的幾個(gè)例子中，約相當(dāng)于反應(yīng)中可浸取氧化鋁量的1.5至2%，這是由于其中的Al(OH)在擬用于單獨(dú)溶解三水鋁礦的反應(yīng)條件下不可溶解而沉淀出來(lái)的緣故，這種反應(yīng)也稱為反向反應(yīng)。
在對(duì)含硅石較多的鋁土礦實(shí)行脫硅的情況，這一現(xiàn)象不會(huì)明顯出現(xiàn)，無(wú)疑是因?yàn)榭s短了脫硅的延續(xù)時(shí)間。
由于有上述的各種缺點(diǎn)，本申請(qǐng)者提出了一種用于處理反應(yīng)性硅石的重量含量為鋁土礦中氧化鋁含量5%以下的三水鋁土礦的方法。這一方法遵循拜耳法，由于這一方法的促進(jìn)作用，可以使脫硅裝置的容量減少至少50%，并且可完全保持至少等于95%浸取氧化鋁的浸取收率，同時(shí)，反應(yīng)后拜耳液中的溶解SiO2的重量含量同苛性Na2O的重量含量比值低于或等于0.65%。
本發(fā)明方法是在三水鋁土礦浸取處理之前，用一種濃度為每升含40至150克苛性Na2O的氫氧化鈉堿性溶液進(jìn)行脫硅處理，其特征是該堿性溶液含有一種來(lái)自拜耳法中的洗滌水，而且至少是下列來(lái)源之一不溶解殘?jiān)南礈焖?，氫氧化鋁Al(OH)3產(chǎn)品的洗滌水，引發(fā)Al(OH)3的洗滌水，并且這一洗滌水可補(bǔ)進(jìn)或不補(bǔ)進(jìn)反應(yīng)液。
實(shí)際上已經(jīng)證明，浸取處理前的脫硅方法的有效性，就溶液中的溶解SiO2同苛性Na2O的比值而言，可使同鋁土礦接觸的溶液中苛性Na2O的濃度由一最大值轉(zhuǎn)變到介于每升40至150克之間的中間值。
從表1可以看出，溶液中苛性Na2O的濃度低時(shí)，反應(yīng)性硅石的溶解動(dòng)力學(xué)速度較慢，而溶液中苛性Na2O液的濃度高時(shí)，硅鋁酸鈉的沉淀動(dòng)力學(xué)速度又較慢，所以對(duì)于兩者來(lái)說(shuō)，該方法的效率損失是一樣的。
另一方面，從下面的表2可以證明，當(dāng)懸浮液脫硅的延續(xù)時(shí)間超過(guò)4小時(shí)，而且堿液中苛性Na2O的濃度增大時(shí)，由于發(fā)生反向反應(yīng)，所以損失了氧化鋁的浸取效率。
表 2100℃下脫硅5小時(shí)，反向反應(yīng)的效率損失Na2O液的濃度 44 77 150(克/升)脫硅后溶液的 0.55 0.69 0.95Rp效率損失 沒(méi)有檢測(cè)到 0.7 1.5(%)為了研究其他的最優(yōu)化條件參數(shù)，如溫度以及在一固定容積的溶液中加進(jìn)不同的鋁土礦量，本申請(qǐng)者進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)，表明當(dāng)提高溫度或增加鋁土礦的加入量時(shí)，脫硅的效果有明顯的改善，正如下面的表3所示。
同以后鋁土礦的浸取反應(yīng)相配合的脫硅過(guò)程的最優(yōu)化結(jié)果，一方面是在脫硅時(shí)使反應(yīng)性硅石組份溶解85%以上，最好是90%以上;另一方面，脫硅后溶液中的硅石濃度，至多是浸取反應(yīng)后對(duì)溶液所要求硅石濃度的0.9倍、在這種條件下浸取反應(yīng)的延續(xù)時(shí)間可能縮短到達(dá)到至少有95%可浸取氧化鋁溶解所需要的最短延續(xù)時(shí)間。
從這些觀測(cè)結(jié)果中可以得出結(jié)論，即除了有能明顯地減少三水鋁土礦的脫硅時(shí)間和可應(yīng)用于反應(yīng)性硅石含量低的特點(diǎn)外，還可以經(jīng)濟(jì)的方式利用一部份洗滌水作為脫硅的堿液，本發(fā)明方法的其他優(yōu)點(diǎn)，主要還有-限制了反向反應(yīng)的效率損失，-減小了拜耳法中沉淀大量硅鋁酸鈉的危險(xiǎn)，從而避免了生成污垢雜質(zhì)，-氧化鋁產(chǎn)品中硅含量低(Si＜100ppm)本發(fā)明方法及其實(shí)施，從以下的說(shuō)明和應(yīng)用實(shí)例中將能更好地加以理解。
圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖，其中按照本發(fā)明對(duì)反應(yīng)性硅石含量低的三水鋁土礦用拜耳法進(jìn)行處理。
堿液A是由一部份下列來(lái)源的洗滌水構(gòu)成，即來(lái)自6的紅泥洗滌水A1，或來(lái)自11的氫氧化鋁Al(OH)3產(chǎn)物洗滌水A2，或來(lái)自13的引發(fā)用Al(OH)3的洗滌水A3，或者是至少兩種上述的洗滌水的混合水，這些洗滌水補(bǔ)添或者不補(bǔ)添一部份反應(yīng)液B2。堿液A用于制備粉碎鋁土礦的懸浮液。洗滌水A1和(或)A2和(或)A3等有時(shí)還在蒸發(fā)器14里提濃和在提純裝置15里處理。
堿液A在粉碎機(jī)中同三水鋁土礦混合，每噸鋁土礦采用0.5至1.2米3堿液，制備懸浮液S1。離開粉碎裝置1后，懸浮液S1加熱到80至100℃之間以便在2進(jìn)行脫硅操作。懸浮液在該溫度下停留2至10小時(shí)，以便保證至少有85%的反應(yīng)性硅石轉(zhuǎn)化成不溶性硅鋁酸鈉。
從以上脫硅操作中排出的脫硅溶液S2與10分出的拜耳貧反應(yīng)液B的一部份B1在裝置3中接觸以進(jìn)行浸取反應(yīng)處理，B1液有時(shí)還在蒸發(fā)裝置14中提濃，以便調(diào)整濃度。B1的用量按懸浮液S2中所含的每噸鋁土礦約用五立方米，然后把上述混合液加熱至100至170℃之間，經(jīng)過(guò)的時(shí)間足以浸取出95%鋁土礦中所含的三水鋁石。
把上述浸取后排出的懸浮液S3冷卻，然后在裝置4中用部份補(bǔ)充洗滌水A4稀釋。
從上一操作排出的懸浮液S4在裝置5中進(jìn)行澄清，然后一部分用以供入供再循環(huán)用的拜耳法貧反應(yīng)液中，它是富集了氧化鋁的拜耳法反應(yīng)液經(jīng)過(guò)裝置7過(guò)濾后，在再循環(huán)使用前在裝置8、9和10處成為貧反應(yīng)液的;另一部分用以供入裝置6處的再循環(huán)使用的紅泥洗滌水A1中，或與A2或A3一起用以作為脫硅堿液A，或用于作稀釋液A4。
應(yīng)用舉例例1原料為含47.5%Al2O3，和含1%反應(yīng)性硅石(SiO2/Al2O3＝0.021)的三水鋁土礦脫硅每噸鋁土礦用一立方米經(jīng)浸取反應(yīng)后的洗滌殘?jiān)牡谝幌礈烨逡哼M(jìn)行粉碎，每升清液中含70克苛性Na2O和65克Al2O3。懸浮液在三個(gè)串聯(lián)的容器中加熱至100℃，經(jīng)過(guò)4小時(shí)以實(shí)現(xiàn)脫硅。脫硅結(jié)束后，溶解硅石的濃度為SiO2/Na2O＝0.3%。
浸取三水鋁礦中的氧化鋁的反應(yīng)經(jīng)過(guò)脫硅后的懸浮液同5.1立方米每升含200克苛性Na2O和120克Al2O3的溶液混合。氧化鋁的浸取是在三個(gè)串聯(lián)的容器中，并在107℃下接觸反應(yīng)1小時(shí)實(shí)現(xiàn)的。
此時(shí)Rp＝1.06浸取的氧化鋁收率為97%，浸取以后富集液中的溶解SiO2同苛性Na2O的比值為0.57%，這就可保證氧化鋁產(chǎn)品中的硅石含量低于100ppm，并可保證出現(xiàn)極少量的蒸發(fā)器污垢。
這一結(jié)果可同前述的例1和例3作比較。
例2原料同例1脫硅每噸鋁土礦用1立方米預(yù)先補(bǔ)充過(guò)反應(yīng)液的Al(OH)3產(chǎn)物洗滌水進(jìn)行粉碎，溶液中每升含76克苛性Na2O，Rp＝0.57。懸浮液在三個(gè)串聯(lián)的容器中在加熱至100℃的條件下脫硅4小時(shí)。脫硅后，溶解硅石的濃度同苛性Na2O濃度的比值為0.3%。
浸取三水鋁礦中氧化鋁的反應(yīng)混入4.95立方米每升含140克Na2O和77克Al2O3的溶液，在140℃下反應(yīng)15分鐘。
此時(shí)Rp＝1.16。
浸取的氧化鋁收率是97%，富集反應(yīng)液中溶解硅石的濃度同苛性Na2O濃度的比值為0.58%。
這一結(jié)果也可同前述的試驗(yàn)例5作比較。
權(quán)利要求
1.用含主要是以三水鋁礦形態(tài)存在的氧化鋁和含以硅酸鋁形態(tài)存在的硅石且其重量含量以SiO2計(jì)是鋁土礦重量的2.5%以下的一種鋁土礦按照拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的方法，這一方法包括首先，有一個(gè)主流程，其中有一稱為反應(yīng)液的堿液，通過(guò)一般在100°至170℃的溫度下，與該鋁土礦的反應(yīng)而富集氧化鋁，然后從中分離出反應(yīng)所產(chǎn)生的不溶性殘?jiān)?，再加以冷卻，并在此過(guò)程中引入激發(fā)沉淀的Al(OH)3引發(fā)劑，以便沉淀出含有以三水合氧化鋁形態(tài)存在的一部份氧化鋁，在分離出稱之為“氫氧化鋁產(chǎn)物”沉淀Al(OH)3和該引發(fā)劑Al(OH)3之后，這一堿液就再循環(huán)作為反應(yīng)堿液應(yīng)用，其次，有一些輔助流程，特別是引入水，單獨(dú)分別地洗滌不溶性殘?jiān)?，氫氧化鋁產(chǎn)物，氫氧化鋁引發(fā)劑，以產(chǎn)生堿液洗滌水，用于主流程中，最后，有用以調(diào)整各種洗滌水濃度的蒸發(fā)裝置，其特征包括操作步驟a)、鋁土礦與一種至少含有下列來(lái)源之一的洗滌水堿液進(jìn)行接觸不溶性殘?jiān)礈焖畾溲趸XAl(OH)3產(chǎn)物洗滌水引發(fā)用氫氧化鋁洗滌水這種堿液往往還補(bǔ)進(jìn)反應(yīng)液，同鋁土礦形成懸浮液，并進(jìn)行磨碎，b)、將磨碎之后的懸浮液加熱到約100℃，并經(jīng)歷足夠的時(shí)間，以便將鋁土礦中至少85%的硅酸鋁轉(zhuǎn)化成不溶解的硅鋁酸鈉，c)從這最后稱為脫硅的步驟中排出的懸浮液同主流程結(jié)合，通過(guò)與反應(yīng)堿液接觸足夠的時(shí)間，而使含在鋁土礦中的至少90%的三水合鋁在反應(yīng)的溫度下得以溶解。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是以硅酸鋁形態(tài)存在的SiO2含量為鋁土礦中氧化鋁含量的5%以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是與鋁土礦接觸的堿液，其濃度以苛性Na2O計(jì)，最好為每升含50至120克，而堿性洗滌液的體積用量，為每噸鋁土礦采用2.5立方米以下，最好為1.2立方米以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2和3的方法，其特征是脫硅處理的溫度是在80°至100℃之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1至4的方法，其特征是脫硅處理的持續(xù)時(shí)間足以達(dá)到至少有85%，最好是高于90%的硅酸鋁形成不溶解的硅鋁酸鈉的轉(zhuǎn)化率，而且溶液中所含的溶解硅石的濃度，例如溶解硅石同苛性Na2O的重量比值是反應(yīng)液中這同一比值的0.9倍以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的方法，其特征是脫硅的持續(xù)時(shí)間是在2至10小時(shí)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是反應(yīng)液的濃度，以苛性Na2O表示，每升含量在110至220克之間，而反應(yīng)液中溶解硅石的含量，例如溶解硅石同苛性Na2O的重量比值是在0.4%至0.7%之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1至7的方法，其特征在于脫硅后的懸浮液與反應(yīng)堿液接觸混和后，溫度在100°至160℃之間，而維持在這一溫度下的時(shí)間足以溶解含在鋁土礦中的至少95%的三水合鋁。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1至8的方法，其特征在于按溶解硅石同硅鋁酸鈉相平衡的條件，浸取反應(yīng)后懸浮液中鈉堿和氧化鋁的濃度和溫度的選擇是使溶解SiO2同苛性Na2O的比值低于或等于反應(yīng)液的這一比值的數(shù)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征在于從拜耳法循環(huán)中抽取出并全部地或部份地用以構(gòu)成與鋁土礦接觸的堿液的各種洗滌水組份可進(jìn)行提濃和(或)提純，以便除去碳酸鹽和有機(jī)物質(zhì)等不希望有的溶解性雜質(zhì)。
專利摘要
低溫下按照拜耳法處理含少量反應(yīng)性硅石的三水鋁土礦的方法，其中在浸取該鋁土礦之前利用低濃度苛性鈉溶液進(jìn)行脫硅，其特征是這一堿液由來(lái)自拜耳法循環(huán)中的一種或多種洗滌水組成，還可補(bǔ)進(jìn)或者不補(bǔ)進(jìn)浸取反應(yīng)液。反應(yīng)性硅石的重量含量最好是鋁土礦中氧化鋁含量的5％以下，而脫硅用的堿液濃度是在每升含有50至120克苛性Na
文檔編號(hào)C01F7/00GK86102989SQ86102989
公開日1986年12月17日 申請(qǐng)日期1986年4月29日
發(fā)明者簡(jiǎn)·利彼蒂特, 扎奎斯·莫迪尼 申請(qǐng)人:皮奇尼鋁公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan