高純氧化鋁制備過程中鋁酸鈉溶液脫硅鐵工藝研究

賴 浚，崔 濤，和曉才，袁 野，柯 浪，徐俊毅，徐慶鑫

（昆明冶金研究院，云南 昆明 650031）

高純氧化鋁的純度通常大于99．99%且顆粒均勻粒度超細，因其具有純度高、粒度均勻細小、比表面積大、熔點高（2 015℃）、硬度大、強度高及熱穩(wěn)定好等優(yōu)良特性，被廣泛應用在航空航天、探測、醫(yī)學、電子、通信等諸多高尖端科技領域［1－5］。目前，制備高純氧化鋁的主流技術有硫酸鋁銨熱解法、碳酸鋁銨熱解法、醇鹽水解法、直接水解法等，但這些方法均存在工藝復雜、成本較高等問題［2－5］；同時，制備過程中，Na、Si、Fe、Ca等各類雜質元素的存在也會影響氧化鋁的質量：因此，研究如何有效去除高純氧化鋁制備原料中的雜質具有重要意義［3］。

雜質硅和鐵的有效脫除在制備高純氧化鋁過程中非常重要。試驗研究了堿法生產高純氧化鋁過程中鋁酸鈉溶液所含雜質硅、鐵的深度脫除，分別考察了CaO加入量、反應溫度和反應時間對鋁酸鈉溶液中硅、鐵脫除率及鋁損失率的影響。

1 試驗部分

1．1 試驗原理

鋁酸鈉溶液脫硅通常以 CaO 為脫硅劑［6－7］，在鋁酸鈉溶液中添加CaO，CaO會先與水反應生成Ca（OH）2，Ca（OH）2再與鋁酸鈉反應生成水合鋁酸鈣（即鋁酸三鈣）C3AH6，而溶液中的硅酸根離子與C3AH6反應生成更難溶于水的水化石榴石（C3ASixH6－2x），生成的水化石榴石會包裹在C3AH6表層形成沉淀析出，從而達到脫硅的目的［8－10］。其中，CaO與水反應生成氫氧化鈣時是放熱的，產生的熱有利于脫硅反應的進行，同時可生成多種活性離子。這些活性離子的生成有利于水化石榴石的生成，因此能夠達到深度脫硅之目的。脫硅反應如下：

其中，SiO2在脫硅產物3CaO·A12O3·xSiO2·（6－2x）H2O中的飽和系數以x表示（通常x為0．1～0．2）。

CaO與鋁酸鈉溶液反應生成水化石榴石的總化學反應為

同時，當溶液中有雜質鐵存在時，添加CaO后，鐵能夠部分取代水化石榴石中的鋁生成鐵鋁水化石榴石3CaO·（A1，Fe）2O3·xSiO2·（6－2x）H2O，從而有較好的除鐵效果［11－13］。

1．2 試驗原料與設備

試驗所用設備主要有恒溫水浴鍋和電子攪拌器，所用鋁酸鈉溶液是用某鋁廠生產的鋁板經氫氧化鈉溶解而得，其成分見表1。

表1 鋁酸鈉溶液成分 mg／L

1．3 試驗方法

每次試驗取300mL NaAlO2溶液，倒入置于恒溫水浴鍋中的塑料燒杯中，在一定溫度下加入一定量CaO，反應一定時間后過濾，濾渣用少量開水洗滌，濾液計量體積后分析其中鐵、硅質量濃度。試驗過程中，控制脫雜前、后溶液體積不變。

鋁酸鈉溶液中Fe、Si脫除率計算公式［13］為：

式中：ρ1（Fe）、ρ2（Fe）為脫雜前、后鋁酸鈉溶液中Fe的質量濃度，mg／L；ρ1（Si）、ρ2（Si）為脫雜前、后鋁酸鈉溶液中Si的質量濃度，mg／L。

2 試驗結果與討論

2．1 CaO加入量對硅、鐵脫除率的影響

NaAlO2溶液體積300mL，反應溫度65～70℃，反應時間2h，不同CaO用量對溶液中Si、Fe脫除率的影響試驗結果見表2。可以看出，反應溫度在65～70℃范圍內，NaAlO2溶液中加入適量CaO，能夠有效脫除溶液中的雜質硅和鐵，其中，硅脫除率隨CaO加入量增加而增大［12］，鐵脫除率隨CaO加入量增加先增大后緩慢減小。硅、鐵脫除率隨CaO加入量增加而增大，主要是基于脫硅、脫鐵反應中，CaO是主要反應物，增大反應物的量有利于促進反應向生成水化石榴石及鐵鋁水化石榴石方向進行。鐵脫除率在CaO加入量為4g／L以后緩慢減小則主要與少量鐵渣的溶解有關［13］。

CaO加入量為8g／L時，Si、Fe脫除率已分別達98．52%、91．16%，脫雜后液中雜質Si質量濃度低于0．66mg／L，雜質鐵質量濃度約為1．97 mg／L，均達預期目標。所以，綜合成本及原料實際使用率等因素，確定CaO加入量以8g／L為宜。

表2 CaO用量對硅、鐵脫除率的影響

2．2 反應溫度對硅、鐵脫除率的影響

NaAlO2溶液體積300mL，反應時間2h，CaO質量濃度為8g／L，反應溫度對鋁酸鈉溶液脫硅、鐵的影響試驗結果見表3。

表3 反應溫度對硅、鐵脫除率的影響

從表3看出：鋁酸鈉溶液中雜質Si、Fe的脫除效果均隨反應溫度升高而提高；反應溫度升高至70～75℃范圍時，脫硅率達98．88%，脫鐵率達96．42%，脫雜后液中殘余硅質量濃度降至0．5 mg／L以下，鐵質量濃度降至0．8mg／L。這主要是因為鋁酸鈉溶液中Ca（OH）2與鋁及雜質硅、鐵發(fā)生的生成復合沉淀物水化石榴石和鐵鋁水化石榴石的反應為吸熱反應，所以升高溫度有利于鋁酸鈉溶液中雜質硅、鐵的脫除，如反應（2）、（3）所示［8－10，14－15］；同時，溫度越高，溶液中離子的遷移速度越快，因而有利于加快水化石榴石和鐵鋁水化石榴石的生成；但溫度高于75℃后，溫度不再是影響脫硅反應的主導因素，因此，繼續(xù)升高溫度，溶液中Si、Fe質量濃度變化不大。

2．3 反應時間對硅、鐵脫除率的影響

NaAlO2溶液體積300mL，CaO質量濃度8 g／L，反應溫度分別為70～75℃和80～85℃，反應時間對脫硅、脫鐵反應的影響試驗結果見表4、5。

表4 反應時間對硅、鐵脫除率及鋁質量濃度的影響（反應溫度70～75℃）

表5 反應時間對硅、鐵脫除率及鋁質量濃度的影響（反應溫度80～85℃）

從表4、5看出：鋁酸鈉溶液的脫硅和脫鐵效果隨反應時間延長而明顯改善；比較而言，反應時間相同時，80～85℃條件下的脫硅和脫鐵效果均比70～75℃條件下的效果要好；80～85℃下反應1h即可達脫硅和脫鐵要求，反應2h脫硅率達98．52%、脫鐵率達98．44%，之后隨反應時間延長脫硅率趨于平緩，脫鐵率由于鐵渣的微量溶解稍有降低［13］；然而在70～75℃條件下，反應2．5h后，脫硅率和脫鐵率僅達95．26%和96．39%；與此同時，溶液中鋁質量濃度會隨反應時間延長而降低。這是由于隨反應時間延長，脫硅、脫鐵反應會增大水化石榴石和鐵鋁水化石榴石的產出量［1，10，14－15］，從而降低溶液中鋁質量濃度。為了達到較好的脫硅、脫鐵效果，同時控制溶液中鋁的損失，反應溫度以選擇80～85℃更為合理，此條件下反應時間宜選擇2h。

3 結論

在鋁酸鈉溶液中添加CaO可使雜質硅和鐵較完全反應進入水化石榴石和鐵鋁水化石榴石中，達到制備高純氧化鋁所需鋁酸鈉溶液深度除硅、鐵的目的。該法操作簡單，效果較好。試驗結果表明，CaO加入量、反應溫度和反應時間均對鋁酸鈉溶液中硅和鐵的脫除率有不同程度的影響。在CaO加入量8g／L、反應溫度80～85℃、反應時間2h條件下，鋁酸鈉溶液中雜質硅脫除率達98．52%，鐵脫除率為98．44%，且溶液中鋁的損失可得到有效控制。

［1］楊重愚．氧化鋁生產工藝學［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1993．

［2］張英，劉衛(wèi)．高純氧化鋁純化工藝的研究進展［J］．廣州化工，2014，42（14）：20－21．

［3］袁杰，于站良，陳家輝，等．高純氧化鋁粉制備研究進展［J］．材料導報：A：綜述篇，2014，28（1）：75－78．

［4］陳家輝，和曉才，袁杰，等．高純氧化鋁制備方法研究進展［J］．云南冶金，2013，42（5）：44－47．

［5］劉麗，李榮興，謝剛，等．鋁酸鈉溶液碳酸化分解制備氫氧化鋁微粉［J］．輕金屬，2014（7）：19－23．

［6］馬家玉，周建偉，姜躍華，等．鋁酸鈉溶液添加 Mg－Al水滑石脫硅的研究［J］．輕金屬，2013（7）：13－17．

［7］劉桂華，齊天貴，田侶，等．氧化鎂在鋁酸鈉溶液脫硅中的反應行為［J］．中國有色金屬學報，2013，23（7）：2055－2060．

［8］劉瑛瑛，張麗云．鋁酸鈉溶液深度脫硅［J］．輕金屬，2011（10）：17－19．

［9］李宏亮．鋁酸鈉溶液脫硅過程的研究［J］．新疆有色金屬，2012（增刊）：113－115．

［10］Whittington B I．The Chemistry of CaO and Ca（OH）2Relating to the Bayer Process［J］．Hydrometallurgy，1996，43（1／2／3）：13－35．

［11］高君麗．鋁酸鈉溶液中鐵的行為及其抑制［D］．長沙：中南大學，2007．

［12］牛飛．含硫鋁酸鈉溶液中鐵濃度的變化規(guī)律及除鐵探索［D］．長沙：中南大學，2012．

［13］和曉才，謝剛，李懷仁，等．超聲波對鹽酸脫除氧化鋁中鐵、硅的影響［J］．濕法冶金，2015，34（2）：142－145．

［14］王雅靜，王立思，張志剛，等．中高濃度鋁酸鈉溶液一段脫硅的動力學研究［J］．礦產綜合利用，2014（2）：74－76．

［15］Ma J Y，Zhai K M，Li Z B，et al．Desilication of Synthetic Bayer Liquor With Calcium Sulfate Dehydrate：Kinetics and Modeling［J］．Hydrometrallurgy，2011，107（1／2）：48－55．