赤泥常規干燥工藝實驗研究

＊陳雪 何林蘭 羅登麗 鄭雪梅* 馬愛元

（1.六盤水師范學院化學與材料工程學院 貴州 553004 2.貴州省煤炭潔凈利用重點實驗室 貴州 553004）

赤泥是制鋁工藝取氧化鋁過程中產生的一種強堿性固廢物渣，其主要成分為氧化鐵，由于鐵的含量不同，赤泥外表呈紅色的泥漿狀，故稱為赤泥[1-2]。提取氧化鋁時采用的鋁土礦品位越低則會產生更多的赤泥，隨著氧化鋁工藝的發展，赤泥年產量也越來越多。然而這些固廢物沒能得到有效的回收利用和處理辦法，只能大量堆積。赤泥中含有大量的有害成分，如較高的堿度及一定量的Pb、Zn、Cd和Cr等危害性重金屬[3]，重金屬、氟、鋁、鈉等多種雜質和一些放射性微量元素。高強度的堿性隨著降水滲入土壤中，使得土壤鹽堿化，地下水體也會受到污染PH值升高，將赤泥進行脫水風化后又會造成大氣中粉塵污染。因此，大量堆積的赤泥不僅會對自然環境造成嚴重的破壞，還會直接或間接地影響人類的生產生活。

赤泥的無害化處理對氧化鋁生產企業而言已刻不容緩[4]，人們必須重視和研究赤泥的處理辦法，尋找一些變廢為寶的手段，解決赤泥的污染問題和綜合利用。赤泥除可作為原料整體利用外還可以回收赤泥中的有價金屬，隨著工業需求開采礦產資源的量越來越大，礦產資源日益匱乏，赤泥中有價金屬回收顯得更加重要。赤泥中含多種有價金屬（主要包括鐵、鋁、鈦、釩、鈧及稀土元素等）,可作為潛在資源加以回收利用[3-5]，例如赤泥中含鐵量較高常作為回收鐵的二次資源；赤泥中還含有多種可再生利用的氧化物（赤泥中含有氧化鋁、氧化鐵、氧化鈉、氧化鈣及少量的二氧化鈦、氧化鉻、氧化錳）[6-10]，這些氧化物還可以用來制作玻璃。赤泥的應用還有金屬回收、制作建筑材料、填充材料、廢氣處理、廢水處理、改良土壤等方面[11]，其中制作建筑材料為最主要的實現有效資源化的途徑，我國建筑材料需求量大，利用赤泥可以更加節省成本，同時又能降低其對環境的影響。赤泥制備水泥又是在建筑材料中的重要方向，可以以赤泥為原料制備礦渣水泥、硫酸鹽水泥、硅酸鹽水泥等。用赤泥進行廢水處理，可以實現以廢治廢，具有較好的環境和社會效益[12-13]。

未經脫水的赤泥不僅堿性較強且含水量很大，同時還具有持水特性，不易固結，很難脫除水分，基于赤泥含水量高、環境污染嚴重、直接可利用價值不高等原因，本文開展赤泥干燥實驗研究，通過實驗的開展在一定程度上為赤泥的綜合利用提供實驗指導數據。

1.實驗材料與方法

(1)實驗原料

本文以貴州某鋁廠企業堿法生產氧化鋁的過程產物“赤泥”為研究對象，這些高堿性固體廢料含水量大，且顆粒細小并含有豐富的鐵、鋁、鈦、釩等有價金屬，對含水量高的赤泥中有價金屬綜合回收處理需將水含量降到一定量，實驗物料含水量是用馬弗爐烘干，并記錄三組數據計算平均值，算出該赤泥物料的平均含水量為30.83%。

實驗所用赤泥來源于貴州省某鋁廠企業，其主要化學元素組成見表1所示。由表1可以看出本次實驗的赤泥化學元素為：Fe占41.1%，Ca占26.2%，Si占11.3%，Al占10.1%，Ti占6.02%，K占2.62%，S占0.9%。

表1 赤泥的主要化學成分

(2)實驗原料物相分析

圖1為赤泥樣品的XRD圖，根據圖中信息得出赤泥中的Fe、Ti元素主要是以Fe2O3、NaFeTiO4、Ca4Fe2Ti2O11的形式存在，且Fe2O3的衍射峰在圖譜中多而密；其次，錳主要是以MnSO4的形式存在；另外，赤泥渣中主要以堿性和中性脈石為主，主要以Ca2SiO4、Ca3Al2O6、Ca2TiO3的形式存在。

圖1 赤泥樣品XRD圖譜

(3)實驗方法

首先準備好實驗用儀器材料研磨棒、玻璃皿、坩堝，用水清洗干凈，然后放入干燥箱烘干之后取出備用。打開電子分析天平稱量三個100g赤泥樣品，在100℃電熱鼓風干燥箱中干燥至恒重，然后稱量取三個樣品的失重平均值，計算得到赤泥原料的含水率。常規干燥實驗采用馬弗爐對物料進行干燥，預定溫度調至100℃，取出稱量好的原料放入坩堝中，然后再放入箱式電阻爐中關上爐門，每隔半個小時后取出稱量重量m1，依次每間隔0.5h稱量一次記下重量m2、m3、m4、m終等等。脫水率計算公式如下：

相對含水量：

根據相同的方法測出m′水、m′′水。

平均含水量：

相對含水率：

相對脫水率：

式中：w表示物料量的初始含水率，g；

m0表示原料重量，g；

mt表示物料的實際重量，g。

2.實驗結果與分析

赤泥干燥的影響因素很多，本文主要研究物料量、時間、溫度變化對赤泥脫水率的影響，為探索赤泥干燥中脫水率的性能，實驗進行了赤泥干燥的溫升特性研究。

(1)物料量對脫水率的影響

控制干燥溫度為100℃，研究不同物料量條件下（30g、40g、50g、60g）脫水時間對赤泥脫水率的影響，結果如圖2、圖3所示。

圖2 不同物料量條件下時間對脫水率的影響

圖3 不同物料量對脫水率得影響

從圖2可以看出，不同物料量對應的脫水率不同，發現在同一干燥時間條件下，40g、50g赤泥脫水率變化相差較大，而30g、40g和50g、60g之間的脫水率變化相對較小。且隨著物料量的增加，脫水率逐漸降低。從圖中可以看出，對于30g、40g物料的赤泥，由于物料量較少，物料脫水速率相對50g、60g物料快，同時，30g、40g物料的赤泥含水在240min后基本達到最大脫水率，而50g、60g物料則需干燥到300min甚至需要更長的時間才能達到最大脫水率。

圖3顯示固定干燥溫度為100℃不變，研究脫水時間在240min水平時，不同物料量對赤泥脫水率的影響規律，圖中顯示隨著物料量逐漸增加，對應脫水率依次降低，30g物料量時脫水率為最高，達到99.75%，40g時脫水率為99.4%，50g時脫水率為85.01%，60g時脫水率為80.38%。物料量30g和40g的脫水率效果差距不是很大，所以不論從節省能耗角度和脫水效果考慮，采取物料量為40g為最佳工藝試驗物料量。

(2)溫度對脫水率的影響

控制干燥物料量相同，研究不同干燥溫度條件下（110℃、100℃、90℃、80℃、70℃）脫水時間對赤泥脫水率的影響，結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同溫度條件下時間對脫水率的影響

圖5 不同溫度對脫水率得影響

圖4展示控制赤泥物料量為40g，不同溫度（110℃、100℃、90℃、80℃、70℃）條件下不同干燥時間對赤泥相對脫水率的影響，從圖中看出溫度越高，赤泥脫水率時間就越短，干燥速度越快；溫度越低，赤泥脫水率消耗時間越長，干燥速度越慢；當時間加熱到200min時，110℃干燥速度最快，對物料量造成浪費；其他溫度的相對脫水率較為緩慢，消耗時間過長，干燥速度慢；在不同溫度下，溫度越高、干燥速度越快、干燥時間越短，脫水率與溫度成正比。

圖5研究脫水時間在240min時溫度對脫水率的影響，110℃溫度下的脫水率為99.26%；溫度為100℃時脫水率為99.4%；溫度為90℃時脫水率為66.54%；溫度問80℃時脫水率為59.83%；溫度為70℃時脫水率為37.26%。通過對比分析，在240min時，100℃與110℃時赤泥脫水率幾乎相同。從圖4可以看出：當溫度在80℃～90℃時脫水率較為緩慢；在90℃～100℃時，此時脫水率快速升高，而當溫度達到100℃時，此時脫水率可達99%，100℃～110℃之間脫水率趨于平緩。所以選擇100℃作為最佳赤泥干燥溫度為宜。

3.結論

（1）實驗研究赤泥干燥的影響因素（物料量、時間、溫度），通過研究探索發現在一定條件下赤泥脫水率與溫度成正比，與物料量成反比。通過圖標分析得到最佳的赤泥脫水率性能條件是：物料量為40g，溫度為100℃，時間在240min內時，赤泥脫水率達到99.40%。

（2）隨著近年氧化鋁工業的發展，堆積了大量的赤泥固廢物，基于赤泥含水量高、環境污染嚴重、直接可利用價值不高等原因，本文開展赤泥干燥實驗研究，通過實驗的開展在一定程度上為赤泥的綜合利用提供實驗指導數據。