温度对高岭土碱浸过程的影响

塞尔山拜·G　阔布扎陵卡B.A.阿布多力瓦力耶夫·R.A.萨德阔夫N.M-K.依曼噶力耶娃L.M.（“地学冶金选矿中心”股份集团　阿拉木图）



温度对高岭土碱浸过程的影响

塞尔山拜·G阔布扎陵卡B.A.阿布多力瓦力耶夫·R.A.萨德阔夫N.M-K.依曼噶力耶娃L.M.（
“地学冶金选矿中心”股份集团阿拉木图）

摘要以从高岭土提取改性水玻璃和氧化铝精矿为目的。为优化碱浸过程，研究了其中温度的影响。采用浓度［Na2O］为110 g/L的氢氧化钠溶液碱浸高岭土，在液固比为10∶1，反应时间为60 min的条件下，80～120℃的温度范围内进行的试验结果表明：碱浸焙烧高岭土过程中，随着温度的逐步上升到110°C，二氧化硅的溶出率相应地提高并达到最佳值71.0%。与其相应的硅酸钠溶液（浸出液）化学成分：Al2O33.14 g/L、SiO241.0 g/L、Na2O 90.0 g/L、Fe2O30.7 g/L，此溶液可用于改性水玻璃及其它的硅酸盐的加工。同时碱浸出滤渣的化学成分为∶Na2O 0.2%、Al2O349.5%、SiO232.1%、Fe2O31.04%、K2О 0.3%，硅模数为（μSi）1，54。本研究得出以下结论：氢氧化钠溶液碱浸焙烧高岭土过程中，选择性地提取二氧化硅于溶液，而将氧化铝富集于固相的最佳碱浸温度为110℃。在研究得出的最佳碱浸条件下，用氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土可获得硅酸钠溶液和氧化铝精矿。

关键词焙烧高岭土碱浸氢氧化钠溶液二氧化硅溶出率

DOI∶10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.01.023

1　引言

碱浸铝硅酸盐原料过程中，二氧化硅将首先溶入碱金属的氢氧化物溶液形成碱金属硅酸盐溶液，而氧化铝富集于固体残渣，从而能够选择性地溶出二氧化硅，从而获得硅酸盐溶液和氧化铝精矿［1］。氧化铝精矿可用于氧化铝生产，硅酸盐溶液则是制备各种硅酸盐制品的原料［2］。硅酸盐产品用于工业生产的各领域，如，水玻璃作为一种无机粘合剂用于制陶瓷，硅酸盐涂料、复合材料等的制造方面应用也非常广范［3］。随着科学与技术的发展，因改性水玻璃以其独特性能，在航天等尖端科技领域有逐步替代传统水玻璃的趋势。已知的改性液体玻璃制备方法，通常以传统的液体玻璃为原料，通过改性得到改性水玻璃，工艺过程较为复杂，原料利用率不高［4］。

本研究提出的为综合处理高岭土工艺。在碱性阶段，通过引入改性剂，同时获得改性水玻璃。实施方案为：用氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土，使其中的二氧化硅溶入溶液形成硅酸钠的水溶液，氧化铝基本上留在固态的残渣中形成氧化铝精矿。获得的硅酸钠溶液，进一步改性得到改性水玻璃。该方法可综合处理高岭土，在碱浸阶段，同时制备改性水玻璃。达到降低制备改性水玻璃的原材料消耗和缩短工艺流程的目的。为普通水玻璃、改性水玻璃、其它硅酸盐制品和氧化铝的生产提供原料基础。

高岭土和其他铝硅酸盐原料的碱浸过程中，二氧化硅的选择性溶出取决于其矿物成分和碱浸过程进行的条件，其中温度的影响尤为重要［5］。

铝硅酸盐原料碱浸过程是基于其中二氧化硅组分在不同温度下，溶解性不同。在Na2O-Al2O3-SiO2-H2O体系中，碱浸过程，液固比和浸出温度对二氧化硅的选择性溶出影响较大。文献研究表明：当碱浸低品位氧化铝原料时，浸出温度为95～110℃时，原料中Al2O3溶出率低，而有利于SiO2（活性形式）溶于碱性溶液。氧化铝生产则采用高温溶出Al2O3。基于此，以选择性地由高岭土溶出二氧化硅于碱性溶液及优化碱溶过程为目的，作为以往研究工作的延续，为选择最佳的溶出温度，通过温度为80～120℃的条件下进行的试验，就重点因素—温度的影响进行了研究。

2　实验部分

2.1原料与试剂

试验原料为产于哈萨克斯坦阿列克赛也耶夫矿区经焙烧的高岭土（焙烧粘土）。浓度［Na2O］为110 g/ L的氢氧化钠溶液用于碱浸过程。

2.2试验方案

在不同温度下，氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土的试验在内装液体的恒温器中进行。恒温器内置不锈钢圆筒，筒内装入焙烧高岭土样品，液固比为10∶1，倒入浓度［Na2O］为110 g/L的100 mL氢氧化钠溶液，再以500 r/min的速度进行机械搅拌。试验温度分别为80、90、100、110和120℃。在一定的温度下，搅拌持续时间为60 min。

在碱浸焙烧高岭土试验结束后，以速度为3 000 r/min的离心机过滤分离液固反应混合物，化学分析法测定滤液的主要成分Al2O3、SiO2和Nа2O的含量。滤渣经洗涤、干燥后，送物化分析。

2.3研究方法

浸出滤液主要成分采用分析法测定。滤渣的物理化学分析采用X射线衍射和X射线荧光分析，分别使用德国产的D8 ADVANCE«BRUKER»α-钴放射衍射仪和荷兰Axios公司产X射线荧光波谱仪进行。

2.4试验结果的讨论

根据以往的研究结果得知，阿列克赛也耶夫矿区高岭土化学成分为：Al2O331.2%、SiO251.6%、Fe2O30.53%、Na2O 0.1%、K2O 0.6%、烧失量6.3；硅模数（μSi）0.6。含矿物：高岭石63.2%、石英 21.6%、白云母15.3%；高温焙烧后高岭土的化学成分为：Al2O333.6%、SiO255.6%、Fe2O30.37%、Na2O 0.06%K2O 1.82%，烧失量0.47，硅模数（μSi）0.6。X射线衍射结果证明焙烧后，高岭土主要成分：高岭石Al2（Si2O5）（OH）4分解为石英、方晶石和莫来石（3Al2O3·2SiO2）［6］。

本试验就温度对氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土的影响进行了研究，试验结果见表1。

据表1试验结果显示，氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土反应在温度为80℃的条件下进行时，焙烧高岭土中二氧化硅的溶出率为18.9%；反应温度为90℃时，二氧化硅的溶出率为30.0%。以此推类，随反应温度升为110℃，二氧化硅的溶出率提高到71.0%。进一步提高温度到120℃，导致二氧化硅的溶出率急剧减少到27.6%。

表1　温度对氢氧化钠溶液浸出焙烧粘土过程的影响

由试验结果得出：低温条件下，氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土过程中，随着反应温度提高到110℃，由焙烧高岭土样品溶入氢氧化钠溶液的二氧化硅的量依次增加至显现SiO2的最佳溶出率71.0%。在此温度下所得溶液主要成分含量为：Al2O33.14 g/L、SiO241.0g/L、Na2O 90.0 g/L。

X射线荧光分析法鉴定出不同温度下（80、90、100、110、120℃）浸出试验得到的氧化铝滤渣的化学成分。

氧化铝渣和试验用焙烧高岭土样品的成分含量对比见表2。

表2　不同温度下的浸出的氧化铝滤渣和焙烧粘土样品的化学成分含量 %

分析表2中氧化铝滤渣和高岭土样品的化学成分含量得知：当浸出温度由80℃逐渐提高到110℃时，沉积于固相中的Al2O3含量由原样品中的31.33%提高到49.52%；继续提高反应温度为120℃导致固态反应渣中Al2O3含量46.01%的降低，这意味着Al2O3开始溶解。与Al2O3百分含量的变化相比，SiO2在固相的百分含量将随着温度的升高（至110℃）而降低：在原始样品中SiO2的含量为44.4%，碱浸过程在温度为80℃的条件下进行时，其含量降为38.6%，相应地，90℃时为38.0%，100℃时为32.96%，110℃时降为32.12%，当浸出在温度为120℃的条件下进行时，固相中SiO2的百分含量显示为32.15%，即出现上升趋势。

由以上所述固相中Al2O3与SiO2的百分含量的变化得知：随着碱浸温度从80℃升高到110℃，碱浸所得氧化铝滤渣的硅模数相应地由0.6上升到1.54。

分析滤渣中Al2O3和SiO2含量变化得出推论：氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土样品过程中，随着温度的逐步升高到某一界限（110℃），固相中Al2O3含量依次升高，而SiO2的含量则降低。氢氧化钠溶液在温度为110°的条件下浸出焙烧高岭土后所得到的氧化铝滤渣的化学组分含：Na2O 0.2%、Al2O349.5%、SiO232.1%，Fe2O31.04%、K2O 0.3%，硅模数（μSi）为1.54，其X光衍射曲线见图1。

图1　在110℃温度条件下碱浸焙烧粘土所得氧化铝滤渣的X光衍射图

试验结果证明以下原理：氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土过程在低温（80～110℃）条件下进行时，在浸出的起始阶段，样品中氧化硅的溶解速度快于水合铝硅酸钠的形成速度，即高岭土中的活性氧化硅溶入碱液形成硅酸钠溶液。当提高温度到120℃时，因固态莫来石（3Al2O3·2SiO2）相开始发生溶解，使Al2O3溶入碱液。

因此，选择性地由焙烧高岭土溶出SiO2于碱液而得到硅酸钠溶液和氧化铝滤渣的最佳温度为110℃。低温碱浸高岭土—化学选矿有利于制得适用于各种硅酸盐生产的硅酸钠溶液和氧化铝滤渣。

所得研究结果将作为优化高岭土浸出过程的依据，应用于制备改性水玻璃和氧化铝精矿的过程。

3　结论

经分析试验结果得出以下结论：

氢氧化钠溶液浸出焙烧高岭土在低温条件下进行时，氧化硅首先溶入溶液形成硅酸钠，氧化铝留在固相以形成其精矿。在以下条件下：氢氧化钠溶液浓度［Na2O］为110 g/dm3，反应用液固比为10∶1，时间为60 min，温度在70～120℃范围内，进行的碱浸。哈萨克斯坦阿列克赛也耶夫矿区高岭土试验结果证明：碱浸焙烧高岭土的过程中，有利于选择性提取二氧化硅于溶液而富集氧化铝于沉淀的最佳温度为110℃。在此温度条件下碱浸焙烧高岭土，得到的硅酸钠溶液，其化学成分：Al2O33.14 g/L、SiO241.0 g/L、Na2O 90.0 g/L、Fe2O30.7 g/L，与此同时，得到的固态氧化铝渣的化学成分为∶Na2O 0.2%、Al2O349.5%、SiO232.1%、Fe2O31.04%、K2О 0.3%，硅模数为（μSi） 1.54。

有关文献研究结合试验结果分析表明：在低温条件下碱浸低品位的氧化铝矿（高岭土等硅酸盐矿）能选择性地浸出氧化硅于溶液，氧化铝富集于沉淀，形成碱金属硅酸盐溶液和氧化铝精矿，可为各种硅酸盐产品（改性水玻璃）和氧化铝的生产提供原料。

参考文献

［1］ Инновационныйпатент №25939.Способ переработки золы от сжигания углей.Сатылганова С.Б.，Мылтыкбаева Л.А.，Сарсенбай Г.，Ковзаленко В.А.，Садыков Н.М-К.Бюл.№8.2012.

［2］Патент 2495823 РФ.Способ получения жидкого стекла из силиката натрия/Ефименко С.С.，Соколов Б.А. опубликовано 20.10.2013.

［3］Обзор рынка силикат-глыбы и жидкого стекла в СНГ/Инфомайн，Издание 5-е.Москва.2013.

［4］Патент 2446100 РФ.Способ модифицирования жидкого стекла/Ковалева Т.В.，Киселева Л.В.，Емельянова О.Н.Способ модифицирования жидкого стекла，патент РФ，№2446100，опубликовано∶27.03.2012.

［5］Абрамов В.Я.，Стельмакова Г.Д.，Николаев И.В. Физико-химическиеосновыкомплекснойпереработки алюмосиликатногосырья（щелочныеспособы）. Издательство«Металлургия».Москва.1985.с 286.

［6］Ковзаленко В.А.，Сарсенбай Г.，Садыков Н.М-К.，ИмангалиеваЛ.М.Каолины-некондиционное алюмосиликатное сырье//Комплексноеиспользование минерального сырья.№3.2015.С.32-37.

收稿：2015-12-14