硕士学位论文 第二章 实验原料、主要设备及分析方法
第二章 实验原料、主要设备及分析方法
2.1 实验原料
2.1.1 铝土矿
本论文研究中用的铝土矿来自贵州和广西，经烘干后用行星球磨机以300r/min的速度磨1h，是铝土矿磨细混匀。
经球磨后，用140目的筛子筛分，取-140目矿石。用X荧光分析其化学成分，结果如表2-1所示。
表2-1 铝土矿化学成分
贵州矿 广西矿
Al2O3/% 62.30 55.27
SiO2/% 13.78 5.18
TiO2/% 3.28 2.83
Fe2O3/% 5.29 14.35
其他/% 15.35 22.37
A/S 4.52 10.67
铝土矿的物相成分用X射线衍射仪进行分析，分析得贵州铝土矿X射线衍射图如图2-1所示，广西铝土矿X射线衍射图如图2-2所示。 20.0[080917.raw]Intensity(Counts)15.010.05.0x10^384-1285> Anatase - TiO205-0355> Diaspore - AlO(OH)07-0025> Muscovite-1M - KAl2Si3AlO10(OH)214-0164> Kaolinite-1A - Al2Si2O5(OH)471-0053> Pyrite - FeS210203040506070802-Theta(° 图2-1 贵州铝土矿XRD图谱
图2-1显示，贵州铝土矿中有价铝矿物的主要成分是一水硬铝石。杂质矿物中，含硅的物相主要是伊利石和高岭石，主要有锐钛矿，此外，铝土矿中还检测到黄铁矿的衍射峰，说明铝土矿中存在黄铁矿。据文献报道，高岭石在较低温度下（70~95℃）就可与碱液反应；而伊利石在Na2O浓度为225g/L的母液中，温
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度在180℃以上，才能明显地与溶液反应。
图2-2 广西铝土矿XRD图谱
2.1.2 循环母液
工业铝酸钠溶液中各溶质的浓度用质量浓度（g/L）表示。铝酸钠溶液中的Na2O，除结合成铝酸钠和NaOH的形态存在着外，还以Na2CO3，Na2SO4形态存在。铝酸钠溶液中以铝酸钠和NaOH形态存在的Na2O叫做苛性碱(Na2OK，以NK表示)；以Na2CO3形态存在的Na2O叫做碳酸碱（Na2OC，以NC表示）；以Na2SO4形态存在的Na2O叫做硫酸碱（Na2OS，以NS表示）；以Na2OK和 Na2OC形态存在的碱的总和称为全碱（Na2OT，以NT表示）。
苛性比值是铝酸钠溶液的一个重要参数，也是氧化铝生产中一项常用技术指标。它是铝酸钠溶液中的苛性碱与氧化铝的摩尔比，用αk表示。工业生产中，有时会用铝酸钠溶液中氧化铝与苛性碱的质量浓度比来衡量铝酸钠溶液苛性比值，用RP表示。则RP与αk有如式（3-1）所示关系。
?k?Na2O物质的量浓度NK102102???
Al2O3物质的量浓度Al2O36262RP (3-1)
本研究实验所用铝酸钠溶液为国内某拜耳法氧化铝厂的循环母液，采用化学分析分析方法测其化学成分如表2-2所示。
表2-2循环母液成分
NT/g/L 253
Nk/g/L 226.93
Al2O3/g/L 122.04
αk 3.06
Rp 0.538
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2.1.3沉铝溶液
本实验研究所用沉铝溶液为在实验室制备所得。
制备方法为：取一定量的循环母液置于大烧杯中，用蒸馏水稀释一倍。把装
有稀释循环母液的烧杯放进恒温水浴槽中升温至90 ℃，加入分析纯氧化钙，反应2h。氧化钙添加量按钙比1.2配进。所谓钙比就是以量取的循环母液中所含Al2O3和Na2CO3的量为基准，理论上，氧化钙与Al2O3生成3CaO·Al2O3·6H2O，而NaCO3与氧化钙生成CaCO3，由此计算理论上消耗的氧化钙量，钙比为实际添加CaO量与理论上消耗的氧化钙量之比，既钙比=c(CaO)/[3c(Al2O3)+c(Nc)]。
在90 ℃的恒温水浴槽中搅拌2h后取出烧杯，经过真空抽滤分离液固相，得本研究所制备的沉铝溶液化学成分如表2-3所示。
表2-3 沉铝溶液化学成分
NT/g/L 198.11
NK/g/L 5.15
Al2O3/g/L 63.5
αk 0.026
Rp 198.11
沉铝溶液，分析沉铝溶液化学成分。
2.1.4 其他主要试剂
本实验研究所用其他主要试剂列于表2-4中。
表2-4 实验所用主要试剂
试剂名称 氧化钙 氟化钾 硝酸锌 氢氧化钠 EDTA 盐酸 乙酸 乙酸钠 氯化钡 磺基水杨酸
级别 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯
厂家
2.2 实验主要设备
2.2.1高压群釜
实验用高压群釜(如下图2-3所示)进行拜耳法溶出实验。电加热，以熔盐（硝酸钠，亚硝酸钠，硝酸钾混合物）作为加热介质，溶出温度由温度控制仪控制，控温精度为±1℃。所用钢弹为不锈钢材质，有效容积为120mL。
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图2-3 溶出用群釜装置
图2-4 溶出用钢弹
2.2.2其他设备
本研究实验所用到其它主要仪器设备如下表2-5所示。
表2-5 主要仪器设备
设备名称 箱式电阻炉
型号参数
SX2-4-13,控温精度±5℃
产家 沈阳市节能电炉厂
硕士学位论文 恒温水浴槽 真空泵 分光光度计 干燥箱 火焰原子吸收 高压釜溶出设备
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上海市南阳仪器有限公司 郑州长城科工贸有限公司 尤尼柯(上海)仪器有限公司 上海精宏实验设备有限公司
HHS-2S，控温精度±0.5℃ SHB-Ⅲ，极限真空0.098MPa
WFJ7200
DHG-9076A，控温精度±0.5℃
AP1200
2.3实验方法
2.3.1常规溶出工艺
1） 配料计算方法
以0.050L循环母液为标准计算需加入的矿石量。循环母液苛碱浓度为NK(g/L)，苛性比用RP1表示，预定溶出后铝酸钠溶液RP为1.10，铝土矿氧化铝含量为A(%)，氧化硅含量为S(%)，理论溶出率为η理，溶出所需铝土矿量为x。
0.050×(1.10-RP1)×NK=x×A×η理 的计算式如式(3-4)所示。
mCaO=x×S×1.3
(3-4)
采用钢弹溶出，循环母液用量为0.050L，采用高压釜溶出，循环母液用量为0.500L，其铝土矿及氧化钙添加量相对于钢弹溶出扩大10倍。
2） 溶出方法
按计算好的量取一定量铝土矿、氧化钙及循环母液加入钢弹或高压釜中进行溶出。溶出过程在容量为2L的高压釜或120mL钢弹中进行，溶出温度设定为260℃，搅拌速度设定为150r/min。在260℃溶出1.5小时后冷却至100℃，将矿浆取出。真空过滤分离矿浆中的固液相，用化学分析法分析液相成分，而固相则用热水洗涤3遍后于105℃烘箱中烘干，分析其化学成分。 2.3.2 二段法溶出工艺
1）配料计算
二段法溶出过程前段用沉铝溶液进行预脱硅，后段溶出过程采用浓缩循环母液进行溶出。二段法溶出铝土矿、氧化钙添加量与常规溶出相同。
沉铝溶液苛碱含量为常规溶出循环母液苛碱含量的15%，浓缩循环母液苛碱含量为常规溶出循环母液苛碱含量的85%。
设常规溶出所用循环母液体积为V1，苛碱浓度为NK1，沉铝溶液苛碱浓度为NK2，则需沉铝溶液体积
V2=15%×NK1/NK2
（3-5）
(3-3)
氧化钙添加量按钙硅比（氧化钙与氧化硅质量比）为1.3进行计算，则mCaO