鋁酸鈉溶液精制過程中助濾劑的研究

韓 威，梁 艷

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東 龍口 265713）

在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝中，最終氧化鋁產(chǎn)品中雜質(zhì)SiO2的主要來源之一就是控制過濾后進入鋁酸鈉精液中的硅，為了保證產(chǎn)品中的SiO2含量不超標，既要控制鋁酸鈉溶液的硅量指數(shù)，還要盡可能的脫除精制過程中的固體浮游物。目前國內(nèi)氧化鋁廠通常采用鋁酸鈉溶液與石灰乳反應后生成的固體顆粒作為助濾劑，加入到溶液中能夠很好地脫除浮游物，同時提高立式葉濾機的過濾效率和產(chǎn)能。

1 助濾劑的工作原理

在使用立式葉濾機進行鋁酸鈉溶液精制過程中，由于溶液中存在殘留的絮凝劑會吸附在葉濾機濾布上，從而使葉濾機的運行壓力升高，效率下降；同時細小的固體顆粒會穿過或堵塞濾布的空隙，造成鋁酸鈉精液浮游物升高、過濾效果差，進而會影響氧化鋁產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了保證葉濾機的過濾性能，產(chǎn)出符合后續(xù)工藝要求的鋁酸鈉精液。國內(nèi)外氧化鋁廠普遍采用的是在粗液精制的過程中添加助濾劑，方法為向鋁酸鈉溶液與石灰乳反應制備[1]，生成具有助濾效果的水和鋁酸三鈣，其主要的的化學反應如下：

3CaO+2NaAlO2+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

3Ca(OH)2+2NaAlO2+4H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

以上化學反應是可逆的，如果反應條件發(fā)生改變，鋁酸三鈣晶體結(jié)構(gòu)，顆粒大小及其他性質(zhì)都會發(fā)生變化。反應生成物中的水和鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3·6H2O）是一種多孔、疏松的固體顆粒，吸附在葉濾機的濾布上既可以改善濾餅的疏松程度，減少過濾過程中的阻力，同時在卸泥的過程中，濾餅的脫落也比較容易，最終能提高葉濾機的生產(chǎn)能力。

2 過濾的機理

鋁酸鈉溶液粗液的精濾過程中，濾餅的形成是由赤泥沉降槽溢流粗液中少量的固體顆粒浮游物在液體流動的作用下吸附在葉濾機的濾布表面形成的一層泥層[2]；生成的濾餅在一定壓力的作用可以進行壓縮，過濾時間與過濾面積、過濾壓力等因素的關系用經(jīng)驗公式表示如下：

其中：t:過濾時間，s；V:濾液體積，m3；μ:濾液粘度，Pa·s；W:單位體積濾液中濾餅的質(zhì)量，kg/m3；ΔP:過濾壓力，Pa；A:過濾面積，m2；Rs:濾液阻力，1/m ；Rc:濾餅阻力，m/kg。

3 制備助濾劑的影響因素

助濾劑的制備過程中，由于反應的復雜性，影響因素的多樣性，在通過長期的實驗和氧化鋁工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累分析，得出影響助濾劑制備的主要因素有以下幾個方面。

3.1 石灰的質(zhì)量

在鋁酸鈉溶液和石灰乳反應制備助濾劑前，良好的石灰乳是制備的必要條件。大多數(shù)氧化鋁廠都是通過采購石灰在工廠內(nèi)部進行石灰消化制備石灰乳，其中原材料石灰的質(zhì)量就顯得至關重要。石灰的質(zhì)量在很大程度上取決于石灰石的化學成分和石灰石煅燒的條件，其中煅燒過程中窯爐溫度、反應停留時間以及窯爐內(nèi)二氧化碳的含量等因素都將影響石灰的質(zhì)量。通常來說，活性越強的石灰比表面積越大，更加有利于生成效果好的助濾劑。

3.2 石灰乳的制備

生產(chǎn)上通常使用回轉(zhuǎn)化灰機中進行石灰乳的制備，通過向化灰機中添加熱水對石灰即CaO進行乳化，通常需要CaOf含量在180g/L左右。根據(jù)生產(chǎn)的經(jīng)驗，石灰消化溫度對助濾劑組成至關重要，直接影響助濾劑的粒度。當石灰消化的溫度超過70℃時，就會導致助濾劑的固體顆粒的尺寸變小，從而降低過濾的效率。

根據(jù)相關熱力學及強化化學反應的知識，石灰乳的制備條件為：消化溫度不高于75℃；石灰乳化反應時間需要5-10分鐘，且伴隨不停地攪拌；固體濃度保持在100-150 g/L之間，在相同的消化溫度下，過量的水用于消化會導致更小的顆粒；含有500mg/l以上硫酸鹽或亞硫酸鹽的水不適宜用于石灰消化。

3.3 助濾劑的制備

助濾劑晶體吸附在濾布上形成了具有高孔隙率的濾層；晶體的形狀和粒度分布共同決定了過濾速度。由于生成助濾劑的反應為可逆反應，且反應過程中有眾多因素的影響，現(xiàn)逐一分析制備條件對助濾劑助濾效果的影響。

（1）CaO/Al2O3的配比對助濾劑的影響.由于3CaO+2NaAlO 2+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH為可逆反應，根據(jù)助濾劑的化學分子式3CaO·Al2O3·6H2O判斷，當CaO/Al2O3的配比在3左右時，生產(chǎn)的主要產(chǎn)物為水和鋁酸三鈣；同時通過多次實驗得以驗證，當CaO/Al2O3的配比在2～3之間時，助濾劑的助濾效果最佳。

（2）堿濃度對助濾劑的影響.據(jù)相關資料，苛化反應在較低的堿濃度下易于發(fā)生。本次堿度實驗，是在控制反應時間、溫度及CaO/Al2O3的配比不變的情況下進行。圖1顯示出過濾指數(shù)隨著堿濃度的增加而提高。同時該實驗也表現(xiàn)出粒度與和過濾指數(shù)之間的關系，當堿濃度升高時，則中值粒徑提高。在鋁酸鈉溶液和石灰乳的反應過程中，鋁酸三鈣更易于在較高的堿濃度現(xiàn)生成，同時粒度也有所增大。

圖1 過濾指數(shù)與堿濃度的關系

（3）溫度對助濾劑的影響.反應溫度是化學反應的重要影響因素，在生產(chǎn)較低阻力的助濾劑的反應中也不例外。在較高的溫度下，根據(jù)熱力學相關知識，碳酸鹽更加容易轉(zhuǎn)化為過濾效果好的鋁酸三鈣，這提高了過濾效率[3]。通過大量的數(shù)據(jù)總結(jié)積累，要產(chǎn)生高度結(jié)晶的助濾劑，至少需要達到95℃（圖2）。助濾劑的粒度隨溫度的升高而增大。助濾劑粒徑較小可能是由于石灰消化溫度較高，或鋁酸三鈣顆粒生長不足所致；顆粒越粗的助濾劑過濾速度越快，一些細小的顆粒會對過濾速度產(chǎn)生負面影響。

圖2 過濾指數(shù)與反應溫度的關系

（4）反應時間的影響.往石灰乳槽按一定比列添加粗液或者精液，并停留存放一段時間，使反應能夠充分的進行有助于提高葉濾機的產(chǎn)能。碳酸鹽鋁完全轉(zhuǎn)化為化學穩(wěn)定的鋁酸三鈣至少需要2小時。綜合以上因素，助濾劑的制備需要在單獨的反應槽中進行，保證反應的時間不低于2小時，以便鋁酸三鈣能夠更好的成型，反應溫度不低于95℃，同時當反應槽中的固體含量在20～50g/L時，助濾的效果最佳。

4 助濾劑的脫硅作用

石灰乳與鋁酸鈉溶液反應主要是生成助濾劑，但石灰乳還有其附加脫硅的作用，提高鋁酸鈉精液的硅量指數(shù)，因為石灰乳和鋁酸鈉溶液中的鋁硅酸鈉反應生成水化石榴石，其作為助濾劑的一部分，最終作為卸泥濾餅送往沉降赤泥系統(tǒng)而排出，在一定程度上降低了鋁酸鈉溶液中的SiO含量。從而降低了在分解工藝中硅的析出，減少最終氧化鋁產(chǎn)品的雜質(zhì)硅含量，提高氧化鋁的質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文主要分析了在氧化鋁生產(chǎn)的粗液精制過程中，添加助濾劑來提升立式葉濾機的過濾效率，提高產(chǎn)能；分析石灰乳與鋁酸鈉溶液的反應生成助濾劑的原理，以及在制備助濾劑中石灰的質(zhì)量、石灰乳的制備及助濾劑制備過程中的各項影響因素，根據(jù)實驗分析和生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，得出石灰乳制備及助濾劑制備的條件，制成粒度最優(yōu)，過濾效果最好的助濾劑。保證過濾效果，提高過濾效率，同時可以降低鋁酸鈉溶液中硅的含量，為氧化鋁的產(chǎn)品質(zhì)量提供保證。