非离子型有机添加剂与晶种性质对铝酸钠溶液晶种分解过程的影响

吕建明

（中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083）

非离子型有机添加剂与晶种性质对铝酸钠溶液晶种分解过程的影响

吕建明

（中南大学冶金与环境学院，湖南长沙 410083）

研究了非离子型有机添加剂P强化铝酸钠溶液晶种分解过程的影响因素，同时引用XRD分析了不同晶种的活性。结果表明：添加剂P可有效提高分解率，显著改变产品的形貌，并具有一定增大产品粒度的作用；晶种性质极大影响添加剂的效用，特别是（002）晶面所对应的峰越强，晶种活性越好；研究了最佳工艺条件为在种分过程开始10 h后加入100 mg／L添加剂，保持晶种系数为3.39，最后于34 h以后取出产品；晶种是分解过程的主要因素，添加剂仅能进行改善。

晶种分解；添加剂；粒度；分解率；晶种活性

目前我国多采用难溶性一水硬铝石为生产氧化铝的主要原料［1～3］，使得在铝土矿的溶出条件比国外更加苛刻（高温高苛碱浓度）。因此国内虽然同样采用拜耳法工艺生产氧化铝［4］，但铝酸钠溶液晶种分解过程更加复杂，且氧化铝的生产工艺与国外有很大不同。针对我国氧化铝工业的现状，本文通过使用非离子表面活性剂作为有机添加剂来强化其晶种分解过程，并研究不同分解条件下其对溶液分解率及产品粒度的影响。

由于铝酸钠溶液晶种分解过程主要是在固－液界面上进行，因此直接采用添加剂来改变界面性质具有操作简单、效果明显、成本低廉等优点。

1 实 验

1.1 实验原料

实验采用工业氢氧化铝为晶种，共有三种：遵义1＃晶种、遵义2＃晶种及河南工业晶种，分别简称晶种A、B、C。其中晶种A和晶种B为同一类晶种，但粒度分布分别为－45μm占16%和4%，而晶种A和晶种C为不同晶种，但其粒度分布一致。分解所用铝酸钠溶液为使用工业级氢氧化铝与工业级氢氧化钠配制。实验中苛碱浓度为170 g／L，苛性比为1.45，非离子型表面活性剂（简称添加剂P）。

1.2 实验设备

铝酸钠溶液种分分解槽为自制水浴搅拌槽，使用TCEII型智能温度控制仪控温（±0.5℃）；高速离心机LDZ4－0.8；氢氧化铝晶种及产品的粒度使用Mastersizer2000激光粒度仪检测，其形貌使用JEOL JSM－5600LV型扫描电镜观察。

1.3 实验操作

实验须预制所需组成（αk＝1.45）的高浓度铝酸钠溶液，在正式开始前将其稀释至苛碱浓度为170 g／L。将种分槽内加入1 L铝酸钠溶液并加热保温至60℃，再加入1 000 g氢氧化铝晶种，开机搅拌（v＝150 r／min）。分解过程采用前期阶梯下降后期保温的温度制度，如表1所示。

表1 分解过程的温度制度

样品需在变温操作前取出，并使用高速离心机进行固液分离。分离后的上清液用于滴定分析法测其中铝浓度及苛性碱浓度，而对于固体沉淀则须用纯水进行真空洗虑，再低温烘干以用于粒度检测。

2 结果与讨论

2.1 晶种性质及添加剂对于铝酸钠溶液种分过程的影响

2.1.1 分解率及产品粒度

实验中选用了三种氢氧化铝作为晶种：－45μm粒子的体积百分数为15%的遵义晶种A（简称晶种A）和河南工业晶种（简称晶种C）；－45μm粒子的体积百分数为4.2%的遵义晶种B（简称晶种B），如图1所示（1－晶种A和晶种C，2－晶种B）。实验结果如表2，显示添加剂P在一定程度上可以强化促进铝酸钠溶液晶种分解过程。

图1 晶种的粒度分布

表2 使用不同晶种进行种分时添加剂对溶液分解率及产品粒度分布的影响

表2结果显示，采用晶种的种类很大程度上决定了铝酸钠溶液的分解率，活性较强的晶种A和晶种B可使得的分解率高达56.6%和56.7%，而采用活性较差的晶种C进行分解后仅使得分解率为52.9%。产品粒度的变化情况也类似，活性强的晶种使得产品粒度逐渐增粗，而活性差的晶种反而导致产品粒度不断细化。

为进一步研究氢氧化铝晶种活性的影响因素，采用XRD来分析三种晶种的性质。三种晶种的XRD谱图对比如图2所示。从图2中可以看出三者均为纯三水铝石型氢氧化铝，但对比其三强峰发现晶种B的（002）晶面所对应的峰尤其突出。

对于晶种A及晶种C而言，无论是否加入添加剂，其粒度变化规律一致；而在晶种B所对应实验中，加入添加剂后期，粒度变化规律与未加入添加剂的变化相反。这与晶种B在（002）晶面的异常对应，表明产品粒度变化规律主要是受晶种本身性质影响。

图2 三类晶种的XRD谱图对比

2.1.2 SEM分析晶种及产品的形貌

通过研究不同条件下产品形貌的变化，以分析分解过程中的粒子行为，有助于找到一条提高分解率及产品粒度与强度的有效途径。添加剂对产品形貌的影响如图3所示。

分析图3中晶种及反应46 h后的产品的形貌。可以看出，无论晶种是何种类型，在使用添加剂处理后，产品氢氧化铝晶体的表面更加光滑平整，且表面六边形结构减少，整体呈棱柱形。颗粒上附着类似胶状物质连接为致密的结构，使得产品的强度大大增加。但由于晶种A的活性更强，其产品形貌类似多块柱状晶体的聚合体，且表面还吸附着一些由细颗粒粘结成的絮状物。这也表明使用晶种A在种分实验中发生了显著的附聚。

2.2 添加剂加入时间及加入量对铝酸钠溶液种分过程的影响

对比0 h、10 h、22 h加入添加剂对铝酸钠溶液种分过程的影响，结果如图4所示。图4表明添加剂可提高分解率，且在10 h加入添加剂条件下分解率最高；而产品粒度整体上随添加剂加入时间延后而变细。

这是因为添加剂降低了铝酸钠溶液的表面张力，减弱其对氢氧化铝粒子聚集的阻碍，进而加快了晶种吸附铝酸钠阴离子的速度，有利于晶种长大，从而提高了分解率，并在一定程度上改善了氢氧化铝晶粒的粒度。但是随着分解过程的进行，溶液中析出的氢氧化铝覆盖着原有晶种的活性点上，从而降低了晶种的活性，导致添加剂与晶种接触面的减少。10 h时由于种分前期的二次成核生成大量新晶核，大量增加晶种的活性点而使得此时的分解率最高，产品粒度也较好。而在22 h时由于新晶核及原始晶核经过一段生长过程，其活性降低，使得在此时加入添加剂的效果相对较差。

图3 添加剂对产品形貌的影响

图4 种分过程中加入添加剂的时间对分解率及产品粒度的影响

添加剂P的使用量对铝酸钠溶液晶种分解过程的影响如表3所示。

表3 添加剂使用量对种分分解率的影响 %

可以看出，添加剂P可有效提高种分分解率，并且在75 mg／L及100 mg／L时效果最好，在此为延长添加剂作用时间，选择100 mg／L为最佳加入量。

2.3 晶种系数对种分过程的影响

晶种系数（常用代表符号为Kr）是影响铝酸钠溶液种分过程的一个重要因素［5］。一般而言，晶种系数越大，分解率越高，但过高的晶种系数将导致产品细化。试验Kr为1.36、2.03、2.71及3.39时添加剂P对于种分过程的影响，结果如图5所示。

图5 晶种系数对添加剂强化种分过程的影响

显然，溶液分解率与晶种系数呈正比；而产品粒子在晶种系数为2.71时最粗，在晶种系数继续增大至3.39则产品稍微变细。综合考虑工业生产效率及质量，在晶种系数为3.39时的实验结果最好。

2.4 种分过程中调整晶种粒度分布对分解率的影响

采用取出占总晶种量10%的氢氧化铝的方式来调整种分过程中晶种的粒度分布，分别试验了在10 h、22 h及34 h调整晶种的粒度分布，研究其对种分分解率的影响，试验结果如表4所示。

表4 产品取出时间对添加剂强化作用的影响 %

结果显然，越晚取出产品，分解率越高；对于工业生产而言需要在种分后期取出产品。

2.5 综合对比晶种类型及添加剂使用方式

为进一步了解铝酸钠溶液的晶种分解过程，采用改变晶种的方式来改变固相性质，同时结合添加剂的使用工艺来进行研究。控制实验条件中的晶种系数为3.39，于10 h才加入100 mg／L的添加剂P，试验结果如表5所示。结果显示，不同晶种的种分分解率差别较大，但使用添加剂进行处理后均可提高。

表5 添加不同晶种时添加剂对溶液分解率影响%

由表5看出，使用晶种A和晶种C的分解实验，其分解率提高幅度相差无几，但均高于使用晶种B的分解实验。说明：添加剂对于细粒子较多的晶种分解实验效果显著，这是由于粒子越细其总表面积越大，使得添加剂的作用越强。

继续分析其粒度变化情况，采用马尔文激光粒度仪检测各样品后，结果如图6所示。

图6中表明，添加剂改变产品粒度的作用受晶种本身的性质所影响。晶种A和晶种B都是同一种活性较强的晶种，其粒度在整个分解过程中是呈现降低趋势的；而河南工业晶种的活性较差，其粒度是随着分解过程的进行而稳步上升的。

总体而言，在其它条件一定下，氢氧化铝晶种本身的性质是决定铝酸钠溶液分解过程的一个主要因素；使用添加剂P可稍微改善其分解率及产品粒度，但不会影响分解过程的整体趋势。

3 结 论

铝酸钠溶液晶种分解过程是氧化铝工业中的重要环节，但当前对其研究不够深入。而添加剂作为一种可以有效改善分解率及产品粒度的手段，实验通过改变晶种系数、调整溶液结构方式、添加剂加入方式以及晶种类型等条件研究了合理使用添加剂的工艺条件。具体结果如下：

1.晶种本身的性质是决定铝酸钠溶液晶种分解过程的主要因素之一，使用添加剂P可进行改善，但不会影响其趋势。

2.晶种的（002）晶面的强度越高，其活性越强。添加剂可以显著地改善产品的形貌，可提高其强度以及粒度。

3.在存在添加剂条件下的铝酸钠晶种分解过程中，增大添加剂P的使用量强化作用相对越大，且在200 mg／L左右效果最好；加入添加剂最适合的时间为分解开始10 h左右，并且添加剂效果随着时间的前后推移逐步减弱；固含越大，溶液分解速度越快，经综合实验比较，发现晶种系数为3.39时可以获得最高分解率和较粗的产品。

［1］ 管永诗，张云.我国铝土矿资源及氧化铝工业现状［J］.矿产保护与利用，1998，6（3）：43－44.

［2］ 顾松青.我国的铝土矿资源和高效低耗的氧化铝生产技术［J］.中国有色金属学报，2004，14（5）：92－97.

［3］ Patricia A，Plunkert.Bauxite and Alunmina，Mineral Commodity Summaries［M］.USA：US Geological Survey：Minerals Yearbook，2003.

［4］ 杨重愚.氧化铝生产工艺学［M］.北京：冶金工业出版社，1993.

［5］ 张学英，和凤枝.高浓度种子分解工艺技术研究［J］.世界有色金属，2000，（9）：28－32.

Effect of a Nonionic Organic Additive and the Nature of Seed on the Precipitation of Sodium Alum inate Solution

LV Jian-ming
（School of Metallurgy and Environment，Central South University，Changsha 410083，China）

This paper has studied technicalway of using a nonionic surfactant to strength the precipitation of sodium aluminate solution，and the effect of the difference of aluminum hydroxide seed.Results show：the nonionic surfactant can improve the decomposition rate，significantly improve crystalmorphology，and increase the size of product；the nature of seed influence the effect of additive greatly，particularly the peak of（002）plane in XRD patterns can reflect the rule；the optimal condition of using the nonionic surfactant is listed as follows，maintain solid content of 1 000 g／L，add it in 10h during reaction about 100 mg／L，and the final product should be removed after 34 h.The nature of seed is themain factor of the seeded precipitation of sodium aluminate solution，and additive can onlymake some improvements.

seeded precipitation；additive；particle size；decomposition rate；activity of crystal seed

TF841.1

：A

：1003－5540（2014）04－0027－05

2014－04－25

吕建明（1988－），男，硕士研究生，主要从事有色金属冶金研究工作。