貴州某高硫鋁土礦中硫和鋁的溶出行為

張祥遠，李軍旗，陳朝軼，王家偉，彭 敏

（貴州大學材料科學與冶金工程學院，貴州貴陽 550003）

我國鋁土礦資源豐富，探明儲量56億t，其中一水硬鋁石高硫型鋁土礦儲量約6億t，占總儲量的11.0%［1］。這類礦石中，以高鋁、中低硅、高硫、低－高鐵、中高鋁硅比礦石為主，主要分布在貴州務川瓦廠坪、清鎮貓場和山東淄博—棗莊等地，其中，貴州高硫鋁土礦60%以上屬于高品位鋁土礦，但平均硫質量分數在1%以上。目前，針對高硫鋁土礦利用率極低及其他一些問題，已展開了鋁、硫等溶出行為的研究［2－12］。各地鋁土礦物相組成差別較大，各因素的影響程度也不盡相同。通過正交試驗，研究了溫度等因素對硫和鋁溶出的影響，并利用回歸法確定了各因素對硫和鋁溶出的影響規律，以期為高硫鋁土礦的開發利用探尋一條切實可行的途徑。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

高硫鋁土礦取自貴州某地，機械球磨至200目以下占75%以上。采用DX-2000型X-射線衍射儀（XRD）分析物相組成，其成分和物相分析結果分別見表1，2。

表1 高硫鋁土礦的化學組成%

表2 高硫鋁土礦物相分析結果 %

礦石屬一水硬鋁石型。由于含有5%的石英，增加了礦石的有效鋁硅比，有利于鋁的溶出。硫以黃鐵礦為主，約占3.5%，對制約硫的溶出不利。銳鈦礦質量分數達5%，溶出過程需添加石灰來消除鈦對氧化鋁溶出的影響［13］。

試驗所用循環母液為中鋁貴州分公司氧化鋁廠蒸發母液，調配成相應濃度（見表3）。石灰中有效氧化鈣質量分數為90%，研磨至100目。

表3 循環母液主要成分

1.2 試驗方法

計算所需礦石質量，與一定量石灰一起攪拌后加入到XGYF-6×150高壓反應釜中，在一定苛性堿質量濃度、不同溫度、溶出時間和石灰添加量條件下考察高硫鋁土礦中硫和鋁的溶出率。每個高壓釜鋼彈加入100 m L配制好的循環母液，均進行L9（34）正交試驗。溶出結束后，取出鋼彈置于水中冷卻，過濾分離后，分析溶液中硫的質量濃度，計算硫溶出率；濾餅烘干后，分析Al2O3和SiO2的質量分數，計算鋁的相對溶出率［13］。

2 正交試驗

根據前期試驗結果直接設計正交試驗，試驗條件及結果見表4。

表4 L9（34）正交試驗條件及結果

2.1 極差分析

從表4看出：各因素對氧化鋁溶出率的影響順序為溫度＞苛性堿質量濃度＞石灰添加量＞時間，最優條件為A3B2C2D2，即溫度270℃，時間60 min，ρ（苛性堿）＝225 g／L，石灰添加量5%；各因素對硫溶出率的影響順序為溫度＞ρ（苛性堿）＞時間＞石灰添加量，最優條件為A1B1C2D3，即溫度210℃，時間40 min，ρ（苛性堿）＝225 g／L，石灰添加量10%。對硫和鋁溶出影響最大的參數為溫度，溫度升高有利于氧化鋁的溶出，但同時硫的溶出率也大幅升高。

2.2 回歸方程

根據表4進行回歸計算，鋁相對溶出率和硫溶出率的回歸計算公式分別為：

式中：A為溫度，℃；B為時間，min；C為苛性堿質量濃度，g／L；D為石灰添加量，%。擬合公式的相關系數為0.999 9，擬合性很好。

3 結果與討論

3.1 溶出溫度對η（Al）和η（S）的影響

在ρ（苛性堿）＝225 g／L、石灰添加量5%條件下反應60 min，溫度對氧化鋁和硫溶出率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 溫度對鋁和硫溶出率的影響

從圖1看出，隨溫度升高，氧化鋁溶出率升高，在270℃左右達到最高。從動力學角度分析，溫度升高，質量和熱量傳遞速度加快，反應速度加快；但溫度升高，鋁和其他雜質會同時溶出。鋁的相對溶出率已基本接近上限，升高溫度反而會降低氧化鋁的相對溶出率；而硫還未達到飽和，隨溫度升高，硫的溶出率增大。綜合考慮，可適當犧牲一定的鋁溶出率，避免硫過多地進入溶液，確定溶出溫度為270℃，此時氧化鋁相對溶出率為97.93%，硫溶出率為26.18%。

3.2 溶出時間對η（Al）和η（S）的影響

在溫度270℃、ρ（苛性堿）＝225 g／L、石灰添加量5%條件下，考察溶出時間對氧化鋁和硫溶出率的影響，結果如圖2所示。

圖2 溶出時間對氧化鋁和硫溶出率的影響

從圖2看出：溶出40 min左右時，鋁溶出率為95%以上，硫溶出率較低；隨反應時間延長，鋁溶出率僅稍有增大，而更多的硫進入溶液。綜合考慮，最佳溶出時間確定為60 min。

3.3 石灰添加量對η（Al）和η（S）的影響

在溫度270℃、ρ（苛性堿）＝225 g／L條件下反應60 min，考察石灰添加量對氧化鋁和硫溶出率的影響，結果如圖3所示。

圖3 石灰添加量對鋁和硫溶出率的影響

從圖3看出，隨石灰用量增加，氧化鋁和硫的溶出率均出現先增大后降低的趨勢。這與石灰活性有關：溶出過程中，活性好的石灰易生成羥基鈦酸鈣和鈦酸鈣，消除了二氧化鈦的不利影響；而活性低的石灰以各種鈣－鋁－硅渣形式進入赤泥，降低了鋁的相對溶出率。試驗所用石灰為新鮮石灰，活性較大，添加量較小時已獲得較高的鋁溶出率；隨石灰添加量增大，有3CaO·Al2O3·6 H2O生成消耗了溶液中的氧化鋁，故鋁溶出率有所降低；石灰添加量為5%左右時，硫溶出率開始降低，這主要是多余的石灰結合溶液中的SO2－4形成水合硫鋁酸鈣，使溶液中SO2－4濃度降低所致。綜合考慮，石灰添加量確定為5%。

3.4 苛性堿質量濃度對η（Al）和η（S）的影響

在溫度270℃、石灰添加量5%條件下反應60 min，考察苛性堿質量濃度對氧化鋁和硫溶出率的影響，結果如圖4所示?？梢钥闯觯弘S苛性堿質量濃度增大，氧化鋁溶出率先增大后降低，而硫持續降低。這是由于堿濃度較高時，氧化鋁的溶出率也較高，其在溶出液中的濃度較大；而硫在礦石中主要以黃鐵礦形式存在，黃鐵礦在高壓溶出過程中形成可溶、介穩或穩定的二、三價羥基硫化物的復合配合物，再氧化成高度分散的FeO、Fe3O4、亞硫酸鈉、硫酸鈉，故硫溶出率較高。當硫溶解到一定限度時，對鋁的溶出起抑制作用。綜合考慮，苛性堿質量濃度確定為225 g／L。

圖4 苛性堿質量濃度對鋁和硫溶出率的影響

4 結論

某高硫鋁土礦為一水硬鋁石型鋁土礦，Al2O3質量分數60.70%，S質量分數1.1%，硫主要以黃鐵礦形式存在。在高壓釜中溶出時，各因素對氧化鋁溶出率的影響順序為溫度＞ρ（苛性堿）＞石灰添加量＞時間，對硫溶出率的影響順序為溫度＞ρ（苛性堿）＞時間＞石灰添加量。獲得較高氧化鋁溶出率、較低硫溶出率的工藝條件為溫度270℃，時間60 min，苛性堿質量濃度225 g／L，石灰添加量5%。在該條件下，氧化鋁相對溶出率為97.63%，硫溶出率為26.01%。

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