山西铝厂赤泥性质的研究
第40卷 第1期2009年1月
太原理工大学学报
J OU RNAL OF TAIYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY
Vol.40No.1
J an.2009
文章编号:100729432(2009)0120063204
山西铝厂赤泥性质的研究
于永波,王克勤,王 皓,陈 津
(太原理工大学材料科学与工程学院,山西太原030024)
摘 要:为解决赤泥对环境污染及其综合利用等问题,利用ICP2MS,XRD,激光粒度分析和差热分析方法,对山西铝厂赤泥进行了检测,结果表明:有价金属在赤泥中有明显富集,是提取钛、钪、铌的良好原料;拜耳法赤泥中含有大量的含水化合物,可作为吸附剂用于环境污染治理;而烧结法赤泥的主要矿物是碳酸钙和硅酸二钙,作为道路基层材料的前景很好;同时由于其特有的化学组成,用于PVC填料,能使其具有良好的抗老化性能及热稳定性能。
关键词:赤泥;物相;X2射线衍射;综合利用
中图分类号:T G146121 文献标识码:A
赤泥(Red mud)是氧化铝冶炼工业生产过程中排出的固体粉状废弃物。按现有工艺和铝土矿组成,生产一吨氧化铝一般副产干赤泥0.72～1.76 t[1]。据估算,世界每年赤泥产出量约为6000万t,我国氧化铝厂每年排放赤泥1000万t以上[2]。目前,我国大多数氧化铝厂采用平地高台、河谷拦坝、凹地填充等方法堆存赤泥,防护措施不完善。赤泥的存放不仅占用了大量的土地,也存在赤泥中的碱向地下渗透,使碱得不到回收,并造成地下水污染;同时赤泥中含有多种有价值的成分未被回收。因而,对赤泥进行综合回收利用是提高氧化铝厂节能减排的有效途径,不仅可以减少对环境的污染,又可回收废弃物中的有价成分,提高资源利用率。
根据氧化铝生产工艺的不同,主要可以分为拜耳法、烧结法和联合法。山西铝厂采用的是混联法流程,即富矿经拜耳法管道强化浸出后,产生拜耳法赤泥,再与贫矿混合,经烧结、溶出,最终排放的弃渣为烧结法赤泥。由于拜耳法赤泥和烧结法赤泥两者在化学组成上和物相组成方面都有着相当大的差异,因而本文着重对两种赤泥性质进行对比研究,并以此为依据阐述其应用前景。
1 试验
1.1 ICP2MS分析
将山西铝厂拜耳法赤泥和烧结法赤泥送到稀土研究院理化检测中心(包头),利用ICP2MS方法对其化学成分进行检测分析,检测结果见表1。
表1 赤泥的化学成分(质量分数) %工艺方法Al2O3Fe2O3SiO2CaO Na2O TiO2Sc2O3Nb2O5TREO 拜耳法23.60 5.9717.4420.248.57 6.940.0190.02150.31烧结法9.18 6.6618.1038.09 4.00 6.720.0200.01930.25
由表1可见,与烧结法相比,拜耳法赤泥氧化铝含量高,氧化钙含量低。在拜耳法和烧结法中,赤泥中的铁的含量均比较低,这可能是铝土矿原始成分中铁含量较低的缘故。对赤泥伴生稀土元素分析,发现在赤泥中有明显的富集Nb,Ti,Sc。
1.2 XRD分析
将待用赤泥经研磨得到两种粉末状赤泥样品,分别在D8ADVANCE衍射仪上进行X射线分析。如图1、图2所示。
11211 拜耳法赤泥的物相分析
1)主要物相。钙霞石Na8(AlSiO4)6(CO3) (H2O)2,质量分数为32.6%左右,它是以Na2O?Al2O3?2SiO2为稳定核心,并在这个核心上结合Na2CO3形成的;水化石榴石Ca3Al2(SiO4)(O H)8,质量分数为29.5%左右;含水的钙铁石榴石Ca3(Fe0.87Al0.13)2(SiO4)1.65(O H)5.4,质量分数约为
3收稿日期:2008206212
作者简介:于永波(1984-),男,山西长治市人,硕士生,主要从事赤泥综合利用研究,(Tel)138******** 通讯联系人:陈津,男,教授,博导,(E2mail)chenjinty@https://www.wendangku.net/doc/9512847078.html,
图1 拜耳法赤泥XRD图谱
9.3%,是一种水化石榴石中Al部分被Fe取代后的产物;含水铝硅酸钠(Na2O)Al2O3(SiO2)1.73 (H2O)1.68,质量分数约为6.4%。
2)其他物相。钙钛矿Ca TiO3质量分数约为5. 6%,铝土矿中通常伴生的含钛矿物是钛铁矿(Fe2 TiO3),它是提取氧化铝过程中的有害杂质,一般是在浸出时添加石灰使其转变成为钛酸钙;赤铁矿其质量分数占干赤泥的5.4%左右;金红石TiO2,因其具有很强的化学惰性,在提纯工业氧化铝的过程中残存在赤泥中,质量分数为4.9%左右;方解石CaCO3质量分数约为4.1%,呈菱面体结构,由赤泥料浆中Ca (O H)2吸收空气中的CO2后形成的;一水硬铝石Al2O3?H2O,质量分数为1.3%,由原铝土矿中没有溶出的一水硬铝石剩余而残留在赤泥中。
11212 烧结法赤泥物相分析
1)主要物相。方解石CaCO3,质量分数36.2%左右,由赤泥料浆中Ca(O H)2与溶液中的Na2CO3反应以及吸收空气中的CO2后形成,CaCO3沉淀构成赤泥的粗粒(骨架)部分,在结晶过程中可以产生胶结作用;原硅酸钙Ca2(SiO4)和钙钛矿Ca TiCO3,质量分数为35.8%,9.4%左右,在烧结过程中铝土矿中的SiO2和TiO2与CaO反应分别生成2CaO?SiO2和CaO?TiO2,在熟料溶出过程中,由于不溶于水且与碱溶液的反应也比较微弱,因而进入赤泥。一定量的Ca2(SiO4)排放后长时间与水共存可转变成水化产物C2S2H凝胶。
2)其他物相。赤铁矿Fe2O3,其质量分数约为6.7%,铝土矿中的Fe2O3在烧结过程中与NaCO3生成铁酸钠,在溶出过程水解成Fe2O3,最后进入赤泥中;沸石Na12Al12Si12O48(H2O)27,质量分数约为5.8%,它属于水合铝酸钠核心吸收Na2O而形成的一类沸石,在铝酸钠溶液中的溶解度小于Na2O?Al2O3?2SiO2;一水硬铝石Al2O3?H
2O质量分数
图2 石灰烧结法赤泥XRD图谱
为3.2%左右,是由原铝土矿中没有溶出的一水硬铝石剩余而残留在赤泥中。
1.3 粒度分析
采用B T29300H型激光式粒度分布仪分别对两种赤泥样品进行测试。测试条件为水介质,折射率1.333.结果见图3、图4、表2
所示。
图3 拜耳法赤泥粒径范围
/μm
图4 石灰烧结法赤泥粒径范围/μm
拜耳法:d<1.0μm的粒组,质量分数在15%左右;d=1.0～10μm的粒组,质量分数在33%左右;d>10μm的粒组,质量分数在52%左右。粒度变化比较平缓,颗径大小分布较均匀。
烧结法:d<1.0μm的粒组,质量分数在7%左右;1.0μm
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表2 B T 29300H 粒度分布仪测试赤泥结果
方 法中位径/μm 体积平均径/μm 面积平均
径D /μm 遮光率
比表面积/(m 2?kg -1)样品折射率(实部)
拜耳法10.098.51
1.7519.831317.23 1.58烧结法
7.77
10.66
3.32
36.5
761.83
1.58
从表2中发现,拜耳法赤泥比表面积几乎是石
灰烧结的两倍,说明赤泥粒子具有极其发达的表面,它的表面显示出较大的剩余价力、分子力以及氢键等作用力,因而可以考虑作为吸附剂使用。1.4 差热分析
将赤泥样品分别装入高铝坩埚中,选用没有加入样品的高铝坩埚做参比。采用上海天平仪器厂的CR Y 21差热分析仪,设置工作参数:最高加热温度
为1000℃,加热速度为20℃/min 。
图5 拜耳法(a )和烧结法(b )赤泥的差热分析图
图52a 为拜耳法赤泥的差热分析图,可大致分为三个阶段:第一阶段从室温到200℃,随着温度的升高逐步脱除表面水;200～550℃,逐步脱去各种含水化合物中的结晶水;620～800℃,方解石发生分解。赤泥中的方解石与自然矿物相中的有所不同,主要呈细晶状,与水长时间接触可形成胶结作用,温度在600℃时就可以开始分解。图32b 为烧结法赤泥的差热分析图,同样也对应着三个阶段:室温到150℃,150～500℃,600～850℃。从差热的吸热峰面积间接反映出,拜耳法赤泥的含水化合物比烧结法赤泥的含量多;而烧结法赤泥中含有大量的方解石,在600～850℃分解过程需要大量吸热导致差热曲线上的吸热效应,这与赤泥的XRD 物相分
析结果相符合。
2 结论
1)山西铝厂赤泥中含有多种有价金属,可以考
虑作为提取钛、钪、铌的原料。Nb 2O 5和Sc 2O 3在两种赤泥中的质量分数大约为0.02%。钪作为21世纪的战略元素,因为无独立的矿床而产量很低,价格昂贵,应用也受到了限制。山西铝厂赤泥中的钪含量比地壳中(丰度约为0.0005%～0.0006%)富集了2个数量级,具有很大的回收价值;在我国,独立的铌矿床品位欠佳,已利用Nb 2O 5品位也不过为0.0083%～0.0437%[3]。TiO 2在两种赤泥中的质
量分数均达到7%左右,这是一个较高的含量,其回收利用也应引起重视。
2)拜耳法赤泥物相中含有大量的含水化合物,以及针铁矿FeO (O H )、赤铁矿Fe 2O 3、一水硬铝石Al 2O 3?H 2O 和方解石CaCO 3,经一定的处理后,形成具有多孔结构和较大的表面积,可作为吸附剂用于环境污染治理。
3)烧结法赤泥的主要矿物是碳酸钙和硅酸二钙,这与硅酸盐水泥生料接近,因而可用其配以适当的石灰石、砂岩来制备水泥生料;由于CaCO 3呈菱面形细晶,在结晶过程中可以产生胶结作用,并且一定量的Ca 2(SiO 4)排放后长时间与水共存可转变成水化产物C 2S 2H 凝胶,将其压实后具有很高的强度,因而可作为道路基层材料。
4)由于烧结赤泥特有的化学组成,使其具有良好的抗老化性能及热稳定性能,对PVC 具有补强作用。因为赤泥的流动性要好于其他填料,这就使塑料具有赤泥聚氯乙烯复合塑料良好的加工性能,赤泥的加入也使红泥塑料具有较好的耐酸、碱性和更强的阻燃性。
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6 第1期 于永波等:山西铝厂赤泥性质的研究
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Study on Properties of R ed Mud of Shanxi Aluminium Plant
Y U Yong2bo,WANG K e2qin,WANG H ao,CHEN Jin
(College of M aterials Science and Engineering of TU T,Tai y uan030024,China)
Abstract:In order to solve t he problem of environmental pollution and comprehensive wtiliza2 tion of red mud,we carried out research on t he red mud of Shanxi Aluminum Plant by ICP2MS, XRD,laser granularity analysis and D TA met hod.The result s show t hat noble metals are obvi2 ously enriched in t he red mud,which ensures t he use of t he red mudas good raw materials to ex2 t ract Ti,Sc,and Ni.The Bayer red mud contains a large number of hydrated chemical composi2 tions,which could be used in environmental protection as adsorbent.And t he main mineral’of red mud from sintering process are CaCO3and Ca2SiO4,potentially applicable for roadbed material.
The special chemical composition of red mud makes it a good PVC filler to obtain good perform2 ance of again resistance and t hermal stability.
K ey w ords:red mud;p hase;X2ray diff raction
(编辑:庞富祥)
(上接第62页)
Mesh G eneration for Numerical Simulation
of C asting on R everse Thinking
YANG Ping1,ZHANG Jin2shan1,YAN Jie1,SHANG Wei1,L I Zhi2qiang2
(1.College of M aterials Science and Engineering,Tai y uan Universit y of Technology,T ai y uan030024,China;
2.I nstitute of A p plied Mechanics and B iomedical Engineering,TU T,T ai y uan030024,China)
Abstract:Mesh generatio n is a very important f unction in numerical simulation software of casting.Traditional met hod to generate mesh needs layers of cutting on X,Y,and Z directions to get mesh nodes finally,t herefore,suffers inefficiency in mesh generation and difficulty in p ro2 gramming.The paper p resent s a met hod of mesh generation on reverse t hinking by using OO P t hought.It’s possible to slice casting for only one time and finish t he generating work by using t his met hod,which greatly simplifies t he mesh generation work and can be used to partition com2 plex castings.The met hod is not only applicable to casting field but also suitable for ot her ob2 ject s.
K ey w ords:casting;OOP;reverse t hinking;mesh generation
(编辑:庞富祥)