（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

工業(yè)上利用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量含有氧化鐵的廢渣，由于廢渣中的氧化鐵呈現(xiàn)紅色，且其含水量較高通常情況下為泥狀，因此稱之為“赤泥”。赤泥屬于強(qiáng)堿性的廢渣，如果不慎泄露，會(huì)對(duì)大氣、生態(tài)環(huán)境、人與動(dòng)植物產(chǎn)生嚴(yán)重的生命影響。由于氧化鋁的制造在近幾年達(dá)到了蓬勃發(fā)展的狀態(tài)，對(duì)于赤泥的處理并沒有一個(gè)較好的解決方案，反而成為了氧化鋁生產(chǎn)的限制因素[1]。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究人員對(duì)于赤泥的無(wú)害化處理與資源化利用方面做出了很多深入的研究，例如將赤泥進(jìn)行改性后作為基體對(duì)水體和空氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行吸附，或以赤泥作為原料與其他組分進(jìn)行混合后作為建筑材料，制備路基或水泥等。由于赤泥中包含很多金屬元素，主要含有鋁土礦礦石，除此之外，還含有很多鐵、鈦、硅等元素的氧化物以及不溶性的氧化鋁，還有很多其他的氧化物[2]。其中有很多金屬具有一定的回收價(jià)值，本文從冶金領(lǐng)域入手，將赤泥作為提取有價(jià)金屬的原料。傳統(tǒng)的回收利用方法中，反應(yīng)物料的反應(yīng)率較小，為了提高赤泥在回收過程中的反應(yīng)率，對(duì)基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)進(jìn)行研究。

1 基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)研究

1.1 分析赤泥中的礦物結(jié)構(gòu)組成

利用拜耳法制造氧化鋁得到的赤泥中，粒徑比較小，在0.005mm～0.075mm，其具有的多空架構(gòu)決定了它具有很大的表面積。由于其具有的多空架狀結(jié)構(gòu)，比重為2840g·m3～2870g·m3，所以具有較強(qiáng)的持水性，塑性指數(shù)能夠達(dá)到17.0-30.0，其含水量為86.1%～90.0%[3]。赤泥中的成分會(huì)個(gè)根據(jù)鋁土礦的來源不同而略有差異，我國(guó)的拜耳法生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)生的赤泥中，主要的組成成分如下表所示：

表1 拜耳法生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)生的赤泥組成成分

由于在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，產(chǎn)生的赤泥非找成分非常復(fù)雜，與原始的金屬礦有很大區(qū)別[4]。如果不對(duì)赤泥進(jìn)行改造利用，大量赤泥的存放會(huì)占用珍貴的農(nóng)田和土地，并且需要一些堆場(chǎng)的建設(shè)維護(hù)費(fèi)用，因?yàn)槠涑煞值奶厥庑裕坏┬孤?，?huì)對(duì)空氣、建筑物表面、土壤和地下水造成不可逆轉(zhuǎn)的污染，且部分赤泥中所含有的礦物質(zhì)中，還有存在一些鐳等放射性物質(zhì)，危害人與動(dòng)植物的健康。因此充分挖掘赤泥的價(jià)值，從中將一些金屬元素回收再利用，是目前處理赤泥較優(yōu)的方法。

1.2 回收有價(jià)金屬

對(duì)于赤泥中的有價(jià)金屬來說，赤泥中的氧化鋁一般會(huì)與鐵、鈦或鈉等金屬一起回收。拜耳法赤泥成分復(fù)雜，其中包含多種具有回收價(jià)值的金屬，根據(jù)金屬的性質(zhì)不同，相關(guān)的工藝也不相同[5]。有價(jià)金屬一般利用酸法進(jìn)行回收，酸法使使用H2SO4或HCl浸泡，得到拜耳法赤泥中的鋁，再?gòu)慕褐刑崛′X鹽，將其進(jìn)行分離得到金屬鋁。使用兩段鹽酸來浸出赤泥，赤泥中一些能夠溶解在酸中的金屬元素會(huì)全部進(jìn)入液相，而不溶于酸的SiO2以固相的形式析出。浸出的液相通過一系列的蒸發(fā)、水解、除鈣、中和、溶出等過程，可以從中得到分離出的高鈦渣、鈣渣、稀土渣和NaAlO2溶液。得到的NaAlO2可用于在工業(yè)上生產(chǎn)Al2O3和Al（OH）3，這種提取金屬的工藝能夠浸出赤泥中88%以上的鋁金屬元素，并且在回收得到的率金屬元素中，80%以上的鋁能夠?qū)崿F(xiàn)有效回收。

對(duì)于赤泥中的金屬回收來說，使用燒結(jié)法能有效提高Al2O3的回收率[6]。燒結(jié)法主要是將赤泥進(jìn)行漂洗，當(dāng)其呈弱堿性后，將其與石灰和Na2CO3在充分混合的情況下經(jīng)過高溫焙燒，在此過程中，需要嚴(yán)格控制石灰和Na2CO3的用量，過多或過少都會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)程，生成難溶的三元化合物；除此之外，還需要注意溫度的控制，溫度也會(huì)影響Al2O3的溶出率。在這樣的反應(yīng)條件下，赤泥中的Al2O3與加入的CaO和Na2CO3灰生成鋁酸鈉，赤泥中存在的SiO2與CaO會(huì)生成CaSiO3，氧化鐵則會(huì)生成鐵酸鈣和鐵酸鈉[7]。另外使用Na2CO3和和NaOH的稀釋溶液能夠?qū)⑹炝现械匿X酸鈉溶出，堿液中的鋁酸鈉經(jīng)過反應(yīng)分解得到Al（OH）3沉淀，下一步通過高溫鍛燒，反應(yīng)生成Al2O3，而溶出渣經(jīng)過磁選可得到磁鐵礦石。在燒結(jié)的過程中，如果燒結(jié)的時(shí)間不足，那么氧化鋁就無(wú)法完全轉(zhuǎn)化成鋁酸鈉，導(dǎo)致鋁金屬無(wú)法溶解到溶液中，降低了鋁的溶出率[8]。在有價(jià)金屬的燒結(jié)法回收過程中，可以回收到赤泥中大部分的Al2O3。至此完成基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)的研究。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法具有一定的有效性，需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中主要采用的實(shí)驗(yàn)原料為某鋁業(yè)公司拜耳法生產(chǎn)氧化鋁所產(chǎn)生赤泥，赤泥的物相分析如下圖所示：

圖1 拜耳法赤泥的XRD圖譜

從上圖可以看出，實(shí)驗(yàn)赤泥中的主要成分有Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2、CaO、Na2O。本文選擇的赤泥中鐵含量較高，其中Al2O3、Fe2O3、Na2O三種物質(zhì)的含量之和為57.33%，因此對(duì)赤泥中的鐵、鋁、鈉進(jìn)行回收能夠取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要用到的實(shí)驗(yàn)試劑主要有氫氧化鋁、氫氧化鈉、鹽酸、乙二胺四乙酸二鈉、氫氧化鈉、醋酸鈉、氯化鋇、醋酸、石灰、石灰石、無(wú)水碳酸鈉、水楊酸鈉、鎢酸鈉、氯化亞錫、氟化鈉、煤粉，需要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有電子天平、低壓釜、磁選機(jī)、馬弗爐、管式電阻爐、高溫管式氣氛爐、循環(huán)水真空機(jī)、分光光度計(jì)、火焰光度計(jì)、鼓風(fēng)干燥箱、振動(dòng)磨礦機(jī)、多功能礦物混合機(jī)、熱重分析儀。

在實(shí)驗(yàn)過程中，將赤泥、純堿、石灰、煤粉進(jìn)行混合，制備成混礦生料，在高溫條件下經(jīng)過還原焙燒后，得到主要成分為硅酸鈣、鋁酸鈉以及磁性鐵化合物的熟料，并將其放置在鋁酸鈉調(diào)整液中浸泡，溶出漿液后將溶出液進(jìn)行分離和洗滌，得到鋁酸鈉粗液和赤泥溶出渣，將其進(jìn)行磁選分離，得到鐵精礦和尾礦。

將反應(yīng)物料按照預(yù)定的配比在混料機(jī)上混合均勻后，使用熱分析儀，采用程序升溫的控制方式，控制升溫速率保持在10℃/min，從室溫升到1000℃，載氣選擇的是高純度的氬氣，流速為100mL/min。并根據(jù)熱分析儀記錄的熱重曲線計(jì)算出升溫過程中各個(gè)物相反應(yīng)和溫度之間的關(guān)系，通過混合物料的理論失重率和實(shí)際失重率來計(jì)算出反應(yīng)率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，分別使用了本文設(shè)計(jì)的回收利用技術(shù)和傳統(tǒng)的回收利用技術(shù)共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從上表的結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的回收利用的方法能夠有效的提高回收過程中的反應(yīng)率。說明本文研究的基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)具有一定的有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁而產(chǎn)生的赤泥作為固體的廢棄物，如果不能得到有效的處理，會(huì)大量的占用土地并引發(fā)一系列的環(huán)境問題。因此將赤泥作為原料回收其中的有價(jià)金屬，成為了目前的研究方向。針對(duì)目前赤泥回收利用技術(shù)中反應(yīng)率較低的問題，設(shè)計(jì)一種基于氧化鋁赤泥的拜耳法回收再利用技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法在赤泥的回收過程中具有更高的反應(yīng)率。