三水鋁石質量評價試驗條件選擇及礦堿消耗測算

毛鵬，李林海

（1.中鋁山東工程技術有限公司，山東 淄博 255052；2.中鋁山東有限公司，山東 淄博 255052）

關鍵字：有效鋁；活性硅；微波消解； 礦耗；堿耗

前言

針對三水鋁石型鋁土礦一般采用低溫拜耳法工藝生產氧化鋁[1]，在其溶出條件下，不是全部氧化鋁和二氧化硅都參與反應，其中的鋁針鐵礦和石英硅一般不溶出。根據不同的礦石，選擇合適的試驗條件，通過微波消解的方法進行溶出試驗，同時，根據有效鋁和活性硅的測定結果，建立數學模型可用于預測低溫拜耳法氧化鋁生產過程中的礦耗、堿耗等經濟指標。

1 微波消解測定三水鋁石有效鋁和活性硅試驗條件初選

1.1 測定方法的原理

在一定溫度(壓力)下，用NaOH溶液溶出三水鋁石型鋁土礦，測其溶出液中的Al2O3，即為有效氧化鋁含量；而活性硅以兩種形式存在，即存在于溶出液中的硅和以鈉硅渣形式存在于沉淀中的硅，兩者之和是活性二氧化硅的總量。

1.2 測定方法中試驗條件的初選

參考a：美鋁測定條件，即溶出溫度143℃、溶出時間30分鐘、純苛性堿濃度Na2O,78g/l，溶液過量。活性氧化硅含量根據進入溶出赤泥中的Na2O量按方鈉石的分子式3.2Na2O·2.8Al2O3·5SiO2·XH2O計算。

參考b：樣品2.00g/10.0ml，145g/l，檢驗設備：微波消解儀Mvltiware3000，消解時間30min。[2]

1.3 測定方法中測定過程的確定

稱取1.000g樣品放入消解罐，加入20.0mL NaOH溶液，搖勻，裝入消解儀按照選定的溫度和時間進行消解。消解后用水將消解液稀釋至250mL容量瓶定容、混勻。過濾后，濾液測定Al2O3和SiO2，此Al2O3即為有效鋁，沉淀為一水軟鋁石、赤鐵礦、鋁針鐵礦、石英硅、鈉硅渣等不溶物。將沉淀洗滌至酚酞為無色，用酸抽出鈉硅渣中的Na2O并測定，以此計算硅渣中的SiO2量，將計算的SiO2量和濾液中的SiO2量相加即為活性硅的量。

2 微波消解測定方法中試驗條件的篩選與驗證

將 NaOH加入量、微波消解時間、微波消解溫度、沉淀洗滌條件、沉淀洗滌損失等作為可能影響檢測結果準確度的因素[3]，對來自三個不同礦區的三水鋁石型鋁土礦進行反復試驗，最終確認合適的測定條件。

2.1 NaOH加入量

在固定微波消解溶出溫度143℃、消解時間30min的情況下，改變NaOH（以Na2O表示）的濃度進行試驗，分析其對測定結果的影響[4]，如圖1所示。

圖1 NaOH加入量對分析結果的影響

試驗結論：αk在1.44以上溶出率基本滿足要求，αk在2.0以上溶出率趨近穩定，試驗確定Na2O濃度選擇50g/L即可。

2.2 微波消解時間

在其他條件不變的情況下，改變微波消解時間進行試驗，分析其對測定結果的影響，如圖2所示。

圖2 微波消解時間對分析結果的影響

試驗結論：微波消解溶出20min試驗結果即開始穩定，本次選擇微波消解溶出時間30min作為試驗條件（與美鋁相同）。

2.3 微波消解溫度

在其他條件不變的情況下，改變微波消解溫度進行試驗，分析其對測定結果的影響，如圖3所示。

圖3 微波消解溫度對分析結果的影響

試驗結論：微波消解溫度在120℃～150℃范圍內，對試驗結果影響不大，參照現有拜耳法生產工藝和美鋁條件，選擇消解溫度143±2℃。

2.4 沉淀洗滌條件及損失

由于本試驗從樣品溶出、過濾、洗滌、鈉硅渣沉淀中鈉的溶出，整個測定流程長，其操作過程容易對結果造成影響，因此我們對沉淀洗滌條件、沉淀洗滌是否會損失SiO2和從鈉硅渣沉淀中溶出Na2O的條件進行了一系列試驗，并將溶出Na2O后的鈉硅渣殘渣,用NaOH熔融檢測其中的SiO2量來進行驗證試驗。

用專業質量統計軟件（MINITAB）對檢測數據進行驗證：水洗沉淀測定的活性硅、鹽酸洗沉淀測定的活性硅、水洗沉淀后以鹽酸溶解沉淀測定的活性硅之間的雙樣本T檢驗表明，對鈉硅渣沉淀采用不同的洗滌方法，以及不同的溶出、檢測方式，測定活性硅的結果基本一致。單樣本T檢驗證明，這三種方式計算的總硅與化學成分分析的總硅量相等。

試驗結論：確定選用最為簡單的操作步驟：鈉硅渣用水洗滌2～3遍后，直接用稀熱鹽酸溶解，然后測定其中酸溶解的硅含量，活性硅即為溶出液和赤泥酸溶解中硅的總量。

3 三水鋁石在低溫拜耳法生產過程中的礦耗、堿耗測算

通過上述驗證試驗確定試驗條件后，通過微波消解（化學）法與油浴溶出試驗對比，驗證礦耗、堿耗等經濟指標測算結果的準確性，然后通過微波消解（化學）法預測礦耗、堿耗，并與實際生產的礦耗、堿耗進行對比，檢驗微波消解（化學）法對三水鋁石質量的評價效果。

3.1 微波消解（化學）法與模擬溶出試驗測算結果

在相同的條件下，通過微波消解（化學）法、油浴溶出試驗分別計算赤泥成分，進而測算礦耗、堿耗等指標。試驗情況見表4、表5、表6。

表1 水洗滌沉淀的影響

表2 鹽酸洗滌沉淀的影響

表3 鹽酸溶解沉淀的影響

表4 礦石成分表

表5 微波消解（化學）法測算結果

表6 油浴溶出試驗測算結果

表7 微波消解（化學）法測定結果及消耗預測

表8 實際生產測定數據表

表9 溫度對含一水軟鋁石（約7%）鋁土礦的溶出率影響

從微波消解（化學）法與油浴溶出試驗測算結果看，兩種方法測算的礦耗、堿耗、赤泥產出率、氧化鋁回收率[5]基本相符。相較而言，微波消解（化學）法測算的氧化鋁回收率更高一些，礦耗相對較低，但堿耗略高，說明微波消解氧化鋁溶出相對更徹底。

3.2 微波消解（化學）法測算礦、堿消耗與實際生產礦、堿消耗對比

通過微波消解（化學）法模擬實際生產條件預測礦、堿消耗，與實際生產跟蹤測定數據分別見表7、表8.

通過微波消解（化學）法試驗測算結果和實際生產測定數據對比表明，兩者礦耗、堿耗基本接近，但赤泥產出率和氧化鋁回收率相差較大。相較而言，微波消解（化學）法測算的氧化鋁回收率要高約1～2%，特別是含一水軟鋁石較高的礦石，回收率相差近10%。為此，采用微波消解法，對含一水軟鋁石較高的礦石進行補充試驗，研究溫度對溶出率的影響，數據見表9。

試驗表明，對于含一定量一水軟鋁石的礦石樣品，微波消解溫度對其溶出率有較大影響。當微波消解溫度在120℃時，一水軟鋁石有溶解，當消解溫度在143℃以上時，一水軟鋁石全部溶解。

4 結論

微波消解法可用于三水鋁石型鋁土礦的質量評價。采用微波消解（化學）法測定三水鋁石型鋁土礦的有效鋁和活性硅含量時，一水軟鋁石含量會對結果產生影響。

微波消解（化學）法在測定不同的三水鋁石型鋁土礦時，需要對測定條件進行驗證。與油浴溶出試驗結果相比，其數據離散度相對較大，因此，今后要通過分析對比，找到即可保證一定精密度又與油浴溶出試驗、生產實際相近的微波消解條件，同時，提高操作人員的熟練程度，加強樣品監督抽查，保證操作誤差在規定范圍之內。