聚合物對原硅酸鈣分解行為的影響

董凱偉，姜曉杰，張 爽，潘曉林，于海燕

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

我國鋁土礦資源儲量豐富，除三水鋁石占礦石儲量1.54%外，其余全部是高鋁、高硅、低鐵、難溶的一水硬鋁石，其m(Al2O3)/m(SiO2)以4～7 為主［1～2］.這種礦石由于含硅高適于采用堿石灰燒結法［3］處理.而在堿石灰燒結法得到的熟料中，約30%的β－2CaO·SiO2(β－C2S)在浸出過程中會與鋁酸鈉溶液發生二次反應［4～5］，使已經溶解的Al2O3和Na2O重新析出而損失.在二次反應中產生可溶性的硅酸鹽，致使浸出液中SiO2含量增加，造成氧化鋁生產過程的脫硅難度增大［6］.同時二次反應引起赤泥變性和赤泥膨脹，大幅度增加氧化鋁的生產成本［7～8］.

研究發現，在熟料浸出過程中向鋁酸鈉溶液中添加聚合物，可以改善其浸出性能，提高氧化鋁凈浸出率，減少二次反應的損失［9～11］.因此，本文首先合成純β－C2S，通過添加不同聚合物，研究聚合物對其在鋁酸鈉溶液中分解行為的影響，以探究聚合物抑制β－C2S分解反應的機理.

1 試驗方法

1.1 試驗原料與設備

試驗過程中使用的 CaCO3、SiO2、Na2O·Al2O3、B2O3、聚丙烯酸鈉(PAAS)、聚乙二醇(PEG)均為分析純試劑.

試驗過程中所使用的設備:箱式高溫燒結電阻爐，恒溫水浴，荷蘭PANalytical PW3040/60型X射線衍射分析儀(CuKα輻射，管電壓40 kV，管電流40 mA).

1.2 原硅酸鈣的燒結

將CaO(CaCO3煅燒得到)與SiO2按β－C2S分子式計量配料，并加入質量分數為0.5%的B2O3作穩定劑.置于聚四氟乙烯混料罐中混合12 h，裝入剛玉坩堝中在硅鉬高溫爐中于1 440℃保溫2 h，隨后隨爐冷卻至350℃取出空冷.

1.3 原硅酸鈣的浸出

原硅酸鈣浸出的條件為:鋁酸鈉溶液中氧化鋁質量濃度(AO)為110 g/L、苛性分子比(αk，Na2O與Al2O3物質的量之比)為1.3，液固比為7.5，加入質量分數為0.1%(以熟料質量計)的聚合物，浸出溫度為80℃，分解時間為60 min.

浸出完畢后將浸出料漿干過濾，濾渣用熱水洗滌并干燥保存，用X－熒光分析法(XRF)、X射線衍射(XRD)分析其固相成分.濾液采用分光光度計法分析 SiO2濃度.試驗過程中鈣硅渣(3CaO·Al2O3·XSiO2·(6－2x)H2O)和 鈉 硅 渣(Na2O·Al2O3·1.7SiO2·2H2O)生成量按如下計算公式計算:

渣中鈉硅渣的質量分數

鈣硅渣中氧化鋁質量分數

渣中β－C2S質量分數

渣中鈣硅渣的質量分數

式中:wNa2O為渣中氧化鈉質量分數;wAl為渣中氧化鋁質量分數;wCaO為渣中氧化鈣質量分數.

2 結果與討論

2.1 原硅酸鈣的制備

將燒結的原硅酸鈣棒磨后用XRD對其進行物相分析，結果如圖1所示，由圖譜可知其主要物相為β－C2S.

2.2 聚合物對原硅酸鈣分解行為的影響

2.2.1 聚合物對溶液SiO2濃度的影響

將燒結的β－C2S進行浸出試驗，其浸出結果如圖2所示，空白為未加聚合物的試驗.

由圖2可知，未加聚合物浸出試驗中浸出液的SiO2的質量濃度為1.71 g/L，而加入0.1%的聚合物后，濾液的SiO2濃度均明顯降低.當加入PAAS和PEG與PAAS按1∶1的混合液時，濾液中SiO2質量濃度最多可降低0.40g/L.由此可見，聚合物的加入能夠大大抑制β－C2S在鋁酸鈉溶液中的分解.

圖1 燒結原硅酸鈣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of sintered calcium silicate

2.2.2 聚合物對濾渣中β－C2S、鈣硅渣和鈉硅渣的影響

對浸出試驗得到的濾渣進行成分分析，其結果如表1所示.

表1 濾渣中主要化學成分(質量分數)Table 1 The main chemical compositions in the residue%

根據表1中數據按式(1)－(4)計算得到濾渣中鈉硅渣、鈣硅渣、β－C2S的含量，其結果如圖3、圖4所示.

由圖3和圖4可知，與空白相比，加入聚合物得到的濾渣中β－C2S含量有所增加，鈣硅渣含量減少，鈉硅渣含量變化不大，并且鈣硅渣含量明顯大于鈉硅渣含量.因此，PAAS和PEG與PAAS的1∶1混合物對 β－C2S分解的抑制效果要優于PEG.

圖3 聚合物對濾渣中β-C2S含量的影響Fig.3 Effects of polymers on the content of β-C2S in the residue

圖4 聚合物對濾渣中鈉硅渣、鈣硅渣質量分數的影響Fig.4 Effects of polymers on the contents of sodiumsilicon slag and calcium silica slag in the residue

2.3 聚合物對濾渣物相組成的影響

對浸出試驗得到的濾渣進行XRD物相分析，其結果如圖5所示.

由圖5可知，濾渣中主要物相為β－C2S和鈣硅渣，由于鈉硅渣含量較少，XRD未檢測出.當聚合物加入后濾渣中β－C2S的衍射峰強度有所升高，而鈣硅渣的衍射峰強度有所降低.利用Jade 6.0和Findit/ICSD軟件對所得XRD進行全譜擬合與Rietevield定量分析，其結果見表2.

圖5 濾渣的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the residues

表2 不同濾渣中Rietevield定量分析結果Table 2 The quantitative analysis results of phases in residue %

由表2可知，與空白相比，加入聚合物后，濾渣中鈣硅渣的含量有不同程度地降低，β－C2S含量有不同程度的升高，說明加入聚合物可以抑制β－C2S的分解，從而使濾渣中鈣硅渣生成量減少，與2.2.1分析一致.

2.4 聚合物抑制原硅酸鈣分解機理探討

為了進一步了解聚合物PEG與PAAS分子中的官能團與β－C2S的結合規律，探討聚合物抑制β－C2S分解的機理，對有無聚合物作用下得到的濾渣進行紅外光譜分析，結果如圖6所示.

由圖6可知，空白紅外譜圖中1 490 cm－1處為［SiO4］四面體中Si－O不對稱伸縮振動峰，840～999 cm－1的寬峰為對稱伸縮峰，840 cm－1則為彎曲振動峰，這一系列峰都是的特征峰［12］.與空白相比，添加 PEG后特征峰群沒有發生明顯的位移變化，說明聚合物PEG并未與發生強烈的化學吸附.3 490 cm－1的OH峰也沒有位置改變，認為聚合物PEG吸附作用不是通過化學鍵，而是以物理吸附包裹在β－C2S顆粒表面，形成一層大分子保護膜，阻止礦物顆粒與溶液之間的接觸，使其不能分解進入溶液中，達到抑制原硅酸鈣分解的目的.

而添加聚合物PAAS后Si－O不對稱伸縮峰由原來的 1 490 cm－1移至 1520 cm－1對稱伸縮寬峰由840～999 cm－1移至870～1 000 cm－1，且變化均在30 cm－1左右，OH峰沒有明顯變化.這是由于PAAS中的－COO基團與β－C2S層狀結構中的陽離子Ca2+發生化學吸附，形成RCOOCa配位鍵［13］，導致 Ca2+在層狀中的數量和結構發生變化，使得［SiO4］四面體中的振動峰發生位移.因此認為，聚合物PAAS與β－C2S之間發生化學吸附作用，從而阻止β－C2S的分解.

圖6 不同濾渣的紅外圖譜Fig.6 IR patterns of different residues

3 結論

(1)聚合物PAAS和PEG對β－C2S的分解有一定的抑制作用，且PAAS和PEG與PAAS的1∶1混合物的抑制效果優于PEG;

(2)聚合物PAAS和PEG可以抑制濾渣中鈣硅渣的生成，從而減少β－C2S的分解;

(3)聚合物PEG以物理吸附來抑制β－C2S的分解，而PAAS以化學吸附來抑制β－C2S的分解.

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