生态处理贫铝矾土提取氧化铝的试验研究

中国铝土矿主要以中、低品位资源为主，因 此，为保持中国氧化铝工业的可持续发展，加强对 中、低品位铝土矿的综合利用是非常必要的。目前 普遍采用 的 拜 耳 法 和 烧 结 法 从 铝 土 矿 中 提 取 氧 化 铝，由于所采用的工艺对铝的含量要求极高，一般 是铝的质量百分数小于45 % 的铝土矿都被视为废 渣而不能使用，大量废弃的低铝矿，不仅浪费了大 量的有限资源，也对环境造成巨大的压力。所以， 研究贫铝矾土的开发利用不仅能缓解富矿日益衰竭 的压力，同时也可减轻因铝矾土矿过度开采造成的 环境压力。
土———一水硬铝石形式存在。
!"# 试验方法及原理 贫铝矾土、石灰石磨细后按配比混合制团，放
入高温炉内，升温至预定温度后保温适当时间，在
炉内缓 冷 至 一 定 温 度 后 从 炉 中 取 出， 在 室 温 下 急
冷，利用熟料中大量!- C2S（2 Ca O·Si O2 ）向 "C2S 转晶这一过程中的体积膨胀，达 到 自 粉 化 目
率。所以钙硅比以2. 2 为宜。
图2 试验工艺流程图
2 结果与讨论
图4 粉体平均粒径与氧化铝提取率的关系
$"! 配料比的确定与烧成 铝矾土- 石灰石混合物料烧结过程的目的是：
一方面使铝矾土中的 al 2 O3 转变成能为碳酸钠溶液 浸出的 cl2a7 ，另一方面又需使物料中的Si O2 尽可 能完全地转化成为 c2S，以保证烧结料在冷却过程 中能自行粉化。所以混合物料中 ca O 与 Si O2 的分 子比（钙硅比），对烧结料的自粉化性能有着十分明
fe 2 O3 0. 87 0. 31
Ti O2 0. 32 0. 03
Ca O 0. 20 53. 5
MO 1. 60 0. 24
K2 O 3. 16 0. 11
Na 2 O 1. 65
LOSS 13. 91 42. 64
%
! 99. 91 98. 63
试验用铝矾土的 X 射线衍射图如图1 所示。 由衍射 图 谱 可 知， 铝 矾 土 中 的 氧 化 铝 以 高 岭
st udy on extracti on of Al u mi nu m Oxi de fro m lean Al u mi na Ore by ecol ogical disposal met hod
Lu sheng 1 ，fang Rongli 1 ，Xie Xiaobin 2
显的影响，同时也是决定 al 2 O3 提取率的关键性因 素，见图3 。
$"$ 物料粒径选择 物料的比表面积与粒径大小和级配（物料中不
同粒径的颗粒所占的百分比分布）有关。物料比表 面积增大有利于固相反应过程中的传质，从而加速 反 应。 图 5 为 烧 结 时 间（80 mi n ）和 烧 结 温 度 （l 270 C ）不变的条件下，贫铝矾土、石灰石粉料 体积平均粒径的大小与物料烧结后氧化铝提取率之 间的关系。
摘 要 探讨了原料配比、粒度以及配料烧结温度、时间等工艺因素对贫铝矾土中氧化铝的提取效率的影响。
试验研究表明，采用自粉化工艺，可获得高纯超细氧化铝粉体，具有广阔的应用前景。
关键词 贫铝矾土，氧化铝，高纯超细
中图分类号 T@ 133. 1
文献标识码 A
文章编号 1000 -6613（2003 ）04 -0391 -04
保持烧结温度为l 270 C 不变，测定不同烧结 时间下贫铝矾土中氧化铝的提取率，得到图7 所示 的关系曲线。
从图7 中可见，当烧结时间较短时，随着烧结
本试验中，制备出了纯度大于99. 9 % 、粒度 小于80 n m 的 Al（OH）3 与 Al 2 O3 粉体。
图8 、9 分别为 Al（OH）3 和 Al 2 O3 微粒的透射 电子显微镜照片，图l0 为激光粒度分析仪测定的 Al 2 O3 粉体的粒径，两种分析都显示 Al 2 O3 粉体粒 径小于80 n m。
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展
2003 年第22 卷
Si
O2
+
2 ca
O
!
!!!2
ca
O·Si
O2
（2 ）
7（3 al 2 O3·2Si O2 ）+ 68cacO3
!
!!!
3（l2ca O·7 al 2 O3 ）+ l6（2ca O·Si O2 ）+ 68cO2 " （3 ）
将自粉料加入碳酸钠溶液中，在适当温度下溶
率提高，当钙硅分子比约为2 时，提取率达到最大 值，这显然与烧结物料中物质的结合状态有关。进
一步提高钙硅分子比虽然能使烧结物料中的c2S 含 量达到最大值，但同时也将使游离的 ca O 含量增 加，随着烧结反应的进行，将使 c2S 向 c3S 转化， 影响烧 结 料 的 自 粉 化， 从 而 降 低 氧 化 铝 的 提 取 效
图3 氧化铝提取率随钙硅比的变化关系
图5 烧结温度与氧化铝提取率的关系
第3 期
陆 胜等：生态处理贫铝矾土提取氧化铝的试验研究
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可以看到，随着物料颗粒平均粒径的增大，贫 铝矾土中氧化铝的提取率下降。这是因为物料的平 均粒径越小，则其比表面积越大，烧结过程中固相 反应的接触界面增大，反应的完全程度增加，因而 氧化铝的提取率增大。此外，物料的平均粒径降低 后，反应物 Ca O 在固相反应过程中扩散迁移的距 离缩短，也使得烧结过程的固相反应加快，有利于 提高氧化铝的提取率。物料的平均粒径下降 ，加 速烧结过程固相反应另一个不容忽视的原因是物料 在机械加工过程中增大了颗粒的表面能，同时也造 成了贫铝矾土、石灰石等物料颗粒晶格或内部结构 的缺陷，不仅增大了颗粒表面与其他物质的反应倾 向和反 应 速 度， 而 且 也 提 高 了 晶 体 本 身 的 反 应 活 性，降低了固相反应的开始温度，由图5 可知，要 使氧化铝的提取率在80 % !85 % 之间，贫铝矾土、 石灰石粉料的体积平均粒径应在0. 06 !0. 07 mm （即200 !270 目）的范围内。 !"# 烧结温度及时间
12
注：杂质含量为每克 Al 20 3 中所含的量。
本工艺中产生的残渣直接用于煅烧硅酸盐水泥
熟料，需保证残渣中适当的氧化铝含量。所以，笔
者认为贫铝矾土中氧化铝的合理提取率为80 % 左 右。实验说明，配料中贫铝矾土- 石灰石的钙硅比 为2. 2 时，控制贫铝矾土、石灰石等粉料原料的体 积平均粒径在0. 04 "0. 07 mm 之间，同时使物料 的 烧 结 温 度 稳 定 在 约1 2 7 0 C 、烧 结 时 间 不 低 于
参考文献
1 李承元. ［J ］. 有色金属，1999 ，（10 ）：12 "14 2 赵玉福. ［J ］. 有色冶炼，1999 ，28（2 ）：26 "29 3 盛亚君，罗玉长. ［J ］. 轻金属，1998 ，（1 ）：8 "12 4 方荣利. ［J ］. 四川环境，1991 ，11（1 ）：42 "46 5 方荣利. ［J ］. 四川环境，1992 ，12（1 ）：57 "59
的。从上面煅烧后自粉化料的 X 射线衍射图可以 看出，铝矾 中 的 氧 化 铝 晶 相 基 本 上 已 完 全 转 化 为
C12A7（12 Ca O·7 Al 2 O3 ）。烧结过程的主要反应有：
!
CaCO3 """Ca O+ CO2 #
（1 ）
图1 贫铝矾土矿 X 射线衍射图
收稿日期 2002 -09 -17 ；修改稿日期 2002 -12 -09 。 第一作者简介 陆胜，男，27 岁，工程师，硕士，主要从事生态 环境协调材料的研究。
80 mi n ，这样，既能获得良好的自粉化料，使得贫 铝矾土中氧化铝的提取率处于一个合理的、经济的 范围，又能使整个烧结过程的操作参数与控制目标 统一。
本方法为贫铝矾土的高技术、高附加值的利用 提出了确实可行的途径。通过这种化学方法对贫铝 矾土的处理，可使贫铝矾土得到完全的综合利用， 且生产过程中实现了废弃物的零排放，不产生二次 污染，是一种环保型、清洁型、无污染的氧化铝粉 体生产工艺。该法获得的氧化铝粉体，纯度高、细 度细、白度很高，具有耐高温、耐腐蚀、高表面活 性、高的光吸收性能等许多优异的性能，可广泛应 用于 电 子、 冶 金、 精 细 陶 瓷、 复 合 材 料 等 诸 多 领 域，是一种性能优异的特种原料，因而具有广阔的 市场前景，能产生显著的经济效益和社会效益。
出、过滤，滤饼洗涤后供生产生态水泥用，溶液或
直接用于生产多品种氧化铝，或经石灰石脱硅后生
产高纯氧化铝产品。溶出主要反应为：
l2ca O·7 al 2 O3 + l2 na2cO3 + 33 -2 O !!! l4 na al（O-）4 + l2cacO3 + l0 na O-
!"# 试验的工艺流程 试验的工艺流程见图2 。
1 试验原料及试验方法
!"! 试验原料及其成分 试验所用的贫铝矾土和石灰石，分别来自四川
广元铝土矿及四川江油某石灰石矿。经物相、化学 分析，其成分（质量分数）如表1 所示。
样品名 铝矾土 石灰石
Si O2 43. 92 0. 82
Al 2O3 34. 28 1. 00
表! 试验用主要原料的化学成分的质量分数
烧结温度的变化对贫铝矾土中氧化铝提取率的 影响十分明显，关系曲线如图6 所示。
图7 Al（OH）3 透射电子显微镜照片图
时间的延长，贫铝矾土中的高岭石分解趋向完全， Cl2 A7 的生成量也逐渐增多，因而氧化铝的提取率 不断上升。经过一定的烧结时间（约80 mi n ）后，氧 化铝的提取率随时间变化十分缓慢。这说明烧结过 程的各种固相反应已经基本完成，七铝十二钙的生 成量不再增加，延长烧结时间只是使烧结过程中的 一些新生矿物的晶体长大，而不能提高氧化铝的提 取率。
2003 年第22 卷第3 期
化
工
进
展
CHEMI CAL I NDUSTRY AND ENGI NEERI NG ROGRESS
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生态处理贫铝矾土提取氧化铝的试验研究
陆 胜1 方荣利1 解晓斌2
（1 西南科技大学材料学院，绵阳 621002 ；2 重庆四维瓷业集团股份有限公司，重庆 402285 ）
超细 Al 2 O3 粉体的杂质含量小于0. l % ，其检
图8 Al 2 O3 透射电子显微镜照片
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2003 年第22 卷
图9 激光粒度分析仪测定 Al 2 0 3 粉体粒径表
测结果示于表2 中。
表2 超细 Al 2O3 粉体中的wenku.baidu.com质
杂质 含量／!g
Si 0 2
na
Ca
25
19
本试验采用煅烧自粉化浸取工艺提取贫铝矾土 中的三 氧 化 二 铝， 其 中 浸 取 渣 可 用 于 生 产 生 态 水 泥，浸液在生产过程中循环利用，实现了工艺过程 中废弃物的零排放。是贫铝矾土高附加值、低污染
综合利用的新工艺。在这一工艺过程中，氧化铝提 取是至关重要的步骤。既要通过一定的粉料制备、 烧结和浸取工序，完成一系列的物理、化学变化， 尽可能多地提取贫铝矾土中的氧化铝，又要使得残 渣具有 合 适 的 化 学 和 矿 物 组 成， 以 实 现 其 直 接 利 用。因此对影响氧化铝提取过程的诸多因素进行研 究和分析，寻求合理的工艺配方和工艺条件，提高 贫铝矾土中氧化铝的提取率，不仅具有显著的经济 效益，而且具有积极的理论意义。
3 结论
图6 烧结时间与氧化铝提取率的关系
从图6 中 可 见，固 定 烧 结 时 间 为 80 mi n 时， 贫铝矾土中氧化铝的提取率随烧结温度的升高呈上 升状态，并在大约l 270 C 达到最大值。这是因为 烧结温 度 升 高， 贫 铝 矾 土 中 高 岭 石 的 分 解 趋 向 完 全、Cl2 A7 的 生 成 反 应 加 快，氧 化 铝 的 提 取 率 增 大，但当烧结温度超过l 270 C 时，由于贫铝矾土 中部分Si O2 与石灰石分解产生的 Ca O 生成硅酸三 钙（3 Ca O·Si O2 ）数量增大，使得氧化铝的提取率反 而呈下降趋势。
图4 描述了混合物料在l 270 C 下烧结80 mi n 后，氧化铝提取率随 ca O 与Si O2 的分子比变化而 变化的情况。当钙硅比较小时，烧结过程中只有少
量的Si O2 与 ca O 生成 c2S，大量游离的Si O2 一方 面阻碍铝矾中高岭土的分解，另一方面也影响 ca O 与 al 2 O3 之间的固相反应，从而使氧化铝提取率降 低。随着混合物料中钙硅比的增大，氧化铝的提取