铝土矿有效铝含量测定影响因素研究

宋 飞 岳春雷，2 孙 博 冯丽丽 刘美东 张庆建，2*

(1.青岛检验检疫技术发展中心，山东 青岛 266500；2.青岛海关技术中心，山东 青岛 266500)

前言

全球铝土矿资源主要分布在非洲、大洋洲、南美洲及加勒比地区和亚洲，几内亚为全球铝土矿储量最多的国家，澳大利亚、巴西、越南、牙买加、印度尼西亚分列第2到6位[1-2]。澳大利亚连续多年保持全球铝土矿生产第一大国的地位，中国、巴西、马来西亚、印度、几内亚分列第2到6位，这6个国家占全球铝土矿产量的85%。几内亚铝土矿资源储量巨大，近年来多个国际铝业巨头竞相投资，在其国内建厂投产，铝土矿产量增长趋势明显，潜力巨大[3-5]。

我国铝土矿资源主要分布在贵州、河南、广西、山西等省份[6]，以一水硬铝石型铝土矿为主，矿石特点为高铝、高硅、低铁，这种矿石作为铝冶炼原料，优点是氧化铝高，矿石消耗低，赤泥产出率低，可作为优质耐火材料原料。但其缺点是铝硅比低，反应温度高，能耗高，碱液消耗大，对生产工艺要求高。随着我国铝工业发展，为了降低能耗和生产成本，我国部分矿山开展了铝土矿选矿工作，提高了矿石回收率，提高了铝硅比。为满足国内生产要求和国内经济的快速发展，铝土矿需要大量进口，未来进口铝土矿比重将逐步增大。

拜耳法是目前全球生产氧化铝最主要的方法，是一种从铝土矿中提取氧化铝的工艺。有效铝就是低温拜耳法生产工艺下提纯出的净三氧化二铝含量，也就是在低温条件下，能与氢氧化钠反应的三氧化二铝的含量[7-8]。Q/CHALCO A 026—2012《三水铝土矿中有效铝和活性氧化硅的测定方法》和DB41/T 1568—2018《三水铝土矿有效铝、活性硅含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》给出了测定有效铝含量的方法，均为利用微波消解仪对样品进行溶解，然后ICP-AES法上机测定。本文针对实验室检测铝土矿中有效铝含量进行了条件实验，更改了溶样器具，通过实验数据验证低温条件下样品粒度、均匀性和样品的物相结构对检测结果的影响，从而快速准确地对样品进行分析。

1 实验部分

1.1 仪器与工作参数

S4 PIONEER型X射线荧光光谱仪(德国Bruker公司)。端窗Rh靶陶瓷光管，功率4 kW，最大电压60 kV，最大电流150 mA。

D8 Advance型X射线衍射光谱仪(德国Bruker公司)。端窗Cu靶陶瓷光管，最大功率4 kW，最大激发电流150 mA，最大激发电压60 kV。

ICAP 7000电感耦合等离子体发射光谱仪(美国ThermoFisher公司)。射频功率1.15 kW，蠕动泵泵速50 r/min，雾化器气体流量0.60 L/min，辅助气(Ar)流量1.0 L/min，铝的分析波长396.152 nm。

实验选用 100 mL 压力溶弹，如图1所示，内罐Φ76 mm×150 mm，低压 3 MPa。

图1 压力溶弹Figure 1 Pressure melting shells.

烘箱最高温度 200 ℃，控温精度±2 ℃；高温炉最高温度1 000 ℃，控温精度±2 ℃。

1.2 标准溶液与主要试剂

铝标准储备溶液(1 000 mg/L，GBW(E)080984，济南众标科技有限公司)。

铝标准工作溶液：分别移取不同体积的铝标准储备液于100 mL容量瓶中，按照基体匹配原则，分别加入与样品基体一致的氯化钠及盐酸溶液，铝标准工作溶液浓度分别为0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0 mg/L。

氢氧化钠和盐酸(分析纯)，实验用水为三级水。

1.3 样品来源与矿物组成

实验选用的样品为两种具有不同物相组成的铝土矿，经X射线衍射分析1#样品(如图2所示)主要矿物结构为三水铝石、赤铁矿等，2#样品(如图3所示)主要矿物结构为三水铝石、一水铝石、赤铁矿等。

将样品研磨至0.106 mm，充分混合均匀，105 ℃烘干2 h，置于干燥器中备用。

图2 1#样品X射线衍射图谱Figure 2 X-ray diffraction pattern of 1# sample.

图3 2#样品X射线衍射图谱Figure 3 X-ray diffraction pattern of 2# sample.

1.4 实验方法

称取1.0 g(精确至0.000 1 g)样品于压力溶弹的聚四氟乙烯内罐中，加入10.0 mL氢氧化钠溶液(90.0 g/L，以Na2O计70 g/L)充分摇匀，放入预先升至(145±2) ℃的烘箱中，使样品溶液升温至145 ℃，保持温度30 min，每间隔10 min 摇匀1次。

反应结束后将试液转移至250 mL容量瓶中，定容摇匀后将试液过滤，滤液分取5 mL于加入20 mL HCl溶液(1+1)的100 mL容量瓶中，定容后利用ICP-AES法测定有效铝含量。

2 结果与讨论

2.1 样品粒度和均匀性对有效铝含量的影响

通过对多批次铝土矿样品进行检测，从所得的实验数据可以看出，将样品研磨至0.106 mm，样品全部过筛并充分混匀，可以保证样品的均匀性，使得样品的有效铝溶出率更高，检测结果的标准偏差更小，精密度高。选取2个具有代表性的样品进行对比实验，具体数据见表1。

从数据对比可以看出样品研磨的越细，平行测定样品精密度越好，4次测定极差小，有效铝的溶出效果好，溶出率高，标准偏差和RSD小。所以建议将样品制备至0.106 mm以下，保证样品均匀性的前提下测定，会得到更好的检测精度。

表1 样品粒度和均匀性对有效铝含量测定的影响

2.2 样品物相结构对有效铝含量的影响

所选取的实验样品首先用高温炉和X射线荧光光谱仪进行灼烧减量和化学成分分析，分析结果如表2所示。

表2 实验样品的主要化学组成

从表2可以看出，1#样品为高铝高铁高硅型铝矾土，2#样品为高铝高铁低硅型铝土矿。再采用X射线衍射光谱仪，并结合化学成分结果，对此两份实验样品进行物相组成分析，表3为矿样的主要物相组成。

表3 实验样品的主要物相组成

从表3可以看出，1#样品主要含铝矿物为三水铝石，其他主要物相组成为针铁矿、石英、赤铁矿，含有极少量的一水铝石。2#样品主要含铝矿物为三水铝石和一水铝石，还含有赤铁矿和少量方解石，针铁矿和石英的物相不明显。运用本方法，氢氧化钠与大部分三水铝石反应，应用ICP-AES法测定有效铝含量，结合X射线荧光光谱测定的总铝含量，1#样品有效铝含量高，其溶出率高，2#样品三水铝石占比低，且一水铝石含量高，样品在低温条件下与氢氧化钠不能完全反应，所以其有效铝含量低，溶出率低。

2.3 方法准确度和精密度

因铝土矿基准物质中没有标明有效铝含量，故在样品中添加Al单元素标准溶液的方法进行加标回收率实验。取一试样进行50%和100%加标实验，添加不同量的Al单标溶液，结果如表4所示，加标回收率为99.1%～101%。

表4 加标回收实验

选取一铝土矿样品在重复性测试条件下进行11次重复实验，11次测定结果极差为0.51%，平均值为41.52%，标准偏差为0.14%，相对标准偏差为0.003%。检测结果见表5。

表5 精密度实验结果

3 结论

主要研究了铝土矿样品粒度、均匀性对其有效铝含量测定的影响，并运用X射线衍射仪对样品进行了物相组成分析，结合X射线荧光光谱法的化学成分分析，利用ICP-AES法测定有效铝含量，将铝土矿样品研磨至0.106 mm以下，检测精密度高；三水铝石型铝土矿比一水铝石型铝土矿有更高的有效铝含量，为日常铝土矿样品的检测及铝土矿工业生产提供了指导作用。