一种铝酸钾溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法

摘要

本发明涉及碱介质湿法冶金领域，具体是一种铝酸钾溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法，包括以下步骤：A、将铝酸钾溶液倒入反应器中，碱浓度控制在200‑280g/L，溶液苛性比值为1.35‑1.75，并开启水浴循环和搅拌，控制分解初温度在60‑90℃之间；B、向体系内加入氢氧化铝晶种、搅拌分解，晶种系数为0.5‑4.0，搅拌速率为100‑500rpm；C、将分解体系降温至40‑50℃，晶种分解反应终止后，停止水浴循环和搅拌，经过滤分离得到种分母液以及氢氧化铝产品。本发明方法的操作条件下，分解率可达70％，远高于传统铝酸钠体系55％的晶种分解效率，同时产品纯度高、形貌好、颗粒尺寸大。

说明书

技术领域

本发明涉及碱介质湿法冶金中氧化铝生产领域，具体地说，是一种铝酸钾溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法。

背景技术

钾资源可分为水溶性钾资源和非水溶性钾资源，全球已探明的水溶性钾资源工业储量在200亿吨K₂O以上，但分布很不平衡，90％以上的储量主要分布在加拿大、俄罗斯、白俄罗斯、法国、德国、美国、以色列、约旦等国家，且品位较高。而亚洲、拉美等大多数发展中国家和地区，钾盐储量很少，且品位较低。相对而言，非水溶性钾矿资源非常丰富且分布广泛，以钾长石、钾明矾石等为主的各类含钾岩石在全球均有分布，但目前难以工业利用。同时全球铝土矿储量一共280亿吨，在铝工业生产中合理地综合利用非铝土矿如霞石、明矾石、粉煤灰等，有着现实意义。

目前，关于铝酸盐溶液的晶种分解研究主要体现在含钠体系，即主要为铝酸钠溶液的晶种分解研究，而对与铝酸钾溶液的晶种分解很少报道。铝酸盐溶液的晶种分解一直是拜耳法生产氢氧化铝的一道关键工序，但同时也存在着产品分解率低、分解时间长、种子比大、产品粒度小等问题。对于晶种分解过程的研究表明其主要影响因素包括分解温度、溶液苛性比值、苛性碱浓度、种子比和搅拌速率等。升高晶种分解温度，有利于晶体的附聚，同时较高的温度也有利于晶体的长大，从而得到粒度大、杂质少的产品，然而温度的升高也意味着溶液的过饱和度的降低和分解速度的降低，同时也增加了能耗；随着分解原液苛性比值降低，溶液的分解速度、分解率及产能有明显提高，但同时低的分子比对上一工序的要求更高并易产生更多细颗粒；中等苛性碱浓度的原液最不稳定，分解速率较快，但也意味着低的产出率和产能；在分解前期加入的晶种，细颗粒晶种易发生附聚，粗颗粒晶种则是单纯晶体生长，且细颗粒晶种和快的生长速度利于晶体生长，晶种量少利于附聚大颗粒的产生，故选取合适比例的粗细颗粒和合适量的晶种量比较重要；适当的搅拌可以使溶液中晶体保持悬浮状态，与溶液接触良好，成分均匀，同时有利于晶体的均匀长大。上述研究均基于钠系铝酸盐溶液，因此对于铝酸钾溶液晶种分解还需进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝酸钾溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法。基于国内愈加严峻的钾资源短缺问题，急需对如明矾石、钾长石等非水溶性含钾铝矿石进行高效清洁的综合利用，通过碱介质湿法冶金对此类含钾矿石的处理再经分离可得到铝酸钾溶液，对此类铝酸钾溶液实施晶种分解可获得形貌粒度可控的氢氧化铝产品。

本发明的第一方面，提供一种铝酸钾溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法，包括以下步骤：

A、将铝酸钾溶液倒入反应器中，碱浓度(以K₂O计)控制在200-280g/L，溶液苛性比值为1.35-1.75，并开启水浴循环和搅拌，以使溶液温度和浓度均匀化，控制分解初温度在60-90℃之间；

B、向体系内加入氢氧化铝晶种、搅拌分解，晶种系数为0.5-4.0，搅拌速率为100-500rpm；

C、将分解体系降温至40-50℃，晶种分解反应终止后，停止水浴循环和搅拌，经过滤分离得到种分母液以及产品。

分解初温越低，由于过饱和度大，溶液分解率越高；初温越高，利于细颗粒的晶体附聚，相应产品粒度增加。同样，末温低也利于分解，利于晶体生长，产品变粗，但产品粒度两极分化，不利于产品均一性。故选择温度制度为初温60-90℃之间，末温40-50℃。

晶种系数高，由于高的种子表面积可提高铝酸钾溶液的分解率，可以促进晶体生长，得到粗颗粒产品，但过高的种子比使产品的强度降低，综合选择种子比为0.5-4.0。

搅拌速率高利于溶液的传质，促进晶种表面的分解反应，使晶种与溶液充分接触，但过高的搅拌速率会导致晶种的磨损和破碎，不利于生产粗颗粒氢氧化铝。故选择搅拌速率在200-600rpm。

碱浓度高，导致溶液过饱和度低，不利于晶体附聚，产品粒度较小；碱浓度降低，溶液中氧化铝的平衡浓度随之降低，分解速度明显地加快，分解率也相应提高，但碱浓度低，氧化铝的平衡浓度过低，单位体积的氢氧化铝产量降低。

在分解初温及分解末温一定的条件下，降温速率体现了晶种分解的反应时间。在分解初期，反应速率随时间的变化明显，进入反应后期后，随时间变化分解率的变化不明显，所以需要确定合适的反应时间。故选择降温速率为0.5-2℃/h。

优选的，所述的步骤A中的分解初温度为70℃。

优选的，所述步骤A中的碱浓度为240g/L、苛性比值为1.4。

优选的，所述步骤B中的分解温度控制稳定在60-90℃。

优选的，所述的步骤B中的晶种系数为2。

优选的，所述的步骤B中的搅拌速率为200rpm。

优选的，所述的步骤C中的降温速率控制在0.5-2℃/h。

优选的，所述的步骤C中的分解体系降温至40℃。

本发明提供一种铝酸钾溶液的晶种分解方法，基于愈加严峻的钾资源问题，急需对含钾、铝矿石如明矾石、钾长石等非水溶性钾资源进行高效清洁的综合利用，通过碱介质湿法冶金对此类含钾矿石的处理再经后续分离可得到铝酸钾溶液，对此类铝酸钾溶液实施晶种分解这样的钾铝分离操作极为关键。本方法采用分解温度为由初温60-90℃降至末温40-50℃，碱浓度(以K₂O计)控制在200-280g/L，溶液苛性比值为1.35-1.75，晶种系数为0.5-4.0，搅拌速率为100-500rpm，分解时间控制在24-72h。通过在如上工艺的操作条件下，分解率不仅可达到70％以上，远大于传统钠系的55％的晶种分解效率，同时产品纯度高、形貌好、颗粒尺寸大。本发明方法采用向铝酸钾溶液加入氢氧化铝晶种以实现氢氧化铝的结晶析出，工艺条件简单易于操控，对于钾系铝酸盐溶液的晶种分解有着一定的参考作用，并能高产出率、高效率地产出高纯度的氢氧化铝产品，有较好的经济性和实用性。

与现有技术相比，本发明优点在于：

1、本发明的方法中未加添加剂的铝酸钾溶液晶种分解的分解率较之钠系更高，可达到70％以上，远大于传统钠系的55％的晶种分解效率，同时产品纯度高、形貌好、颗粒尺寸大。

2、本发明的方法中由于K⁺半径比Na⁺半径大，使其更难占Al(OH)₃晶格点阵中H⁺的位置，因此从铝酸钾溶液分解出来的氢氧化铝中杂质如晶格碱等较少。

附图说明

图1是本发明工艺制备的氢氧化铝产品XRD图。

图2是本发明工艺制备的氢氧化铝产品扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

实施例1

步骤(1)：将碱浓度(以K₂O计)为240g/L、苛性比值为1.4左右的铝酸钾溶液倒入反应器中，并开启水浴循环和搅拌，以使溶液温度和浓度均匀化，控制分解初温度为70℃，开始加入氢氧化铝晶种，晶种比即晶种系数选为2，搅拌速率选为200rpm。

步骤(2)：在晶种分解反应过程中，降温速率控制在0.5-2℃/h，保证在达到最佳分解产率与速率，同时每隔5小时取样20ml，经离心分离后，取上层清液取样分析氧化钾和氧化铝含量，下层固体沉淀用热去离子水洗涤2-5次后干燥，干燥温度约为80℃，再进行固渣X射线衍射仪物相分析与扫描电镜形貌分析。

步骤(3)：将分解体系降温至40℃，晶种分解反应终止后，停止水浴循环和搅拌，经过滤分离得到种分母液以及产品，分析最终母液中氧化钾和氧化铝含量，同时称量最终产品质量得出整个过程的分解率；结果显示最终分解率达75％，固相X射线衍射仪物相分析与扫描电镜形貌分析后显示产品为高纯的氢氧化铝颗粒，表面形貌发育良好且颗粒尺寸较大。产品X射线衍射仪与扫描电镜结果如图1和图2所示。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。