氧化铝的制取方法
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       目前铝的制取方法基本上是从铝矿石中分离出氧化铝,然后以之为原料,用熔盐电解的方法取得金属铝。那么,怎样从铝矿石里把氧化铝提炼出来呢?目前应用最广泛的有碱法和酸法两种。

       先来说说碱法,属于碱法的有拜尔法、碱石灰烧结法、石灰烧结法、拜尔-烧结联合法、高压水化学法等。拜尔法是目前生产氧化铝的主要方法,其产量约占全世界氧化铝总产量的九成。

    酸法有硫酸法、盐酸法、硝酸法。酸法是用无机酸溶出和处理含铝原料,原料中的氧化硅基本上不与酸反应而留在渣中,得到含铁的铝酸盐酸性水溶液,经除铁净化后的铝盐酸性溶液可通过不同方法得到铝盐水化合物结晶或氢氧化铝结晶,煅烧后得到氧化铝。酸法主要用于处理粘土、高岭土等高硅低铁含铝原料。

       含铝矿物有两百多余种,其中能用于工业生产的矿物主要是铝土矿、明矾石、霞石和高岭土等。据统计,2002年,全世界已探明的铝土矿储量约246.9亿吨,储量丰富的国家有几内亚、澳大利亚、牙买加、巴西、印度、圭亚那六国,其储量约占世界铝土矿总储量的70%。

    铝土矿床的赋存状态,大致分为三类:

    新生代红土型矿床、古生代岩溶型矿床、古生代(或中生代)其他型矿床。 红土型矿床以三水铝石型矿石为主,其次为三水铝石和一水软铝石混合型矿石。矿石质量较好,以高铁、低硅、高铝硅比(铝和硅之比)为特点,是铝工业的优质原料,主要分布在赤道附近地区的国家,如几内亚、澳大利亚、牙买加、巴西、印度等国家。

    岩溶型矿床以一水硬铝石为主,其次为一水硬铝石和一水软铝石混合型矿石。矿石以高铝、高硅、中低铝硅比为特点。主要分布在中国、南欧和加勒比海等一些国家。

    其他型矿床的矿石类型与岩溶型矿床相似,但矿床规模较小,矿石质量较差,工业意义不大。在欧、亚大陆及北美东西部有大量分布。

    (一)拜尔法

    拜尔法是奥地利科学家拜尔(K.J.Bayer)于1889年发明的,其原理用苛性钠溶液在高温下溶解铝土矿中的氧化铝,得到铝酸钠溶液。溶液与残渣(赤泥)分离后,降低温度,其中氧化铝成为过保和,加入氢氧化铝作晶种,经长时间搅拌,溶液中的Al2O3成为氢氧化铝沉淀析出,洗净,并在950~1200℃温度下煅烧,便得到氧化铝成品。析Al(OH)3后的溶液称为母液,蒸发浓缩后循环使用,蒸发时析出的Na2CO3·H2O,需用石灰苛化,使其转化成为NaOH,继续使用。

    由于三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石的结晶构造不同,在苛性碱溶液中的溶解性能有较大差异,所以,需要采取不同的溶出条件,主要是溶出的温度不同。处理三水铝石型铝土矿的溶出温度比较低,140~150℃温度下溶出,溶出液的浓度也比较低,120~140克/升Na2Ok。而处理一水软铝石和一水硬铝石型铝土矿的溶出温度在240~260℃,溶出液的浓度在180~250克/升Na2Ok。

    拜尔法适用于处理低硅铝矿石,特别是用在处理三水铝石的铝土矿时,工艺流程简单、建设投资省、操作方便、产品质量高,其经济效益比其他方法好。

    (二)碱石灰烧结法  

    碱石灰烧结法适用于处理高硅铝土矿,该法是将铝土矿、碳酸钠和石灰按一定比例混合配料,在回转窑内烧结成由铝酸钠(Na2O·Al2O3)、铁酸钠(Na2O·Fe2O3)原硅酸钙(2CaO·SiO2)和钛酸钙(CaO·TiO2)组成的熟料。然后用稀碱溶液溶出熟料中的铝酸钠。此时铁酸钠水解得到的NaOH进入溶液。当控制适当的溶出条件时,原硅酸钙不会大量地与铝酸钠溶液发生反应,而与钛酸钙、Fe2O3·H2O等组成赤泥进行分离洗涤后排入赤泥堆场。溶出熟料得到的铝酸钠溶液经过专门的脱硅处理,SiO2形成含水铝硅酸钠(又称钠硅渣)或3CaO2·Al2O3·xSiO2·(6~2x)H2O(x~0.1)沉淀,而使溶液得到提纯。往经过脱硅后的精制铝酸钠溶液中通入CO2气体和加入晶种氢氧化铝搅拌,得到氢氧化铝沉淀和主要成份是铝酸钠溶液的母液。氢氧化铝经煅烧后成为氢氧化铝成品。水化石榴石中的Al2O3可以再用含Na2CO3母液提取回收。

    碱石灰烧结法工艺流程较拜尔法复杂,氧化铝回收率一般低于拜尔法,生产成本也高于拜尔法,但此法可以处理铝硅比低的铝矿石。  

    (三)联合法  

    联合法是指拜尔法和烧结法联合使用。根据联合的方式不同,又分为并联法、串联法和混联法。

    1.并联法。

    并联法是前苏联于20世纪30年代最早研制成功的。所谓并联法,就是拜尔法与烧结法平行作业,分别处理高品位铝土矿和低品位铝土矿。烧结法占总生产能力的10%~15%,用以补充流程中苛性钠的消耗,用纯碱与矿石烧结,SiO2以铝硅酸钠形态排入赤泥。由于烧结部分还要将拜尔法中一水碳酸钠转化为NaOH的过程,整个流程的碱耗都由纯碱补充,所以并联法能取得较好的经济效果。

    2.串联法。

    串联法是1931年前苏联研制成功的,此法是用烧结法回收拜尔法赤泥中的Na2O和Al2O3。将拜尔法部分的赤泥配入石灰和纯碱后,经烧结、溶出、脱硅制得的铝酸钠溶液与拜尔法部分的铝酸钠溶液混合,加入晶种分解制得氢氧化铝,经煅烧后为成品氧化铝。母液用于溶出下批矿石。串联法主要优点是提高了资源利用率,减少了碱耗,用较廉价的纯碱代替烧碱(NaOH),而Al2O3的回收率也较单独的拜尔法高。此法适用于处理中等品位的铝矿石。

    3.混联联合法

    混联联合法是我国铝工业科技工作者于20世纪60年代结合我国具体情况而独创出来的一种工艺流程,在世界上只有我国采用这种生产方法。混联联合法是并联法和串联法两种方法的综合。烧结法部分除了处理拜尔法赤泥外,还处理一部分低品铝矿石。混联联合法的优点是溶出过程的技术条件比拜尔法低,提高Al2O3的回收率,降低碱耗,经济效益好;缺点是流程比较复杂。

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