电石渣烧结法从赤泥回收氧化铝

纪利春，相亚军

（1.内蒙古工业大学化工学院，内蒙古呼和浩特010062；2.内蒙古工业大学能源与动力工程学院）

电石渣烧结法从赤泥回收氧化铝

纪利春1，相亚军2

（1.内蒙古工业大学化工学院，内蒙古呼和浩特010062；2.内蒙古工业大学能源与动力工程学院）

拜耳法赤泥中含有一定数量的氧化铝，从赤泥中回收氧化铝对于节约资源、改善环境、实现可持续发展都具有重要的意义。实验以电石渣为助剂活化赤泥，并考察了活化条件和浸出条件对赤泥中氧化铝浸出率的影响。实验得到最佳活化条件：电石渣与赤泥质量比为2.5、烧成温度为1 250℃、烧成时间为120 min。最佳浸出条件：浸出温度为85℃、浸出时间为120 min、Na2CO3质量分数为8%、液固比为3.0。在此条件下，赤泥中氧化铝的浸出率高达88.1%，得到的浸出残渣是一种良好的水泥混合材料。

赤泥；浸出率；浸出；氧化铝；烧结法

赤泥是铝土矿提取氧化铝时排出的废渣，每生产1 t氧化铝可排出1～2 t赤泥［1］。据统计，2015年赤泥的存放量将达到3.5亿t左右，且每年还会以20%的速度增长。赤泥堆存量逐年大幅增长，而目前赤泥利用率仅为15%左右［2-3］。赤泥存放不仅占用大量可用土地资源，同时也耗费较多的堆场建设和维护费用，此外对环境和人体健康也产生不良的影响，因此对赤泥的综合利用正成为研究的重点。目前，氧化铝工业普遍采用拜耳法从铝矿提取氧化铝，而其废渣中仍含有16.5%～32.7%氧化铝。由于赤泥的碱含量高，不能直接用作水泥的原料或水泥的混合材料。经实验证实，采用电石渣烧结法从赤泥中回收氧化铝，溶出的残渣经过3次逆流洗涤后，碱含量可以满足水泥的原料或水泥的混合材料的要求。

1　实验部分

1.1主要原料

实验室采用拜耳法从铝土矿中提取的氧化铝废渣为原料，其主要化学成分（以质量分数计）Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO分别为 21.52%、12.56%、15.63%、30.23%，其他为 20.06%；电石渣取自内蒙古乌海PVC厂，其主要化学成分（以质量分数计）Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO分别为3.56%、1.45%、4.73%、64.46%，其他为25.80%；Na2CO3为分析纯。

1.2实验方法

1.2.1赤泥的活化

电石渣和赤泥分别经过破碎、研磨、干燥、过筛至粒径小于81.05 μm（筛余物少于5%），按石灰渣与赤泥质量比（配料比）为2.5，将石灰渣与赤泥混合均匀，放置于1 250℃的马弗炉中保温120 min，得到烧结物，经过自然冷却得到熟料。

1.2.2浸出过程

按液体的体积与固体质量比（液固比）为3.0，将熟料加入质量分数为8.0%的Na2CO3溶液中，固定于85℃水浴上，在搅拌条件下反应2h，自然冷却后真空过滤，得到铝酸钠滤液。浸出液中的Al3+含量用络合滴定法测定，由滴定过程计算出Al2O3浸出率。

2　结果与讨论

2.1赤泥的活化

如何将赤泥中的铝转变为可溶于Na2CO3溶液的铝酸盐，而硅转化为低温晶型硅酸二钙，是熟料质量好坏的关键。为了获得良好的熟料，必须通过实验对烧成条件以及配料比进行优化。

2.1.1配料比与煅烧温度对熟料浸出率的影响

1）配料比。在烧成温度为1 250℃、烧成时间为120 min的条件下，考察了配料比对赤泥中氧化铝浸出率的影响，结果见图1。由图1可见，氧化铝浸出率随着配料比增大而先增加后减少，在配料比为2.5时，氧化铝浸出率最高为88.1%。当配料比小于2.5时，此时电石渣中的氧化钙的量不足，不能使赤泥中的Al2O3完全形成易溶于碳酸钠溶液的铝酸钙；当配料比大于2.5时，由于加入的CaO太多，而多余钙又与铝酸钠和硅酸二钙相互反应生成C3A、C2AS等化合物，该类化合物在碳酸钠稀溶液中难以溶解，致使铝酸钠损失，降低了Al2O3的浸出率。因此，实验选择适宜的配料比为2.5。

2）煅烧温度。在配料比为 2.5、烧成时间为120 min的条件下，考察了煅烧温度对赤泥中氧化铝浸出率的影响，结果见图2。从图2可知，氧化铝浸出率随煅烧温度的升高先增加后减少。这是由于温度升高，增加了固体结构中质点热振动动能，提高了反应活化能，致使赤泥中的Al2O3转化为铝酸钙的能力得到增强，从而使氧化铝的浸出率增加。但是当温度大于1 250℃时，提高温度在加速铝酸钙生成的同时，也加速了可溶铝酸钙与硅酸钙和氧化钙相互作用而生成难以溶解的C2AS，造成熟料中氧化铝浸出率降低。因此，实验选择适宜的生料煅烧温度为1 250℃。

图1　配料比对氧化铝浸出率的影响

图2　烧成温度对氧化铝浸出率的影响

2.1.2烧成时间对浸出率的影响

在煅烧温度为1 250℃、配料比为2.5的条件下，考察了烧成时间对赤泥中氧化铝浸出率的影响，结果见图3。

图3　烧成时间对氧化铝浸出率的影响

由图3可知，随着烧成时间的延长，Al2O3浸出率相应增加，在120 min后，Al2O3浸出率增幅趋于平缓。这是由于相同反应温度下，烧成时间愈长则反应愈加完全。当时间大于120 min时，铝酸钙和七铝酸十二钙的生成已基本趋于完全，而时间继续延长则会大幅度增加生产过程的能耗，降低生产效率。从经济性和能量消耗方面考虑，实验选择适宜的烧成时间为120 min。

2.2熟料浸出条件的确定

为了使熟料中的氧化铝最大程度地浸出，通过实验探索对熟料中Al2O3的最佳浸出条件。

2.2.1Na2CO3浓度与浸出温度对浸出率的影响

1）Na2CO3浓度。在液固比为3.0、浸出温度为85℃、浸出时间为120 min的条件下，考察了Na2CO3浓度对氧化铝浸出率的影响，结果见图4。由图4可知，质量分数低于8%的Na2CO3溶液中，Al2O3浸出率较低，这是因为Na2CO3用量不足使铝酸钙没有完全溶解。当w（Na2CO3）＞8%时，Al2O3浸出率又开始下降，这是因为Na2CO3浓度过高，增加了浸出残渣变性产物生成Ca3Al2Si2O8（H2O）4的数量，使氧化铝的浸出率下降［5］。因此，实验选择适宜的Na2CO3质量分数为8%。

2）浸出温度。在液固比为3.0、浸出时间为120min、w（Na2CO3）=8%的条件下，考察了浸出温度对氧化铝浸出率的影响，结果见图5。由图5可见，随浸出温度的升高Al2O3浸出率先增加而后下降，当浸出温度达到85℃时，Al2O3浸出率达到最高。这主要是因为浸出反应是固液相反应，在反应过程中，温度升高而液相黏度降低，增加了分子间的碰撞，加快了浸出速度，从而加速熟料中Al2O3的浸出。温度高于85℃时，温度升高加剧了β-C2S分解，其分解过程的产物又与溶液中铝酸盐相互作用生成难溶解的Ca3Al2Si2O8（H2O）4，浸出的铝酸盐又转变为不溶物，降低了熟料中Al2O3浸出率［6］。因此，实验选择适宜的浸出温度为85℃。

图4　Na2CO3质量分数对氧化铝浸出率的影响

图5　浸出温度对氧化铝　浸出率的影响

2.2.2浸出时间与液固比对浸出率的影响

1）浸出时间。在液固比为 3.0、浸出温度为85℃、w（Na2CO3）=8%的条件下，考察了浸出时间对氧化铝浸出率的影响，结果见图6。由图6可见，浸出时间低于120 min时，Al2O3浸出率随时间的延长而增加。浸出时间为120 min时，浸出率达到最高，随后又随着浸出时间的延长而降低。这是由于反应物的完全溶解需要一定的反应时间，随着反应时间的延长，Al2O3浸出率增加，当达到最佳反应时间时，CA和C12A7反应已经趋于完成，再延长反应时间，只能是CA和C12A7在缓慢的反应过程中生成的氧化铝低于β-C2S分解而引起的二次反应所消耗掉的氧化铝，从而使浸出率降低［7］。因此，实验确定适宜的浸出时间应为120 min。

2）液固比。在浸出温度为85℃、浸出时间为120 min、w（Na2CO3）=8%的条件下，考察了液固比对氧化铝浸出率的影响，结果见图7。由图7可见，随着液固比的增大，Al2O3浸出率也相应增加，当液固比大于3.0时，氧化铝浸出率趋于平缓。这是因为液固比增大，降低了溶液中铝酸钠的浓度和液相黏度，加快了分子间的扩散速度，从而增加分子间碰撞几率，使Al2O3浸出率升高。然而，液固比过大，会使浸出液的流量增加，氧化铝质量分数降低，这给后续工序处理带来负担，同时也使制造成本增加。综合考虑，实验选择适宜的液固比为3.0。

赤泥通过电石渣烧结法回收氧化铝后，赤泥经过 3次洗涤后分析可知，残渣中仅含 2.34%的Al2O3，碱含量为0.76%（质量分数）。残渣中的碱含量符合水泥的碱含量的要求，并且残渣含有约50%的C2S，其C2S正好是硅酸盐水泥所需要的矿物质。因此，浸出残渣是一种良好的水泥的混合材料。

图6　浸出时间对氧化铝浸出率的影响

图7　液固比对氧化铝　浸出率的影响

3　结论

通过实验证实了以赤泥和电石渣为原料采用石灰石烧结法提取Al2O3工艺是可行的，同时确定了生料烧成条件和熟料浸出条件：石灰渣与赤泥的质量比为2.5、煅烧温度为1250℃、烧成时间为120min；质量分数为8%的Na2CO3溶液与熟料在液固比为3.0条件下混合后，在85℃下反应120 min，Al2O3浸出率高达 88.1%。以赤泥和电石渣为原料提取Al2O3，不仅使赤泥中的铝得到合理利用，也是实现循环经济的重要途径。

［1］路坊海.酸浸拜耳法赤泥制取聚合氯化铝铁并处理工业废水试验研究［J］.湿法冶金，2015，34（1）：79-82.

［2］梁媛，陈均宁.赤泥的危害及综合利用［J］.大众科技，2014，16（7）：33-34，40.

［3］黄迎超，王宁，万军，等.赤泥综合利用及其放射性调控技术初探［J］.矿物岩石地球化学通报，2009，28（2）：128-130.

［4］纪利春，相亚军，任根宽.酸碱联合法从低温活化煤矸石提取硅铝铁［J］.非金属矿，2014，37（3）：21-14

［5］任根宽.氧化铝生产中赤泥变性和膨胀机理的研究［J］.轻金属，2011（12）：8-11.

［6］相亚军，纪利春，任根宽.碱法提取煤矸石中氧化铝试验条件优化［J］.中国电力，2015，48（1）：64-67

［7］任根宽.二次反应对熟料中氧化铝溶出率的影响分析［J］.轻金属，2007（4）：16-18，21.

联系方式：331223839@qq.com

Alumina recovery from red mud by sintering method of carbide slag

Ji Lichun1，Xiang Yajun2
（1.College of Chemical Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010062，China；2.College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology）

A certain number of aluminum is in the red mud derived from Bayer process.It has important meaning to extract alumina from the red mud for saving resources，protecting environment，and achieving sustainable development.The conditions of calcining activation of red mud with carbide slag as assistant and extracting alumina were studied.The effects of conditions of calcining activation and leaching on the leaching rate of alumina from red mud were investigated.Experimental results showed that the optimum conditions of calcining activation were：mass ratio of carbide slag to red mud of 2.5，calcination temperature of 1 250℃，and calcination time of 120 min；the best technological conditions of leaching were as follows：under liquid-to-solid ratio of 3.0，alumina leaching efficiency of 88.1%was achieved when clinker was leached with 8%（mass fraction）of Na2CO3at 85℃for 120 min.The digestion residue could be used as a good admixture of cement.

red mud；leaching efficiency；extraction；alumina；sintering method

TQ133.1

A

1006-4990（2016）02-0068-03

2015-08-20

纪利春（1975—），女，硕士，讲师，从事固体废物综合利用。

相亚军