铝酸钠溶液晶种分解过程中颗粒行为及其调控

摘要

铝酸钠溶液晶种分解过程是拜耳法生产氧化铝的关键工序，提高分解率与改善产品质量之间的矛盾，一直是氧化铝生产亟待突破的技术瓶颈之一。
　　本文通过对铝酸钠溶液晶种分解体系热力学与界面性质的研究，明晰了Al(OH)3颗粒在晶种分解过程中成核、附聚与长大的规律，提出了协同调控晶种分解过程Al(OH)3颗粒行为的技术，在提高分解率的同时，保证和改善了产品质量。主要研究结果如下:
　　1)发展和完善了基于铝酸钠溶液中Al(OH)3溶解度数据计算NaOH-NaAl(OH)4-H2O体系的热力学性质模型，从而奠定了铝酸钠溶液分解过程研究的热力学基础。
　　利用Debye-Hückel模型与Pitzer方程的关联性构建了三水铝石在氢氧化钠溶液中的溶解反应平衡常数的理论计算模型:logK=-161.1495+4629.7868/T+26.6959ln(T)-0.0256T
　　根据该平衡常数与溶解度数据的关系，获得了NaAl(OH)4的Pitzer模型参数，即β(0)NaAl(OH)4，β(1)NaAl(OH)4和CΦNaAl(OH)4，Al(OH)4-与OH的二离子混合参数θOH-Al(OH)4-，以及Al(OH)4-与OH-和Na+的三离子混合参数ψNa+OH-Al(OH)4-，从而形成了NaO H-NaA l(OH)4-H2O体系的活度系数计算模型。适用性分析表明，所得模型和参数可准确计算三水铝石溶解反应的平衡常数及平衡溶解度。
　　2)分析了铝酸钠溶液中氢氧化铝溶解度与其颗粒尺寸的关系，为控制分解不同时期体系细粒子含量以提高分解率提供了理论依据。
　　在测定铝酸钠溶液表面张力、氢氧化铝固体表面能以及固-液接触角等参数的基础上，计算了铝酸钠溶液与氢氧化铝之间的固-液界面能。以此为基础，结合Ostwald熟化公式，对铝酸钠溶液中Al(OH)3溶解度与其颗粒尺寸之间的关系以及临界核尺寸的变化规律进行了分析。结果表明:三水铝石细粒子的溶解度大于粗粒子的溶解度，且其临界核尺寸随碱浓度、苛性比及温度的升高而增大，细粒子的存在是限制分解深度的重要因素。
　　3)明晰了Al(OH)3成核、附聚与长大的规律，为调控晶种分解过程粒子数平衡提供了理论支撑。
　　通过分析分解过程中各粒度区间粒子数变化规律，发现:二次成核主要发生在晶种分解前期(＜10h);分解中期(10～34h)，晶种系数在0.7～1.4范围内的体系，颗粒附聚占主导作用，而对于晶种系数在2.0～4.0范围内的体系，以晶体长大为主;分解末期(＞34h)，粒子数变化不大，晶体缓慢长大。
　　4)明晰了添加剂强化铝酸钠溶液晶种分解过程的机理，为筛选和开发改善固-液界面性质的高效表面活性剂提供了理论依据。
　　研究了筛选出的两类添加剂对分解过程的影响:添加500mg/L醚类非离子表面活性剂A可提高分解率4％，产品平均粒径增大～10μm，而添加150 mg/L阴离子表面活性剂B可提高分解率3.8％，产品平均粒径提高～20μm。理论分析表明，添加剂通过提高晶种表面Zeta电位、降低溶液表面张力等方式，改善了固-液界面性质，从而使分解过程得以强化。
　　5)研究开发了协同调控晶种分解过程Al(OH)3颗粒行为的技术，为强化铝酸钠溶液晶种分解过程提供了技术支撑。
　　基于上述理论研究结果，提出了通过调控溶液中含铝离子向有利于分解的简单四面体铝酸根离子Al(OH)4转化、添加剂改善固-液界面性质和分解后期控制体系处于Ostwald熟化过程等措施强化晶种分解过程。与传统分解工艺制度下的实验结果比较，可提高分解率6～8％，而Al(OH)3未见明显细化。