赤泥常规干燥工艺实验研究

＊陈雪 何林兰 罗登丽 郑雪梅* 马爱元

（1.六盘水师范学院化学与材料工程学院 贵州 553004 2.贵州省煤炭洁净利用重点实验室 贵州 553004）

赤泥是制铝工艺取氧化铝过程中产生的一种强碱性固废物渣，其主要成分为氧化铁，由于铁的含量不同，赤泥外表呈红色的泥浆状，故称为赤泥[1-2]。提取氧化铝时采用的铝土矿品位越低则会产生更多的赤泥，随着氧化铝工艺的发展，赤泥年产量也越来越多。然而这些固废物没能得到有效的回收利用和处理办法，只能大量堆积。赤泥中含有大量的有害成分，如较高的碱度及一定量的Pb、Zn、Cd和Cr等危害性重金属[3]，重金属、氟、铝、钠等多种杂质和一些放射性微量元素。高强度的碱性随着降水渗入土壤中，使得土壤盐碱化，地下水体也会受到污染PH值升高，将赤泥进行脱水风化后又会造成大气中粉尘污染。因此，大量堆积的赤泥不仅会对自然环境造成严重的破坏，还会直接或间接地影响人类的生产生活。

赤泥的无害化处理对氧化铝生产企业而言已刻不容缓[4]，人们必须重视和研究赤泥的处理办法，寻找一些变废为宝的手段，解决赤泥的污染问题和综合利用。赤泥除可作为原料整体利用外还可以回收赤泥中的有价金属，随着工业需求开采矿产资源的量越来越大，矿产资源日益匮乏，赤泥中有价金属回收显得更加重要。赤泥中含多种有价金属（主要包括铁、铝、钛、钒、钪及稀土元素等）,可作为潜在资源加以回收利用[3-5]，例如赤泥中含铁量较高常作为回收铁的二次资源；赤泥中还含有多种可再生利用的氧化物（赤泥中含有氧化铝、氧化铁、氧化钠、氧化钙及少量的二氧化钛、氧化铬、氧化锰）[6-10]，这些氧化物还可以用来制作玻璃。赤泥的应用还有金属回收、制作建筑材料、填充材料、废气处理、废水处理、改良土壤等方面[11]，其中制作建筑材料为最主要的实现有效资源化的途径，我国建筑材料需求量大，利用赤泥可以更加节省成本，同时又能降低其对环境的影响。赤泥制备水泥又是在建筑材料中的重要方向，可以以赤泥为原料制备矿渣水泥、硫酸盐水泥、硅酸盐水泥等。用赤泥进行废水处理，可以实现以废治废，具有较好的环境和社会效益[12-13]。

未经脱水的赤泥不仅碱性较强且含水量很大，同时还具有持水特性，不易固结，很难脱除水分，基于赤泥含水量高、环境污染严重、直接可利用价值不高等原因，本文开展赤泥干燥实验研究，通过实验的开展在一定程度上为赤泥的综合利用提供实验指导数据。

1.实验材料与方法

(1)实验原料

本文以贵州某铝厂企业碱法生产氧化铝的过程产物“赤泥”为研究对象，这些高碱性固体废料含水量大，且颗粒细小并含有丰富的铁、铝、钛、钒等有价金属，对含水量高的赤泥中有价金属综合回收处理需将水含量降到一定量，实验物料含水量是用马弗炉烘干，并记录三组数据计算平均值，算出该赤泥物料的平均含水量为30.83%。

实验所用赤泥来源于贵州省某铝厂企业，其主要化学元素组成见表1所示。由表1可以看出本次实验的赤泥化学元素为：Fe占41.1%，Ca占26.2%，Si占11.3%，Al占10.1%，Ti占6.02%，K占2.62%，S占0.9%。

表1 赤泥的主要化学成分

(2)实验原料物相分析

图1为赤泥样品的XRD图，根据图中信息得出赤泥中的Fe、Ti元素主要是以Fe2O3、NaFeTiO4、Ca4Fe2Ti2O11的形式存在，且Fe2O3的衍射峰在图谱中多而密；其次，锰主要是以MnSO4的形式存在；另外，赤泥渣中主要以碱性和中性脉石为主，主要以Ca2SiO4、Ca3Al2O6、Ca2TiO3的形式存在。

图1 赤泥样品XRD图谱

(3)实验方法

首先准备好实验用仪器材料研磨棒、玻璃皿、坩埚，用水清洗干净，然后放入干燥箱烘干之后取出备用。打开电子分析天平称量三个100g赤泥样品，在100℃电热鼓风干燥箱中干燥至恒重，然后称量取三个样品的失重平均值，计算得到赤泥原料的含水率。常规干燥实验采用马弗炉对物料进行干燥，预定温度调至100℃，取出称量好的原料放入坩埚中，然后再放入箱式电阻炉中关上炉门，每隔半个小时后取出称量重量m1，依次每间隔0.5h称量一次记下重量m2、m3、m4、m终等等。脱水率计算公式如下：

相对含水量：

根据相同的方法测出m′水、m′′水。

平均含水量：

相对含水率：

相对脱水率：

式中：w表示物料量的初始含水率，g；

m0表示原料重量，g；

mt表示物料的实际重量，g。

2.实验结果与分析

赤泥干燥的影响因素很多，本文主要研究物料量、时间、温度变化对赤泥脱水率的影响，为探索赤泥干燥中脱水率的性能，实验进行了赤泥干燥的温升特性研究。

(1)物料量对脱水率的影响

控制干燥温度为100℃，研究不同物料量条件下（30g、40g、50g、60g）脱水时间对赤泥脱水率的影响，结果如图2、图3所示。

图2 不同物料量条件下时间对脱水率的影响

图3 不同物料量对脱水率得影响

从图2可以看出，不同物料量对应的脱水率不同，发现在同一干燥时间条件下，40g、50g赤泥脱水率变化相差较大，而30g、40g和50g、60g之间的脱水率变化相对较小。且随着物料量的增加，脱水率逐渐降低。从图中可以看出，对于30g、40g物料的赤泥，由于物料量较少，物料脱水速率相对50g、60g物料快，同时，30g、40g物料的赤泥含水在240min后基本达到最大脱水率，而50g、60g物料则需干燥到300min甚至需要更长的时间才能达到最大脱水率。

图3显示固定干燥温度为100℃不变，研究脱水时间在240min水平时，不同物料量对赤泥脱水率的影响规律，图中显示随着物料量逐渐增加，对应脱水率依次降低，30g物料量时脱水率为最高，达到99.75%，40g时脱水率为99.4%，50g时脱水率为85.01%，60g时脱水率为80.38%。物料量30g和40g的脱水率效果差距不是很大，所以不论从节省能耗角度和脱水效果考虑，采取物料量为40g为最佳工艺试验物料量。

(2)温度对脱水率的影响

控制干燥物料量相同，研究不同干燥温度条件下（110℃、100℃、90℃、80℃、70℃）脱水时间对赤泥脱水率的影响，结果如图4、图5所示。

图4 不同温度条件下时间对脱水率的影响

图5 不同温度对脱水率得影响

图4展示控制赤泥物料量为40g，不同温度（110℃、100℃、90℃、80℃、70℃）条件下不同干燥时间对赤泥相对脱水率的影响，从图中看出温度越高，赤泥脱水率时间就越短，干燥速度越快；温度越低，赤泥脱水率消耗时间越长，干燥速度越慢；当时间加热到200min时，110℃干燥速度最快，对物料量造成浪费；其他温度的相对脱水率较为缓慢，消耗时间过长，干燥速度慢；在不同温度下，温度越高、干燥速度越快、干燥时间越短，脱水率与温度成正比。

图5研究脱水时间在240min时温度对脱水率的影响，110℃温度下的脱水率为99.26%；温度为100℃时脱水率为99.4%；温度为90℃时脱水率为66.54%；温度问80℃时脱水率为59.83%；温度为70℃时脱水率为37.26%。通过对比分析，在240min时，100℃与110℃时赤泥脱水率几乎相同。从图4可以看出：当温度在80℃～90℃时脱水率较为缓慢；在90℃～100℃时，此时脱水率快速升高，而当温度达到100℃时，此时脱水率可达99%，100℃～110℃之间脱水率趋于平缓。所以选择100℃作为最佳赤泥干燥温度为宜。

3.结论

（1）实验研究赤泥干燥的影响因素（物料量、时间、温度），通过研究探索发现在一定条件下赤泥脱水率与温度成正比，与物料量成反比。通过图标分析得到最佳的赤泥脱水率性能条件是：物料量为40g，温度为100℃，时间在240min内时，赤泥脱水率达到99.40%。

（2）随着近年氧化铝工业的发展，堆积了大量的赤泥固废物，基于赤泥含水量高、环境污染严重、直接可利用价值不高等原因，本文开展赤泥干燥实验研究，通过实验的开展在一定程度上为赤泥的综合利用提供实验指导数据。