拜耳法中分解添加劑的研制

本文考察了五類物質(zhì)在鋁酸鈉溶液分解全過程中作為添加助劑的作用。試驗表明，單一物質(zhì)作為分解助劑，其綜合性能并不全面。而由這五類物質(zhì)按某一特定配比制成的復(fù)合體作為種分結(jié)晶助劑，具有顯著的促進微晶附聚生長，增加產(chǎn)品顆粒強度的作用。

本世紀初，我國才開始對砂狀氧化鋁生產(chǎn)工藝進行攻關(guān)。中國鋁業(yè)廣西分公司確立了在砂狀氧化鋁工藝條件下，添加國外結(jié)晶助劑來實現(xiàn)砂狀氧化鋁生產(chǎn)的新工藝。使用國外助劑嚴重制約了其在生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，適合國內(nèi)不同拜耳法工藝的分解添加劑，替代進口結(jié)晶助劑產(chǎn)品已顯迫切必要。

根據(jù)我國大多數(shù)氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)的實際情況，并模擬氧化鋁生產(chǎn)上實際條件及種分過程，筆者選擇了礦物油、天然植物油、陰離子表面活性劑、聚環(huán)氧烷類高分子化合物、非離子表面活性劑等五類物質(zhì)進行了分解添加劑的配方篩選試驗。

試驗方法

1.攪拌控溫水浴5套，控溫精度±1℃，5升燒杯5個；微量加樣器等；ECF1-10-14高溫電爐、干燥箱、MASTER SIZER-2000粒度分析儀、AAIMD-II磨損指數(shù)測定儀及粒度個數(shù)測定儀各一臺。

2.種分精液取自分解車間精液槽；晶種取自分解車間立盤過濾機。

待篩選的分解添加劑：

1#：以中等黏度礦物油類為主要活性成份。

2#：以天然植物油類為主要活性成分。

3#：以天然植物油的陰離子表面活性劑類為主要活性成分。

4#：以低碳醇封端的聚環(huán)氧烷類高分子化合物為主要活性成分。

5#：以天然油脂低碳多元醇酯非離子表面活性劑類為主要活性成分。

3.試驗條件

分解初溫：59℃

降溫制度：每10小時降2℃

分解終溫：49℃

晶種量：650g/L

表1 添加劑篩選種分試驗所用種子的理化指標

表2 添加劑對鋁酸鈉溶液分解率的影響

分解時間：50小時

攪拌速度：180-190rpm

4.試驗方法

（1）種分模擬試驗方法：定量的精液與定量的分解添加劑混勻后再加入定量的晶種進行分解實驗。過程中每10小時取樣分析，同時根據(jù)要求勻速降溫，并根據(jù)分析結(jié)果補充水。50小時后，出料、固液分離、分析溶液成分。根據(jù)要求洗滌分離出的固體（需作循環(huán)試驗晶種的不洗滌），烘干、混勻，做理化分析。

（2）氫氧化鋁燒制氧化鋁的方法：將氫氧化鋁于ECF1-10-14高溫電爐中，以4℃/分鐘的速度，升溫至440℃保溫1小時后，再以同樣的升溫速度升溫至1050℃保溫10分鐘，然后自然降溫至100℃取出，至常溫后混勻，以備理化分析。

5.分析測試方法

（1）用MASTER SIZER-2000粒度分析儀分析粒度及粒度分布。

正聊得興起，高潮突然想起下班時在地鐵站口拿到的上訪材料，猛拍一下腦門，暗罵自己一句傻逼，就急急忙忙給“詩的妾”道別：老婆，我還有工作要做，可能要鏖戰(zhàn)到雞叫頭遍，告辭了。

（2）用AAIMD-Ⅱ磨損指數(shù)測定儀，測試磨損并用磨損指數(shù)表示氫氧化鋁（AH）或氧化鋁（AO）產(chǎn)品強度。

具體方法如下：稱取50±0.1g氫氧化鋁放入孔經(jīng)分別為45μm、74μm、149μm套篩中，套篩在振篩機上篩分15分鐘后取下，稱取每個篩上的物料重量，算出≥45μm顆粒的百分含量X。

稱取物料50±0.1g，放入AAIMD-Ⅱ型磨損系數(shù)測定儀內(nèi)，在規(guī)定壓力或流量下吹15分鐘后取出，同上做粒度篩分，算出≥45μm顆粒的百分含量Y。

產(chǎn)品的磨損指數(shù)為：a%=(X-Y)/X×100

表3 1#～5#添加劑對產(chǎn)品體積平均粒徑、粒徑分布及強度的影響

表4 復(fù)合型添加劑對鋁酸鈉溶液分解率的影響

表5 單一及復(fù)合型添加劑種分試驗AO產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)指標變化對比表

試驗及討論

1.分解添加劑主要成分類型篩選

1#～5#待篩選的物質(zhì),通過種分試驗各項指標的綜合評價，篩選出對產(chǎn)品有明顯改善作用的物質(zhì)種類及組成。考察篩選種分試驗中所用種子的理化指標列于表1。

1.1在添加量為150ppm的條件下，對1#～5#添加劑進行了種分試驗，首先考察這五類物質(zhì)作為種分添加劑對鋁酸鈉溶液分解率這一前提性因素的影響，試驗結(jié)果見表2。

1.2添加量為150ppm，1#～5#添加劑種分試驗產(chǎn)品成分分析結(jié)果表明對產(chǎn)品主要化學(xué)雜質(zhì)含量及灼減均無影響。

1.3添加量為150ppm，1#～5#添加劑種分試驗中對氫氧化鋁、氧化鋁體積平均粒徑、粒徑分布及強度的影響列于表3。

由表3可知，5#較有利于改善氫氧化鋁粒經(jīng)分布；1#較有利于減少氫氧化鋁-45μm的比例；4#較有利于改善氧化鋁粒度； 2#、4#、5#有利于減少氧化鋁-45μm的比例；4#有利于減少氫氧化鋁的磨損系數(shù)； 1#、2#提高氧化鋁的強度較為有效；3#各方面性能不突出，但對降低分解率的負面作用最低。

總體上，單一物質(zhì)作為添加劑對產(chǎn)品各項指標改善不一致、不全面，一種物質(zhì)僅對某些或某項指標改善有效，對其他指標改善的效果差、甚至為副作用。作為種分添加劑，單一物質(zhì)綜合性能難以勝任。

2.添加劑的優(yōu)化試驗

根據(jù)以上分析及各類物質(zhì)對改善產(chǎn)品相應(yīng)指標的效果，再綜合考慮生產(chǎn)中“結(jié)疤現(xiàn)象”、過濾負擔(dān)及燒結(jié)蒸發(fā)量大、破損率大等問題，著重考慮1#～5#類物質(zhì)間的相互作用，按其各自表現(xiàn)特點，揚長避短，交叉配比、突出性能，有機結(jié)合，組成復(fù)合型結(jié)晶助劑6#～10#，并同樣進行篩選種分試驗，主要結(jié)果見表4～表6，并作以下討論。

復(fù)合型添加劑對產(chǎn)品中主要化學(xué)雜質(zhì)含量及灼減均無影響。

復(fù)合型添加劑對分解率的負面影響低，6#、7#基本無影響。

分析表7可知，6#復(fù)合型添加劑有最強的附聚效果，D[4,3]增量最大，為3.954μm。就實際生產(chǎn)而言，粒度分布體現(xiàn)出明顯的附聚效果是種分工藝中最關(guān)鍵的、最需要改進的參數(shù)；同時，6#對減少-45μm比例的作用也是最好的；6#提高顆粒強度的作用比10#差一些，但6#基本不影響分解率、附聚效果好、尤其是減少-45μm比例的作用要比10#強得多（10#-45μm反而增加）。綜合考慮，無疑應(yīng)首先選擇6#，在進一步模擬工業(yè)生產(chǎn)工藝的種分試驗中考察其實際效果。

表6 復(fù)合型添加劑對產(chǎn)品體積平均粒徑、粒徑分布及強度的影響

圖1 分解率ηA（%）隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢

圖2 晶種粒度D[4,3]（μA）隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢

2.添加劑種分循環(huán)試驗

將空白及6#添加劑模擬生產(chǎn)條件進行循環(huán)種分試驗，起始晶種取自生產(chǎn)上種分旋流器溢流，精液取自精液槽，每次循環(huán)的出料做下一個循環(huán)的晶種，共十次循環(huán)，每次循環(huán)中6#添加劑添加量均為25ppm，結(jié)果見表7，并作如下討論。

（1）圖1，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白與添加劑對分解率的影響趨勢大致相同，添加劑對分解率基本無影響。

（2）圖2，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白試驗在前三個循環(huán)內(nèi)，產(chǎn)品粒度分布改善明顯，后七個循環(huán)幾乎無改善。6#對粒經(jīng)分布，在十個循環(huán)內(nèi)，有規(guī)律地保持明顯、持久的改善附聚的作用。

（3）圖3，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白試驗前四次循環(huán)，產(chǎn)品中-45μm比例下降較快，此后反而持續(xù)上升；6#至第四次循環(huán)，就下降到約18%，此后基本保持不變，說明6#不僅有良好的附聚性能，還有持續(xù)地抑制二次成核、防止細化的性能。

（4）圖4，隨循環(huán)次數(shù)增加，空白與6#對減小氧化鋁磨損指數(shù)規(guī)律相似。前七個循環(huán)應(yīng)該是一個較慢的降低過程，至后三個循環(huán)，磨損指數(shù)出現(xiàn)較快速度的下降，空白從29.54%降至25.66%、6#從26.56%降至23.40%，這與拜耳法種分過程中，小晶體先附聚成大顆粒，然后微小晶體緩慢填平較大附聚顆粒，呈現(xiàn)較規(guī)則的幾何形狀，最后形成晶格，具有較低的表面能而達到一定強度的過程相吻合。

表7 空白及6# 種分循環(huán)試驗主要指標測試數(shù)據(jù)

圖3 晶種-45μA(%)的比例隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢

圖4 氧化鋁產(chǎn)品磨損指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢

結(jié)論

本文所選的五種單一物質(zhì)，對產(chǎn)品各項指標改善綜合效果不全面、不理想，不建議以單一物質(zhì)作為種分添加劑。

同時含有礦物油類、天然植物油類、陰離子表面活性劑類、聚環(huán)氧烷高分子化合物類以及非離子表面活性劑類等類物質(zhì)為主要活性成分的6#復(fù)合型添加劑，綜合性能優(yōu)于單一物質(zhì)的添加劑，用量為25PPm，經(jīng)10次循環(huán)，不降低分解率，對提高產(chǎn)品的粒徑及強度有明顯的作用，D[4,3]上升了10.129μm、-45μm下降了13.83%、磨損指數(shù)下降了2.26%，已具備了工業(yè)試驗的可能性，其結(jié)果值得期待。