高鐵鋁土礦分步硫酸高溫浸出的性能

趙愛春，張廷安，呂國志

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.東北大學(xué) 多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點實驗室，沈陽 110819）

高鐵鋁土礦指氧化鐵質(zhì)量分數(shù)高于15%的鋁土礦［1］，在自然界中儲量大、有價元素總含量高，近年來引起國內(nèi)外氧化鋁研究者的廣泛關(guān)注.據(jù)統(tǒng)計，中國高鐵鋁土礦儲量可達15億t［2］，廣泛分布于河南、山西、廣西和貴州四省區(qū)［3－4］.世界鋁土礦資源中有近90%為高鐵三水型［5］，主要位于幾內(nèi)亞、巴西、澳大利亞、印度等國［6］.

高鐵鋁土礦中鐵與鋁存在共生現(xiàn)象，嵌布關(guān)系復(fù)雜，且都未達到工業(yè)應(yīng)用的單一鐵礦和鋁礦要求.因此，高鐵鋁土礦應(yīng)用須以同時回收鐵、鋁為基礎(chǔ)，實現(xiàn)綜合利用的第一步即鋁鐵分離.目前針對高鐵鋁土礦鋁鐵分離的研究已有不少，大致可總結(jié)為 “先選后冶”［7－9］、“先鋁后鐵”［10－12］和“先鐵后鋁”［5，13－14］.其中 “先選后冶”工藝相對簡單、成本也低，但若鐵、鋁礦物賦存關(guān)系復(fù)雜，會影響鐵鋁分離效果；“先鋁后鐵”工藝能有效回收鋁鐵，可鐵的質(zhì)量分數(shù)過高會導(dǎo)致溶出的赤泥渣量較同品位低鐵鋁土礦高；“先鐵后鋁”工藝對極難處理的鋁土礦鋁鐵分離效果好，卻有著能耗高且所用添加劑會影響后續(xù)鐵的提取等缺點.

本文采用分步酸浸綜合利用新工藝［15－16］，即依據(jù)高鐵鋁土礦中鐵和鋁在低酸體系下的浸出特異性實現(xiàn)鐵和鋁選擇性分步浸出.與常規(guī)方法相比，新工藝具有如下優(yōu)勢：①礦物中有價金屬元素綜合利用率高；②系統(tǒng)所用酸和水全部循環(huán)利用，基本達到零污染，實現(xiàn)無渣排放；③可同時獲得氧化鐵和氧化鋁制品.本文主要針對分步酸浸綜合利用工藝中第二步酸浸過程進行研究，考察液固比、溫度及質(zhì)量分數(shù)對一段浸出渣中鋁的浸出效果影響.

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗所用原料為廣西田東地區(qū)的一水鋁石礦.采用熒光光譜定性分析和化學(xué)全分析的方法對原料進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所列.并采用XRD技術(shù)對該鋁土礦進行物相分析，結(jié)果如圖1所示.

圖1 鋁土礦XRD分析Fig.1 XRD analysis of bauxite

表1 鋁土礦的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical compositions of bauxite（mass fraction） %

分析可知，廣西田東鋁土礦的主要物相組成為一水硬鋁石，其次為赤鐵礦、針鐵礦和少量的銳鈦礦與石英.其氧化鋁含量較高，達到近60%，可是其氧化鐵含量也高（在20%以上），如單純使用拜耳法，會增大物料流量，使赤泥渣量增大，且再從赤泥中提取氧化鐵，能耗較高.因此本文提出采用分步酸浸處理此種礦物.

1.2 實驗工藝

實驗所用酸主要為硫酸（對比實驗所用酸為鹽酸），濃度詳見具體實驗條件.實驗所采取工藝如圖2所示.

圖2 分步酸浸綜合利用工藝流程圖Fig.2 Comprehensive utilization process of fractional acid leaching

1.3 浸出過程實驗設(shè)備及計算

鋁土礦酸浸實驗采用的設(shè)備為KCFD2－10型高壓釜.酸浸后浸出液中鋁離子與鐵離子的濃度由美國利曼公司生產(chǎn)的Prodigy XP型全譜直讀發(fā)射光譜儀檢測.鋁、鐵浸出率的計算公式為：

式中：ηAl為鋁浸出率，%；ηFe為鐵浸出率，%；cAl為液固分離后浸出液中鋁離子濃度，g／ml；VL為液固分離后浸出液的體積，ml；m為浸出前固體物的質(zhì)量，g；cFe為液固分離后浸出液中鐵離子濃度，g／ml；wAl為浸 出 前 固體 物 中 鋁的 質(zhì) 量 分數(shù)，%；wFe為浸出前固體物中鐵的質(zhì)量分數(shù)，%.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鹽酸浸出性能

為更好地體現(xiàn)分步酸浸綜合利用工藝的優(yōu)勢，本文以鹽酸為實驗所用酸，做一組對比實驗.

在轉(zhuǎn)速為500 r／min、鹽酸體積為300 mL的條件下，綜合考察溫度、時間、液固比及鹽酸質(zhì)量分數(shù)對鋁土礦浸出性能的影響，其結(jié)果如表2所列.

從表2可以看出，當(dāng)溫度不足150℃、鹽酸的質(zhì)量分數(shù)低于30%時，鋁的浸出率隨時間和液固比變化趨勢不顯著，波動于20%左右，而鐵浸出率一直保持在90%以上.當(dāng)鹽酸的質(zhì)量分數(shù)為30%時，鋁的浸出率在50%左右.當(dāng)浸出條件變化至溫度160℃、時間120 min、液固比20∶1時，鋁浸出率也只達到78.08%.由此可知，若采用雙循環(huán)法［16］進行鹽酸浸出該一水鋁石礦，一味升高溫度或者提高酸濃度和液固比，都不能使礦物中的鋁完全有效浸出，因此研究分步酸浸綜合利用工藝更有意義.

表2 鹽酸浸出性能Table 2 Leaching performance by hydrochloric acid

2.2 低溫條件下硫酸浸出性能

在前期研究中［15］，通過考察硫酸濃度、溫度、時間以及液固比對鋁土礦中鐵與鋁的浸出性能影響，得出一段酸浸工序中廣西田東礦的最優(yōu)浸出實驗條件為時間60 min、溫度100℃、液固比5∶1、硫酸質(zhì)量分數(shù)20%.在該條件下，鐵的浸出率為98.68%，鋁的浸出率為3.02%，溶出比為32.68，可實現(xiàn)高鐵鋁土礦中鐵和鋁的良好分離.

圖3為一段酸浸工序中最優(yōu)條件所對應(yīng)的浸出渣物相分析圖.從圖中可以看出，浸出渣的主要物相為一水硬鋁石和銳鈦礦，較原礦而言，含鐵礦相在一段酸浸條件下已基本與硫酸反應(yīng)以離子形式進入到浸出液中.這與一段酸浸實驗結(jié)果鐵的浸出率為98.68%吻合，故浸出渣中無鐵相存在.

圖3 一段酸浸渣XRD分析Fig.3 XRD analysis of primary acid leaching residue

2.3 高溫條件下硫酸浸出性能

在分步酸浸綜合利用工藝中，二段酸浸工序所用原料為一段酸浸渣，由于每次產(chǎn)出酸浸渣有限，且一段浸出過程中鐵元素的浸出率已接近99%，幾乎無殘留鐵存在，故不考慮一段酸浸渣中會有殘留鐵對二段酸浸浸出液的影響.為更好考察第二步酸浸工序中溫度、液固比、質(zhì)量分數(shù)對浸出渣中鋁元素浸出效果的影響，故直接采用原礦進行相關(guān)實驗.

2.3.1 硫酸質(zhì)量分數(shù)對鋁浸出性能影響

在液固比為10∶1、時間為1 h、溫度為180℃、攪拌速度為500 r／min的條件下，考察硫酸質(zhì)量分數(shù)對一段浸出渣中鋁元素浸出性能的影響，結(jié)果如圖4所示.

從圖4可看出，隨著硫酸質(zhì)量分數(shù)升高，鋁浸出率逐漸增大，當(dāng)硫酸的質(zhì)量分數(shù)為60%時，鋁浸出率已高于95%.這是由于固體渣與硫酸進行液固反應(yīng)，產(chǎn)生的硫酸鋁溶于水進入溶液中，硫酸質(zhì)量分數(shù)越高，越利于反應(yīng)進行.但是，硫酸質(zhì)量分數(shù)升高，反應(yīng)物料密度增大，黏度隨之增大，擴散速率變小，硫酸鋁會黏附于固體微粒表面，阻止液固反應(yīng)進一步進行.只有當(dāng)產(chǎn)物硫酸鋁迅速順利脫離擴散進入到水溶液中，固體才可以再次暴露出嶄新的反應(yīng)界面，保證浸出反應(yīng)的穩(wěn)定持續(xù)，進而固體中的鋁被全部浸出.故反應(yīng)體系中必須有充分水分，而最好的方法就是將硫酸保持在適當(dāng)濃度，所以選取硫酸的質(zhì)量分數(shù)為60%.

2.3.2 浸出溫度對鋁浸出性能影響

在液固比為10∶1、時間為1 h、硫酸質(zhì)量分數(shù)為60%、攪拌速度為500 r／min的條件下，考察溫度對一段浸出渣中鋁浸出性能的影響，結(jié)果如圖5所示.

由圖5看出，隨著溫度的升高，浸出渣中鋁的浸出率在增大.這是因為溫度對固體渣的浸出反應(yīng)有著十分重要的作用.升高溫度一方面可增加化學(xué)反應(yīng)活性，提高反應(yīng)速度；另一方面也有助于溶液黏度的下降，推動傳質(zhì)過程的進行——浸出劑中的氫離子和產(chǎn)物的擴散速度加快，使得浸出劑進入礦物晶格及產(chǎn)物進入溶液都更加容易、迅速，有利于鋁的充分浸出.但當(dāng)溫度高于180℃時，鋁浸出率增長曲線趨于平緩，繼續(xù)升高溫度對鋁浸出率影響不大，同時升溫也會要求浸出設(shè)備具有更高耐腐蝕性能，因此最佳浸出溫度為180℃.

圖5 浸出溫度對鋁浸出性能的影響Fig.5 Effect of leaching temperature on leaching performance of aluminum

2.3.3 液固比對鋁浸出性能影響

在溫度為180℃、時間為1 h、硫酸質(zhì)量分數(shù)為60%、攪拌速度為500 r／min的條件下，考察液固比對一段浸出渣中鋁浸出性能的影響，結(jié)果如圖6所示.

由圖6看出，隨著液固比增大，鋁浸出率逐漸增大，當(dāng)液固比高于10∶1時，鋁浸出率曲線趨于平緩，綜合考慮最佳液固比為10∶1.

圖6 液固比對鋁浸出性能的影響Fig.6 Effect of liquid-solid ratio on leaching performance of aluminum

綜上所述，二步酸浸最佳實驗條件為時間60 min、溫度180℃、液固比10∶1、硫酸質(zhì)量分數(shù)60%，在此條件下鋁浸出率可達95.86%.

2.4 一段酸浸渣二步酸浸驗證實驗

對一段最優(yōu)酸浸條件下所得渣進行洗滌直至中性，然后烘干，在溫度180℃、時間1 h、液固比10∶1、硫酸質(zhì)量分數(shù)60%，攪拌速度500 r／min的條件下進行3組二步酸浸驗證實驗，結(jié)果如表3所列.

表3 一段渣二步酸浸鋁浸出率驗證Table 3 Verification of aluminum leaching rate of primary residue in the second step acid leaching process%

從表3可以看出，采用一段酸浸渣進行高溫硫酸浸出，鋁的浸出率也保持在95%以上，與采用原礦高溫酸浸結(jié)果基本保持一致.

3 結(jié) 論

（1）廣西田東地區(qū)高鐵鋁土礦是采用分步酸浸綜合利用工藝的最佳原料，通過此工藝可以實現(xiàn)鐵和鋁的良好分離.雙循環(huán)法不適宜處理該高鐵鋁土礦.

（2）分步酸浸綜合利用高鐵鋁土礦一段酸浸渣硫酸浸出最優(yōu)浸出條件為硫酸質(zhì)量分數(shù)60%、溫度180℃、液固比10∶1，鋁浸出率達95%以上.