铁源对中低品位铝土矿溶出过程生成铁水化石榴石的影响研究

王葶 张东杰 朱小峰 孟乾乾

摘 要：本文着重研究了低品位一水硬铝石溶解过程中不同铁源添加劑对铁水石榴石形成的影响，并探讨了铁水石榴石形成的适宜条件。重点研究以FeCl3、Fe2O3、CaFe2O4和Fe（OH）3为铁源，对铝硅比为3.63的中低品位铝土矿溶出过程生成铁水化石榴石的影响。溶出赤泥的化学成分及XRD分析表明：氢氧化铁是形成水合铁石榴石的最适宜的铁源添加剂，赤泥中的碱含量最低可降至0.05%，铝硅比最低可达到1.20，为我国中低品位铝土矿的环保、高效利用提供了新思路。

关键词：拜耳法;中低品位铝土矿;铁源;铁水化石榴石;赤泥

中图分类号：TF803.21文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）32-0068-03

Effect of Iron Source on the Generation of Fe-hydrogarnetin

Medium-low Grade Bauxite Digestion Process

WANG Ting1 ZHANG Dongjie2 ZHU Xiaofeng3 MENG Qianqian3

（1.Ningxia Business and Technology Career Technical College，Yinchuan Ningxia 750000;2.Ningxia Ningdong Water Service Co.， Ltd.， Yinchuan Ningxia 750000;3. College of Material Science and Engineering， Lanzhou University of Technology，Lanzhou Gansu 730050）

Abstract： In this paper， the effect of different iron additives on the formation of hot metal garnet during the dissolution of low grade diaspore was studied， and the suitable conditions for the formation of hot metal garnet were discussed. The effects of FeCl3， Fe2O3， CaFe2O4 and Fe（OH）3 as iron sources on the formation of hydrous garnet in the leaching process of medium and low grade bauxite with a Al/Si ratio of 3.63 were studied. The chemical composition and XRD analysis of the leached red mud showed that ferric hydroxide was the most suitable iron source additive for the formation of hydrated iron garnet. The alkali content in the red mud could be lowered to 0.05% and the Al/Si ratio can be lowest to 1.20. This provides a new idea for the environmental protection and efficient utilization of low-grade bauxite in China.

Keywords： Bayer process;medium-low grade baxuite;iron source;fe-hydrogarnet;red mud

拜耳法是目前主要的氧化铝生产工艺[1-3]。2004—2017年，随着众多大型氧化铝项目相继投产，中国氧化铝产能达到6 000万t[4]。

氧化铝产量大幅增加造成中国铝土矿资源逐渐匮乏，铝土矿资源的短缺问题逐渐凸显，尤其是高品位铝土矿已濒临枯竭，难以满足拜耳法工艺对原料的需求。为了应对铝土矿资源的短缺，我国不得不依赖国外铝土矿资源。近年来，我国铝土矿对外依存度超过50%。目前，我国中低品位铝土矿（A/S<7）占储量的60%以上，如何高效、经济地利用中低品位铝土矿生产氧化铝，已成为我国铝工业急需解决的一个重要难题。

对于含硅高的中低品位铝土矿，我国曾研发了石灰拜耳法、选矿拜耳法等改良的拜耳法工艺，取得了较好的效果。但是，由于存在液固分离困难、氧化铝总回收率低等不足，尚未大规模推广应用。苏联提出的高压水化法可以用于处理中低品位铝土矿，但由于工艺复杂、蒸发水量大及能耗高等问题，至今尚未应用于工业中。此外，氧化铝工业排放了大量的高碱性赤泥，由于没有有效的大规模、低成本的处理方法，赤泥只能就地堆存，占用大量土地，带来严重的环境危害。由此，本文提出一种以铁水化石榴石为赤泥主要结构的中低品位铝土矿溶出新思路。铁水化石榴石不含碱，含铝少，因而减少了铝土矿溶出过程中苛性碱和氧化铝的损失，是一种理想的溶出脱硅产物。本文重点研究不同铁源添加剂对中低品位一水硬铝石溶出过程生成铁水化石榴石的影响，探究铁水化石榴石生成的适宜条件，为我国中低品位铝土矿的清洁、高效利用提供新的思路。

1 试验

1.1 试验原料

试验所用的原料来自我国河南某地区低品位一水硬铝石矿铝土矿，经过球磨机球磨，粒度筛分（磨至均小于100目），作为试验原料。铝土矿的化学成分见表1。

由铝土矿的化学成分可知，该铝土矿的铝硅比（A/S）为3.63，属于典型中低品位铝土矿。铝土矿XRD衍射图谱分析结果如图1所示。该铝土矿的主要物相组成为一水硬铝石，赤铁矿和高岭石，其中含硅相分以高岭石的形态存在。

1.2 试验步骤

1.2.1 铝酸鈉溶液的配制。用量筒取一定体积的蒸馏水，置于高压反应釜中，按试验所需浓度加入分析纯NaOH和Al（OH）3配制成分子比为3.0，Na2O浓度为240g/L的铝酸钠溶液，升温至120℃，静置冷却，标定，待用。

1.2.2 反应过程。将铝土矿、氧化钙、铁源和铝酸钠溶液以一定的量加入反应釜混合，密闭釜盖，加热至280℃，开启搅拌器，待温度升至设定温度并稳定后，开始计时，保温2h。

1.2.3 洗涤赤泥。反应结束后，将反应釜中的赤泥倾倒至一定体积的烧杯中，开始第一次抽滤，将赤泥用玻璃棒引流至滤纸上，打开抽滤仪器开关开始抽滤，洗涤，干燥。

2 试验结果与讨论

分别以氯化铁、氧化铁、铁酸钙和氢氧化铁为铁源，开展中低品位一水硬铝石溶出试验，溶出后赤泥的化学成分见表2。

从表2可以看出，铝土矿添加上述四种不同铁源，溶出后赤泥的主要成分分别为Al2O3、SiO2、CaO和Fe2O3。为了促进反应中铁水化石榴石的生成，在溶出过程中加入了氧化钙，从而避免了水合铝硅酸钠的产生，因此，溶出赤泥的碱含量（Na2O%）较低。添加上述四种铁源添加剂溶出赤泥的碱含量（Na2O%）均小于1%。

对添加不同铁源溶出赤泥的铝硅比（A/S）进行研究可知：以氯化铁作为铁源溶出赤泥的铝硅比最高，达到了1.88;氢氧化铁作为铁源溶出赤泥的铝硅比最低，只有1.20;而以氧化铁和铁酸钙作为铁源，溶出赤泥的铝硅比分别为1.52和1.46。相比之下，氢氧化铁为更适宜的铁源添加剂。但总体来看，添加上述四种铁源后赤泥铝硅比均大于1，其原因可能是未完全生成铁水化石榴石或铁水化石榴石中Fe和Al的置换不充分，需要进一步进行分析。

铝土矿溶出过程中添加FeCl3溶出赤泥的XRD衍射图谱分析结果显示，赤泥的物相组成有Ca3Fe2Si1.15O4.6（OH）7.4和Fe2O3。可见，以氯化铁为铁源，溶出的赤泥生成了铁水化石榴石。而赤泥中Fe2O3的存在，表明溶出过程所添加的一部分FeCl3与铝酸钠溶液发生反应，生成了Fe（OH）3，随后在高温下转变为Fe2O3。氯化铁并未完全反应生成铁水化石榴石，从而导致溶出赤泥的铝硅比较高，因此，FeCl3不适宜作为生成铁水化石榴石的铁源添加剂。

铝土矿溶出过程中添加Fe2O3溶出赤泥的XRD衍射图谱分析结果显示，赤泥的主要物相组成有Fe2O3、Ca2.93Al1.97（Si0.64O2.56）（OH）9.44和Ca（OH）2。可见，以氧化铁为铁源，溶出的赤泥生成了铁水化石榴石。赤泥中所含Ca（OH）2相是加入的氧化钙过量，在反应釜中到达一定温度时，氧化钙与反应釜里面的溶液发生反应生成了Ca（OH）2。但是，赤泥中Fe2O3的存在表明溶出过程添加的Fe2O3与铝酸钠溶液反应生成了Fe（OH）3，随后在高温下转变为Fe2O3。氧化铁并未完全反应生成铁水化石榴石，从而导致铝硅比较高，因此，Fe2O3不适宜作为生成铁水化石榴石的铁源添加剂。

铝土矿溶出过程中添加CaO·Fe2O3溶出赤泥的XRD衍射图谱分析结果显示，赤泥的主要物相组成为Ca2.93Al1.97（Si0.64O2.56）（OH）9.44。可见，以铁酸钙为铁源，溶出的赤泥生成了铁水化石榴石，赤泥中没有其他物相存在。但是，铁酸钙未完全反应生成铁水化石榴石，从而导致铝硅比较高，因此，CaO·Fe2O3不适宜作为生成铁水化石榴石的铁源添加剂。

铝土矿溶出过程中添加Fe（OH）3溶出赤泥的XRD衍射图谱分析结果显示，赤泥的主要物相组成有Ca2.93Al1.97（Si0.64O2.56）（OH）9.44、Fe2O3和Na8Al6Si6O24（OH）22H2O。可见，以氢氧化铁为铁源，溶出的赤泥生成了铁水化石榴石，而Na8Al6Si6O24（OH）22H2O相的存在可能是由于氧化钙的加入量不足，置换不够充分导致Na2O含量稍微较高。相比之下，氢氧化铁作为铁源溶出赤泥的铝硅比较低，因此，适宜作为生成铁水化石榴石的铁源添加剂。

3 结论

①以氯化铁、氧化铁、铁酸钙和氢氧化铁为铁源的中低品位一水硬铝石溶出试验结果表明：赤泥中碱含量（Na2O%）大幅度降低，皆小于1.0%，减少了溶出过程苛性碱的损失，降低了赤泥对环境的危害。

②以氯化铁作为铁源溶出赤泥的铝硅比最高，达到了1.88;氢氧化铁作为铁源溶出赤泥铝硅比最低，只有1.20;而以氧化铁和铁酸钙作为铁源，溶出赤泥的铝硅比分别为1.52和1.46。相比之下，氢氧化铁为更适宜的铁源添加剂。

③以氯化铁、氧化铁、铁酸钙和氢氧化铁为铁源的中低品位一水硬铝石溶出试验，赤泥的铝硅比均大于1。其原因可能是未完全生成铁水化石榴石或铁水化石榴石中Fe和Al的置换不充分，需开展试验进行进一步研究，以期为工业应用提供更为准确、科学的依据。

参考文献：

[1]郑雪芳.铝土矿中氧化铁含量增加对石灰拜耳法氧化铝生产过程的影响[J].轻金属，2009（7）：9-12.

[2]王慧琴.赤泥的综合利用研究[D].上海：上海大学，2007.

[3]陈滨，肖利，唐娴敏.中低品位贵州铝土矿石灰拜尔法溶出工艺[J].中南大学学报（自然科学版），2014（5）：1397-1402.

[4]张佰永，姜跃华，郭沈.中国铝土矿资源变化对世界氧化铝工业格局的影响[J].轻金属，2014（7）：1-5.