氧化铝冶炼的工业固废——赤泥的组成分析及其特性表征

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1、氧化铝冶炼的工业固废赤泥的组成分析及其特性表征陈瑞文【摘要】赤泥是氧化铝冶炼工业生产过程中排出的固体废弃物，论文采用X-射线荧 光、X-射线粉末衍射、扫描电子显微镜、热分析、红外分析等多种手段，表征分析 了拜耳法和混联法两种不同工艺所产生的赤泥的组成和微观形貌.结果表明,两种赤 泥的化学组成和矿物组成均不相同,且组分极为复杂,这表明了对赤泥中特定成分的 分离是很困难的,回收利用应以整体处理应用为主.期刊名称】 陶瓷科学与艺术年(卷),期】 2013(047)004【总页数】3页(P17-19)关键词】 赤泥;组成;表征;氧化铝冶炼作 者】 陈瑞文作者单位】 福建省泉州市德化陶瓷职业技术学院,德

2、化362500正文语种】 中 文氧化铝是陶瓷生产过程中的一种重要原料之一，赤泥是氧化铝冶炼工业生产过程中排出的固体粉状废弃物，因其外观颜色与红色泥土相似而得名。目前，氧化铝冶炼 方法有三种1-3，即：拜耳法、烧结法和混联法，三种不同的生产方法分别适用 于处理不同品位的铝矿石，处理后产生的赤泥其成分、性质和物相各异。拜尔法适 用于处理高铝低硅铝矿石，主要是利用苛性碱溶液在高温下溶解铝土矿中的氧化铝， 得到铝酸钠溶液，溶液与赤泥分离后，加入氢氧化铝晶种，进行分解，得到氢氧化 铝，在9501200工温度下煅烧，得到氧化铝。烧结法适用于处理中低品位铝矿 石4-6。烧结法将磨好的铝土矿、石灰或石灰石、纯

3、碱、循环母液的混合物在烧 成窑中焙烧而提取氧化铝。混联法为了降低成本，最大限度地利用铝土矿中铝资源， 将拜耳法和烧结法联合使用，采用拜耳法排出的赤泥作为原料，经烧结法处理再制 取氧化铝，最后排出的赤泥为混联法赤泥7-9。大量的赤泥排放后不加利用，不仅占用大量土地和农田，耗费较多的堆场建设和维 护费用，而且存在于赤泥中的剩余碱液向地下渗透，易造成地下水污染。此外，晒 干的赤泥形成的粉尘到处飞扬，破坏生态环境，造成严重污染10-11。因此，为 使赤泥得到有效的处理和回收利用，对其组成和特性的详细表征是非常重要的，本 论文针对拜耳法和混联法，这2种不同工艺产生的赤泥，采用多种表征手段分析 其组成和特

4、性，可为有针对性的回收利用提供基础数据。1、实验内容1.1赤泥来源：中国长城铝业河南分公司，拜耳法(A)，混联法(B)。1.2表征手段：用X-射线荧光光谱(PW2424)分析赤泥的成分；用X-射线粉末衍 射仪(RigakuD/max-3c, Cu 靶(Ka),管电压 35kV,管电流 20 mA , Ni 滤波 (A=1.5418A),扫描角度10 -90,扫描速率为5/min )测试赤泥的晶相组成； 用傅里叶红外光谱仪(Nicolet-360 )分析赤泥的官能团；用热分析仪(德国 NETZSCH公司，STA409PG )表征赤泥在加热过程中的变化；用比表面积分析仪 (SSA-4200)测试样

5、品的比表面积；用场发射扫描电镜JSM-7500F)观察赤泥的表 面形貌。2、结果与讨论2.1 XRF分析赤泥A与赤泥B的XRF表征结果见表1和表2。分析发现，两种生产方法得到的 赤泥均主要含有AI2O3、CaO、Fe2O3、Si02、Na2O、Ti02等。拜耳法产生的 赤泥A中Al含量较高，以金属氧化物计达到22.25%，而混联法产生的赤泥B中 Al含量则较低，只有9.53%，但CaO含量高达42.13%，远远高于赤泥A中 CaO的含量。这主要是因为拜耳法生产所用的矿石主要为高铝低硅矿石，系利用 苛性碱溶液在高温下溶解铝土矿中的氧化铝，得到铝酸钠溶液并从中分离产生赤泥； 而混联法是将拜耳法和烧

6、结法联合，主要处理低品位铝矿石，将磨好的铝土矿、石 灰或石灰石、纯碱、循环母液的混合物在烧成窑中焙烧而提取氧化铝，因此导致混 联法赤泥中钙含量特别高。2.2 SEM分析赤泥A与赤泥B的微观形貌分别如图1与图2所示。从图1中可以看出赤泥A表 面的糙化程度高，孔隙不规则，多为规则和不规则的四边形多层片状堆积构。从图 2可以看出赤泥B中存在大量规则簇状结构，放大至20000倍发现簇状结构之间 由许多不规则的细小微粒组成，没有确定的形状。两种赤泥的表面特征可以说明： 不规则的大量空隙结构使得赤泥具有较高的比表面积，具有一定的吸附能力。图 1 赤泥 A SEM 图 Fig.1 SEM image of

7、red mud A图 2 赤泥 B SEM 图 Fig.2 SEM image of red mud B2.3赤泥的XRD分析图 3 和图 4 分别为赤泥 A 和赤泥 B 的 XRD 图。由图可知，赤泥的组成非常复杂， 对比标准谱图卡发现赤泥A中可能的矿物组成为Ca3AIFe(SiO4)(OH)8、 Ca3AI2(SiO4)(OH)8、Ca3Fe0.87AI0.13、CaAI2(CO3)2(OH)43H2O。赤泥 B 中则含有碳酸镁、氯化铵、(Fe, Mg, Ca)SiO3、Ca2SiO4、Ca4Fe2Ti2O11、 Ca3AI2O6等。这样复杂的矿物组成使得赤泥中有效成分的分离和提纯很困难，

8、 最好能够整体加以处理和利用。图 3 赤泥 A 的 XRD 图谱 Fig.3 XRD patterns of red mud A图 4 赤泥 B 的 XRD 图谱 Fig.4 XRD patterns of red mud B2.4赤泥的FTIR分析傅里叶红外分析可以分析赤泥所包含的官能团。图5和图6分别为赤泥A和赤泥B 的红外光谱图谱。赤泥的红外光谱谱图主要包括 Si-O、OH 及其他无机物振动， 赤泥的结构和成分特征分别在高频区和中低频区有所反应。在高频区，图5中赤泥A在3660.74cm-1出现尖锐峰形，图6中赤泥B在3402.2cm-1出现特征吸 收峰，表明两种赤泥均具有表面-OH。中

9、低频区为赤泥的晶格振动区。在1100- 900cm-1区间内为Si-O键伸缩振动特征吸收峰，赤泥A在1001cm-1出现Si- O-Si骨架振动峰，赤泥B在979.7cm-1出现Si-O键特征吸收峰，峰形宽。800- 400cm-1为硅氧四面体和铝氧八面体的内部振动。图 5 赤泥 A 的 FTIR 分析图谱 Fig.5 FTIR patterns of red mud A图 6 赤泥 B 的 FTIR 分析图谱 Fig.6 FTIR patterns of red mud B2.5赤泥的TG-DTA分析图7和图8分别为赤泥A,B的TG-DTA图。由图7可知，赤泥A在225工、300工 及665

10、C处共有三个吸热谷，225C和300C左右应该是赤泥A脱水导致，依次逐 渐脱去表面水、水化水和结构骨架中的结合水，而665C处可能是CaCO3受热分 解导致失重。随着温度的上升，赤泥A逐渐失重，但到700C后失重速率大幅降 低，到900C左右只是微弱失重。赤泥B在110C和650C处出现吸热谷110C 处应该是赤泥B表面水的脱除导致,650C处则同样为CaCO3受热分解所致。赤 泥B在650C之后失重速率大幅降低，在800C之后只是微弱失重。图 7 赤泥 A 的 TG 图 Fig.7 TG patterns of red mud A图 8 赤泥 B 的 TG 图 Fig.8 TG patter

11、ns of red mud B2.6赤泥的BET分析对两种赤泥进行比表面积测定结果见表3从表3中可以看出赤泥A与赤泥B比 表面积差别不大，孑L径也非常接近，但赤泥B孔容远远大于赤泥A。这主要是因 为赤泥 B 的产生过程中经过高温烧结过程，其中的部分有机质、表面水、水化水 结构骨架中的结合水等可能在此过程中被除去，从而导致赤泥B孔容大大增大。 在对两种赤泥的粒度测定中发现，任取100g赤泥A , 100%都能过30目筛， 73.58%过200目筛；任取100g赤泥B , 91.3%能过30目筛，而只有13.39%能 过200目筛。这也说明赤泥A相对赤泥B颗粒更细小，从而导致两者比表面积相 差不大

12、。3、结论 采用多种手段对两种赤泥的组成和特性进行表征，结果表明赤泥的化学组成和矿物 组成都很复杂，表面都存在OH官能团，扫描电镜下呈不规则排列。其中赤泥A 主要含有CaO、AI2O3、SiO2、Fe2O3、Na2O、TiO2等成分。矿物成为 Ca3AlFe(SiO4)(OH)8 ， Ca3Al2(SiO4)(OH)8 ， Ca3Fe0.87Al0.13 ， CaAI2(CO3)2(OH)43H2O,比表面积 10.1054 m2/g ;赤泥 B 主要含有 CaO、 SiO2、Fe2O3、AI2O3、Na2O、TiO2 成分，矿物组成为 Ca2SiO4 , Ca4Fe2Ti2O11 , Ca3

13、AI2O6，比表面积9.7647m2/g。综合上述特性可知，赤泥 中特定成分的分离是很困难的，回收利用应以整体处理应用为主。表 1 赤泥 A 的 XRF 表征结果(wt%)TabIe 1 XRF test results of red mud Acomposition CaO AIO 23 SiO2FeO 23 NaO 2TiO2 KO 2MgO SO3CrO 23 TotaI(%)22.7222.25 19.416.32 8.605.52 1.991.57 1.170.08 99.62 表 2 赤泥 B 的 XRF 表征结果(wt%)TabIe 2 XRF test resuIts of r

14、ed mud B23 NaO 23AIO 2TiO2 MgOKO CaO SiO2FeO 2 SO3 TotaI ZrO2MnO composition(%)42.1317.75 16.149.53 6.683.98 1.591.22 0.590.20 0.0899.89 表 3 赤泥 A、B 的 BET 数据 TabIe.3 BET data of red mud A and B?赤泥 A 赤泥B比表面积(m/g)3 2孑L容(cm/g)孔径(nm)2比表面积(m/g)3孔容(cm/g)孔径(nm)10.1054 0.000423.0398 9.76470.0486 22.2739【参考文献

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