高铁赤泥生物质水热钙化还原过程含铝硅矿相转化行为研究

作     者：王兴建 

作者单位：辽宁科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王一雍

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 080601[工学-冶金物理化学] 

主      题：高铁赤泥 含铝硅相 铁水化石榴石 脱碱 Al2O3溶出率 

摘      要：高铁赤泥是拜耳法生产氧化铝过程中产生的固体废弃物,属于高污染强碱性废渣,存在严重的环境问题和安全隐患。但其中AlO和FeO的质量分数总和占50%以上,是优质的铝、铁二次资源,具有很高的回收利用价值。所以低耗高效地对高铁赤泥进行脱碱并分离回收铁、铝等有价金属,是实现赤泥有效利用和无害化处理的重要手段。本研究提出了一种处理高铁赤泥的短流程绿色新工艺—“生物质水热钙化还原法。该方法可一步实现高铁赤泥中钠、铝、铁的分离回收。本文通过钙化溶出、磁选等实验研究,结合相关热力学计算分析,并借助XRD、SEM-EDS、XRF等表征手段,重点研究了高铁赤泥生物质水热钙化还原过程含铝硅矿相转化行为,确定了最佳反应动力学条件,明晰了钙化溶出过程钠、铝、硅、铁相的转型规律。研究结论如下:（1）研究采用的高铁赤泥ω（NaO）为10.82 wt%,AlO和FeO的总量为58.82 wt%。含铝硅矿相为水合铝硅酸钠;铁相以赤铁矿和针铁矿的形式存在,还包含少量的石英、方解石和未反应的三水铝石。各矿相嵌布严重,包裹密集复杂。（2）热力学分析结果表明,在323～573K温度范围内,论文研究的钠钙系含铝硅相生成吉布斯自由能均为负值,从热力学的角度上说明各相均可生成。在高钙碱性水热体系下,沸石和羟基方钠石可直接转型为铁水化石榴石(3Ca O·(Fex,Al)O·m Si O·n HO);也可间接的先转型为不同硅饱和系数的水钙铝榴石(3Ca O·AlO·x Si O·（6-2x）(HO)),进而Al、Fe发生晶格取代反应转型为铁水化石榴石。（3）无生物质添加的钙化溶出最佳实验条件为,反应温度280℃、NaO浓度360 g/L、C/S=1.0、L/S=10:1,得到的转型渣中ω（NaO）可降到0.43wt%,AlO溶出率高达92.6%,A/S低至0.12。大量的Na、Al溶于液相,使渣中ω（FeO）富集到49.5 wt%,有利于的铁相还原及磁选回收。溶出过程中水合铝硅酸钠会与Ca O发生置换反应,不同的反应条件下生成硅饱合系数不同的水钙铝榴石。在水钙铝榴石相形成过程中,Al、Fe和Ti会发生类质同晶替换反应,转型为铁水化石榴石相和钙铁榴石钛相(CaFeSiTiO),铁相主要以赤铁矿（FeO）形式存在。（4）生物质添加的钙化溶出转型实验结果表明,添加生物质淀粉对含铝硅矿相转化行为影响较小,对铁相的还原具有重要作用,采用低碱高钙或高碱低钙的钙化溶出条件均可达到理想的脱碱、溶铝效果。温度为280℃,L/S=10:1,还原剂用量为1:4,NaO浓度为240 g/L,C/S为1.5条件下,转型渣中ω（NaO）为0.59 wt%,AlO溶出率为83.9%;NaO浓度为330 g/L,C/S为1.0条件下,转型渣中ω（NaO）为0.52 wt%,AlO溶出率为89.1%。两种条件下渣中含铝硅相主要为钙铁榴石钛以及少量(Ca(FeAl)（Si O）（OH）)型铁水化石榴石,铁相主要为磁铁矿相（FeO）。（5）转型渣经磁选处理后,精矿中铁氧化物含量更高,可达到56%左右;精矿中铁相主要以FeO的形式存在,尾矿中主要以磁性较弱的钛磁铁矿(FeTiO)存在;含铝硅相均为钙铁榴石钛和铁水化石榴石两种形式。高铁赤泥经钙化溶出处理后,溶出矿浆的沉降性能得到明显改善,Ca O和生物质的加入会使溶出矿浆的沉降速度增加,相应的压缩液固比降低。