高鐵三水鋁石型礦的酸浸性能

趙愛春 ，張廷安 ，呂國志

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

引言

氧化鋁生產絕大多數采用拜耳法[1-2]，該法對原料鋁土礦品位要求較高[3]。對于低品位鋁土礦資源若采用拜耳法，會造成氧化鋁直接提取率低且生產設備中固含大等缺點。隨著優質鋁土礦資源逐漸被消耗殆盡，開發適用于呆滯鋁土礦資源（高鐵鋁石礦[4]和粉煤灰[5]等）的新方法已迫在眉睫[6]。

高鐵鋁石礦因其鐵和硅含量較高，鋁硅比低，不適宜采用純拜耳法處理，目前多集中采用“先鋁后鐵”、“先鐵后鋁”、“先選后冶”工藝，這些工藝或工序繁復、固含大，或能耗較高。對于該礦，酸法處理可同時提取礦物中的鐵和鋁元素。近年來，酸法生產氧化鋁工藝越來越引起人們的關注。Dmitry Valeev[7]采用高壓鹽酸浸出法從煤灰中提取鋁作為水處理的混凝劑。Rodolfo Marin Rivera[8]利用鋁土礦冶煉廢渣高壓酸浸提取稀土元素。Yunlong Zhao[9]研究了用鹽酸從混凝劑工業生產的鋁土礦反應殘渣中提取鋁。目前酸法研究雖取得了一定的進展，但處理高鐵鋁石礦時出現氧化鋁和氧化鐵同時提取率不高、鹽酸浸出液中鐵鋁分離困難以及浸出條件苛刻等問題。

針對以上問題，本文以高鐵三水鋁石礦資源提出雙循環法生產氧化鋁新工藝[10-11]。即首先采用鹽酸浸出高鐵鋁土礦中的鐵鋁兩種資源；其次采用萃取法分離鹽酸浸出液中的鐵和鋁；最后分別熱解氯化鋁和氯化鐵制備氧化鋁和氧化鐵。該法既有效綜合利用了鐵和鋁兩種資源，又實現了鐵和鋁的良好分離，同時避免了采用傳統酸法工藝中必須繼續采用堿處理氯化鋁溶液制得氫氧化鋁，后經煅燒得氧化鋁的冗長工序。本文主要對高鐵三水鋁石礦酸浸性能進行相關研究，主要考察礦石粒度、液固比、時間及溫度對礦物中鐵和鋁元素浸出效果的影響，進而確定最佳浸出條件，并就酸浸機理進行研究。

1 實驗原料

實驗所用鹽酸為分析純，所用礦物來自澳大利亞三水鋁石礦，其化學組成見表1。圖1為該礦的X射線衍射分析結果，其對應的物相組成見表2。

表1 三水鋁石礦的化學成分 /%Table 1 Chemical composition of gibbsite

圖1 原礦XRD分析Fig.1 XRD analysis of raw ore

表2 三水鋁石礦的物相成分分析 /%Table 2 Phase composition analysis of gibbsite

由分析結果可以看出，該鋁土礦的主要成分為三水鋁石，其次是針鐵礦和石英，還有銳鈦礦等。此礦石特點是鋁含量較低、鋁硅比較低（2.07）、含鐵較高，是一種典型的難處理三水鋁石礦。如果使用拜耳法進行氧化鋁溶出，其氧化鋁理論溶出率最高只能達到51.69%。該礦石是一種適合作為鋁土礦酸法浸出研究的原料。

2 實驗原理、步驟及分析方法

2.1 實驗原理

該礦物中主要成分為三水鋁石和針鐵礦，在酸浸過程中會與鹽酸發生如下反應：

2.2 實驗步驟

實驗是在KCFD2-10高壓釜中進行。根據實驗設定的浸出條件，稱好一定量的三水鋁石礦加入到反應釜的內膽中，然后按計算量加入定量的水和浸出劑，仔細用酒精棉擦拭反應釜的釜蓋后，將反應釜內膽放入釜中。然后裝好反應釜。接著打開反應釜電源開關，調整好轉速，預設溫度，到達預設溫度后，按自身實驗要求控制保溫時間，完成實驗規定時間的浸出過程。浸出結束后，通入冷卻水進行強制冷卻后，打開釜蓋取出浸出液進行后續分析研究。

2.3 分析方法

浸出后浸出液經過固液分離，固體在烘干箱烘干，研碎，取樣分析其中的Al2O3和Fe2O3含量。此部分分析實驗是在X熒光光譜儀進行。由于在浸出實驗過程中，鋁土礦中的Al2O3和Fe2O3一部分進入到浸出液中，而另一部分則是以渣的形式進入到固體中。因此，可以通過分析固體中Al2O3和Fe2O3的含量，從而折算出進入浸出液中的Al2O3和Fe2O3的含量，而得到鋁元素和鐵元素的浸出率，其計算公式如下：

式中：渣重—固液分離后的固體經烘干后的重量，g；礦石重量—稱取用于浸出實驗的礦物重量，g；A—浸出渣中Al2O3的含量，%；F—浸出渣中Fe2O3的含量，%.

3 結果與討論

3.1 礦石粒度對浸出性能的影響

溫度90℃，時間2 h，鹽酸濃度10%，鹽酸總量150 mL，配礦液固比100:7。考察粒度對礦石浸出性能的影響，實驗結果見圖2。

由圖2可以看出，礦石粒度對礦石中鋁、鐵元素浸出率均有很大影響。隨著礦石粒度的減小，鋁元素的浸出率逐漸增大。而鐵元素的浸出率整體上也呈現隨著礦石粒度的減小而增大的趨勢。這是因為鋁土礦經破碎細磨，一方面，一些玻璃體發生破裂，使得鹽酸的擴散阻力變小，容易發生反應；另一方面，鋁土礦粒度減小，比表面積增大，與鹽酸的接觸面積變大，反應速度提高。在浸出溫度為90℃、浸出時間為2 h的浸出條件下，當使用粒度為55 μm的礦石進行浸出實驗時，礦石中的鋁元素浸出率為75.26%，鐵元素的浸出率為92.23%。為提高鋁元素的浸出率，實驗選取較佳礦石粒度為55 μm的三水鋁石進行后續實驗。

圖2 礦石粒度對浸出性能的影響Fig.2 Effect of ore size on leaching performance

3.2 液固比對浸出性能的影響

浸出工藝條件為：溫度90℃，時間2 h，鹽酸濃度10%，鹽酸總量150 mL，礦石粒度55 μm?？疾觳煌汗瘫葘ΦV石浸出性能的影響，結果見圖3。

圖3 液固比對浸出性能的影響Fig.3 Effect of liquid-solid ratio on leaching performance

由圖3可以看出，在浸出溫度為90℃、浸出時間為2 h的浸出條件下，礦石中的鋁元素浸出率隨浸出液固比增大而增大，鐵元素浸出率也呈相同的增大趨勢，當浸出液固比達到100∶7以上時，鋁元素與鐵元素的浸出率略有下降。因為隨著液固比的增大，氧化鋁與鹽酸接觸機會增多，反應速率提高，鋁元素的浸出率增大。但液固比過大，會導致浸出和固液分離設備負荷增大，也會導致鹽酸的大量浪費，綜合考慮液固比控制在100∶7為宜。

3.3 時間對浸出性能的影響

液固比100∶7，礦石粒度55 μm，鹽酸濃度10%，鹽酸總量150 mL。考察浸出時間對礦石浸出性能的影響。

首先考察溫度為80℃時的礦石的浸出性能，結果見圖4（a）。由圖4（a）可以看出，隨著反應時間的延長，鋁元素和鐵元素的浸出率都逐漸增大，當時間達到120 min 之后，兩者浸出率變化不明顯。當浸出溫度為80℃，浸出時間為120 min時，鋁元素和鐵元素的浸出率分別達到54.43%和93.87%。

圖4 時間對浸出性能的影響Fig.4 Effect of time on leaching performance

其次考察溫度為90℃時礦石的浸出性能，結果見圖4（b）。由圖4（b）可以看出：隨著反應時間的延長，鋁元素的浸出率逐漸增大。在浸出溫度為90℃，浸出時間為120 min時，鋁元素和鐵元素的浸出率分別達到75.26%和92.23%。對比浸出溫度為80℃的浸出效果可以看出，浸出溫度為90℃，浸出時間為30 min比浸出溫度為80℃，浸出時間為90 min時鋁元素的浸出效果還要好。而且當浸出時間為120 min時，浸出溫度為90℃與浸出溫度為80℃浸出效果相比，鋁元素的浸出率提高達20個百分點。由此可見溫度對浸出效果影響顯著，故繼續考察溫度對礦物中鐵和鋁元素浸出率的影響。

3.4 溫度對浸出性能的影響

液固比100∶7，浸出時間2 h，礦石粒度55 μm，鹽酸濃度10%?？疾鞙囟茸兓秶?0～140℃，礦石浸出性能隨溫度變化情況，結果見圖5。

圖5 溫度對浸出性能的影響Fig.5 Effect of temperature on leaching performance

由圖5可以看出，當溫度高于100℃，礦石中鋁、鐵元素浸出率隨溫度變化不大。當溫度從100℃上升至140℃時，礦石中鋁元素浸出率從95.49%上升至97.08%，鐵元素浸出率從96.72%上升至97.78%。綜合考慮提高浸出溫度會造成設備腐蝕加劇，故較佳浸出溫度為105℃。

選取較優條件下的浸出渣進行XRD表征，見圖6。浸出渣XRD分析結果表明，浸出渣主要成分為少量未反應的三水鋁石和石英，未檢測出針鐵礦、銳鈦礦，可見鐵和鋁資源已經被有效浸出。

圖6 優化浸出條件下XRD 分析Fig.6 XRD analysis under the optimized leaching conditions

4 浸出機理研究

為了更好地研究三水鋁石礦的酸浸性能，特對三水鋁石礦中鐵和鋁浸出過程作動力學研究。

根據液-固未反應核模型反應動力學方程（如下），分別對80℃和90℃時的酸浸數據進行擬合，結果見圖7、8。

圖7 鋁浸出率與時間的數據擬合結果Fig.7 Plot of data fitting of leaching rate of Al and leaching time

式中：R-浸出率；t-浸出時間；k-化學反應速率常數。

圖8 鐵浸出率與時間的數據擬合結果Fig.8 Plot of data fitting of leaching rate of Fe and leaching time

式中：A-指前因子；

R-氣體摩爾常數，J/（mol·K）；

Ea-反應活化能，J/mol。

對上式兩邊取對數得：

由此可分別求得鋁浸出和鐵浸出反應活化能為90.28 kJ/mol和4.35 kJ/mol。

5 結論

（1）通過化學組成和物相分析得知，該低品位三水鋁石礦氧化鋁含量低，氧化硅和氧化鐵含量較高，是一種典型的鋁硅比低的高鐵鋁土礦，若采用傳統的拜耳法處理，其理論溶出率僅為51.69%。

（2）通過考察粒度、液固比、時間及溫度對礦物中有價組元浸出效果影響可知，溫度對礦物中鋁元素的浸出率影響顯著。

（3）較佳浸出條件為鹽酸濃度10%，礦石粒度55 μm，浸出液固比100∶7，時間120 min，溫度105℃，此時礦石中鋁元素浸出率達到95.49%，鐵元素的浸出率達到96.72%，浸出渣XRD分析結果表明，浸出渣主要成分為未反應的少量三水鋁石和石英，浸出過程能實現鐵和鋁資源的最大利用，大大優于拜耳法的氧化鋁理論溶出率，故“雙循環法”綜合處理低品位高鐵鋁土礦資源工藝可行。

（4）對三水鋁石礦進行酸浸動力學研究，表明鐵和鋁的浸出反應均受內擴散控制。