基于洗滌方式的高純氧化鋁高效綠色脫鈉

王 志,張 放,黃云鏡,于建國

(中鋁山東工程技術(shù)有限公司,山東 淄博 255000)

氧化鋁在工業(yè)應(yīng)用中一般作為電解制備金屬鋁的原料,隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展,氧化鋁也逐漸開發(fā)出諸多用途[1-2]。目前,利用氧化鋁高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度及良好的熱震穩(wěn)定性等優(yōu)勢,以氧化鋁為原料制備鋁基高端耐火材料、功能陶瓷結(jié)構(gòu)件、精密拋研材料和特種玻璃逐漸成為耐火材料的主流產(chǎn)品方向之一。以工業(yè)氫氧化鋁或氧化鋁在1250～1450 ℃的溫度下煅燒,就得到煅燒α-氧化鋁[3-6]。煅燒α-氧化鋁具有純度高、真比重大、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于陶瓷、電瓷、耐火材料、火花塞、剎車片、高檔澆注料、研磨拋光、化工、光學(xué)、電子等領(lǐng)域[7-10]。

現(xiàn)有氧化鋁生產(chǎn)流程由于普遍使用堿法生產(chǎn)工藝,無法滿足鋁基耐火材料對于原料中雜質(zhì)的嚴(yán)格要求,需要使用一定的方法對用于生產(chǎn)鋁基耐火材料的原料氧化鋁進(jìn)行凈化除雜[11-15]。目前,工業(yè)氧化鋁中Na2O含量一般控制不超過0.4%,為將其降低至0.1%及以下,通過在高壓反應(yīng)釜環(huán)境下,優(yōu)選二氧化碳?xì)怏w作為除雜劑,并對相關(guān)影響因素進(jìn)行單因素變量分析,探索適用于工業(yè)化生產(chǎn)的工藝條件及反應(yīng)參數(shù)。

1 工藝流程與實(shí)驗(yàn)原理

1.1 工藝流程

氧化鋁在攪洗槽打漿后經(jīng)泵送至高壓反應(yīng)釜,高壓反應(yīng)釜內(nèi)置氣體均布器,CO2經(jīng)儲罐通過氣體均布器分散至料漿中進(jìn)行反應(yīng),未完全反應(yīng)的氣體由釜頂氣相出口排出至氣液分離器進(jìn)行氣液分離,氣相經(jīng)螺桿壓縮機(jī)返回至CO2儲罐內(nèi),分離的液體返回至反應(yīng)釜中或返回至三次洗液槽中。氧化鋁在高壓反應(yīng)釜中經(jīng)四次逆流洗滌,反應(yīng)完成后固液分離,濾餅輸送至下一工序。

圖1 擬定除雜反應(yīng)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在CO2溶解過程中,溶液體系中存在以下反應(yīng):

CO2+H2OH2CO3

離子擴(kuò)散過程為除雜反應(yīng)的控制步驟,因此反應(yīng)需在急速攪拌情況下進(jìn)行。通過對比不同交換次數(shù)對除雜反應(yīng)的影響得出,隨交換次數(shù)增加,Na2O含量逐漸減小。某研究院采用1次交換,1次靜態(tài)洗滌的工藝路線進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,洗滌過程對除雜反應(yīng)影響較大,未經(jīng)過洗滌的濾餅中鈉含量差別不大,約0.2%,在2倍洗水條件下進(jìn)行洗滌效果較好。

基于前期工作,實(shí)驗(yàn)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行展開:

(1)洗滌方式對洗滌效果的影響;

(2)洗滌次數(shù)、反應(yīng)時(shí)間等因素對脫鈉效果的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

原料氧化鋁,性質(zhì)如表1所示。

表1 原料氧化鋁性質(zhì)

2.2 靜洗實(shí)驗(yàn)

(1)制取碳酸溶液:量取800 mL水加入反應(yīng)釜,通入CO2,于常溫、轉(zhuǎn)速300 rpm的條件下密封攪拌30 min,穩(wěn)定后反應(yīng)釜壓力為0.5 MPa;

(2)一組碳酸洗滌:取400 g東線氧化鋁(東線氧化鋁,也稱普通氧化鋁)于布氏漏斗中,用上述制取的碳酸溶液洗滌,抽濾后取樣檢測。重復(fù)制備、淋洗、抽濾步驟10次,每次淋洗抽濾后均取樣分析;

(3)二組碳酸洗滌:取400 g東線氧化鋁于布氏漏斗中,用上述制取碳酸溶液洗滌,抽濾后取樣檢測,濾液待用;

(4)二組碳酸濾液洗滌:另取400 g東線氧化鋁于另一布氏漏斗中,用二組碳酸洗滌所得到的濾液進(jìn)行淋洗,抽濾后取樣檢測。重復(fù)上述制備、淋洗、抽濾過程,每次抽濾后取樣檢測;

(5)一組水洗滌:取400 g東線氧化鋁于布氏漏斗中,用清水洗滌,抽濾后取樣檢測,濾液待用;

(6)二組水濾液洗滌:另取400 g東線氧化鋁于另一布氏漏斗中,用一組水洗滌所得到的濾液進(jìn)行淋洗、抽濾,取樣檢測。重復(fù)上述制備、淋洗、抽濾過程,每次抽濾后取樣檢測。

2.3 攪洗實(shí)驗(yàn)

(1)反應(yīng)時(shí)間探究實(shí)驗(yàn):取240 g 氧化鋁放置于反應(yīng)釜中,加水728 mL,制備固含300 g/L的氧化鋁料漿。通入CO2,在常溫、密閉、轉(zhuǎn)速500 rpm的條件下進(jìn)行反應(yīng),穩(wěn)定后反應(yīng)釜壓力為0.5 MPa。反應(yīng)結(jié)束后,取出料漿,置于布氏漏斗上進(jìn)行抽濾,并取15 g樣品留樣,其中,7.5 g樣品直接封裝檢測,其余7.5 g樣品用2倍洗水淋洗,抽濾后留樣封裝檢測。其余濾餅返回反應(yīng)釜,并按重量使用抽濾濾液配置成固含為300 g/L的氧化鋁料漿,重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟,取不同反應(yīng)時(shí)間的料漿檢測。

(2)換水次數(shù)探究實(shí)驗(yàn):取240 g 氧化鋁放置于反應(yīng)釜中,加水728 mL,制備固含300 g/L的氧化鋁料漿。通入CO2,在常溫、密閉、轉(zhuǎn)速500 rpm的條件下進(jìn)行反應(yīng),穩(wěn)定后反應(yīng)釜壓力為0.5 MPa,反應(yīng)時(shí)間為30 min。本次反應(yīng)結(jié)束后,取出料漿,置于布氏漏斗上進(jìn)行抽濾,取15 g樣品留樣,其中7.5 g樣品直接封裝檢測,其余7.5 g樣品用2倍洗水淋洗,過濾后留樣封裝檢測。其余濾餅返回反應(yīng)釜,并按重量使用新水配置成固含為300 g/L的氧化鋁料漿,放置于反應(yīng)釜中繼續(xù)反應(yīng)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟,考察換水次數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同靜洗方法的影響

在對東線氧化鋁進(jìn)行一組碳酸洗、二組碳酸洗、碳酸濾液洗、水洗、水濾液洗的條件下,考察溶液抽濾后取樣檢測溶液中Na2O的含量,研究不同靜洗方法下的東線氧化鋁的脫鈉效果,結(jié)果如圖2所示。

圖2 靜洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知,靜洗實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好,二組碳酸鈉靜洗實(shí)驗(yàn)在洗滌次數(shù)為3次時(shí)Na2O含量均降至0.05%。單獨(dú)用水洗滌時(shí),淋洗4次達(dá)到穩(wěn)定,此時(shí)Na2O含量可降至0.2%。

采用碳酸淋洗濾液進(jìn)行洗滌時(shí),Na2O含量在前兩次淋洗實(shí)驗(yàn)中均高于原料Na2O含量,這表明前一次洗滌的濾液中含有較高的Na+重新吸附于氧化鋁表面,造成Na2O含量的升高。在第三次洗滌中,氧化鋁表面的Na2O含量迅速下降,這是因?yàn)?①碳酸洗滌實(shí)驗(yàn)在3次洗滌時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值,此時(shí)濾液中Na2O含量較低,濾液淋洗時(shí)稀釋效果較好;②碳酸洗滌在3次洗滌時(shí)達(dá)到穩(wěn)定,此時(shí)濾液呈酸性,濾液淋洗時(shí)與氧化鈉進(jìn)行反應(yīng),使得含量降低。碳酸濾液淋洗樣在淋洗次數(shù)為5次后與水淋洗樣品曲線重合,這證明碳酸淋洗濾液在一次淋洗后碳酸含量大幅降低,濾液無法進(jìn)行中和反應(yīng),只能對氧化鋁樣品中的Na2O起到稀釋作用。由此可知,常壓敞口條件下,碳酸溶液中CO2會(huì)很快解吸,此時(shí)碳酸濾液的洗滌效果相當(dāng)于清水淋洗效果。

采用水洗濾液淋洗時(shí),前兩次洗滌Na2O含量與原料含量相近,證明此時(shí)溶液中Na2O含量與氧化鋁中Na2O含量相近,兩者達(dá)到吸附平衡。通過與碳酸濾液淋洗結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)用水淋洗后的濾液淋洗得到的氧化鋁料中Na2O含量較低,這證實(shí)了上述關(guān)于采用碳酸濾液淋洗前兩次淋洗樣Na2O含量升高的推論。

3.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

在對東線氧化鋁進(jìn)行碳酸靜洗、水洗、攪洗實(shí)驗(yàn)的不同反應(yīng)時(shí)間的條件下,考察溶液抽濾后取樣檢測溶液中Na2O的含量,研究不同反應(yīng)時(shí)間、不同洗滌方式的東線氧化鋁脫鈉效果,結(jié)果如圖3所示。

圖3 攪洗實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間對脫鈉效果的影響

由圖3可知,隨反應(yīng)時(shí)間增加,樣品Na2O含量逐漸降低,2倍洗水淋洗后樣品Na2O含量整體比淋洗前樣品中Na2O含量低0.05%左右,反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí)脫鈉效果最好,含量為0.1%。在相同的反應(yīng)時(shí)間內(nèi),換水靜洗效果優(yōu)于不換水?dāng)囅础?/p>

3.3 換水次數(shù)的影響

在對東線氧化鋁進(jìn)行碳酸靜洗、水洗、攪洗實(shí)驗(yàn)的不同換水次數(shù)的條件下,考察溶液抽濾后取樣檢測溶液中Na2O的含量,研究換水次數(shù)、不同洗滌方式的東線氧化鋁脫鈉效果,結(jié)果如圖4所示。

圖4 攪洗實(shí)驗(yàn)換水次數(shù)對脫鈉效果的影響

由圖4可知,隨換水次數(shù)的增加,樣品Na2O含量逐漸降低,最終降至0.05%。攪洗淋洗前曲線與攪洗淋洗后曲線變化規(guī)律一致,且均優(yōu)于靜洗實(shí)驗(yàn),這表明攪拌過程能夠提高離子交換速率。換水次數(shù)為3次時(shí),淋洗前與淋洗后樣品中Na2O含量曲線重合,并與靜洗實(shí)驗(yàn)曲線相重合,這表明,在3次換水之前,脫鈉過程中存在著碳酸與堿的中和反應(yīng),并置換氧化鋁中的鈉進(jìn)入溶液中,因而淋洗過程稀釋了氧化鋁表面的附著Na+,從而使得淋洗后樣品Na2O含量較低。而三次換水后,反應(yīng)釜中不再進(jìn)行中和反應(yīng),攪洗實(shí)驗(yàn)僅僅為稀釋過程,且可能殘存Na2O為晶格中的堿無法通過簡單的酸洗過程除去,因而淋洗前、淋洗后與靜洗實(shí)驗(yàn)曲線相重合。

4 結(jié) 論

靜洗實(shí)驗(yàn)中,在重復(fù)使用新碳酸溶液淋洗的條件下,靜洗實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好,洗滌三次Na2O含量降至0.05%,但無法進(jìn)一步降低;單獨(dú)用水淋洗時(shí),淋洗4次后氧化鋁中Na2O含量穩(wěn)定至0.2%;碳酸溶液中CO2在空氣中極易解吸,在5次淋洗后碳酸濾液淋洗樣品中Na2O含量曲線與水淋洗樣品含量曲線一致;溶液中Na+含量對洗滌效果影響很大,推測脫鈉過程中和反應(yīng)與稀釋均為控制步驟。

通過在高壓反應(yīng)釜的實(shí)驗(yàn),為氧化鋁除雜工藝的工藝條件及反應(yīng)參數(shù)提供了有效依據(jù),有望應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。