基于氧化铝赤泥的拜耳法回收再利用技术研究

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

工业上利用拜耳法生产氧化铝的过程中，会产生大量含有氧化铁的废渣，由于废渣中的氧化铁呈现红色，且其含水量较高通常情况下为泥状，因此称之为“赤泥”。赤泥属于强碱性的废渣，如果不慎泄露，会对大气、生态环境、人与动植物产生严重的生命影响。由于氧化铝的制造在近几年达到了蓬勃发展的状态，对于赤泥的处理并没有一个较好的解决方案，反而成为了氧化铝生产的限制因素[1]。目前国内外相关领域的研究人员对于赤泥的无害化处理与资源化利用方面做出了很多深入的研究，例如将赤泥进行改性后作为基体对水体和空气中的有害物质进行吸附，或以赤泥作为原料与其他组分进行混合后作为建筑材料，制备路基或水泥等。由于赤泥中包含很多金属元素，主要含有铝土矿矿石，除此之外，还含有很多铁、钛、硅等元素的氧化物以及不溶性的氧化铝，还有很多其他的氧化物[2]。其中有很多金属具有一定的回收价值，本文从冶金领域入手，将赤泥作为提取有价金属的原料。传统的回收利用方法中，反应物料的反应率较小，为了提高赤泥在回收过程中的反应率，对基于氧化铝赤泥的拜耳法回收再利用技术进行研究。

1 基于氧化铝赤泥的拜耳法回收再利用技术研究

1.1 分析赤泥中的矿物结构组成

利用拜耳法制造氧化铝得到的赤泥中，粒径比较小，在0.005mm～0.075mm，其具有的多空架构决定了它具有很大的表面积。由于其具有的多空架状结构，比重为2840g·m3～2870g·m3，所以具有较强的持水性，塑性指数能够达到17.0-30.0，其含水量为86.1%～90.0%[3]。赤泥中的成分会个根据铝土矿的来源不同而略有差异，我国的拜耳法生产氧化铝产生的赤泥中，主要的组成成分如下表所示：

表1 拜耳法生产氧化铝产生的赤泥组成成分

由于在拜耳法生产氧化铝的过程中，产生的赤泥非找成分非常复杂，与原始的金属矿有很大区别[4]。如果不对赤泥进行改造利用，大量赤泥的存放会占用珍贵的农田和土地，并且需要一些堆场的建设维护费用，因为其成分的特殊性，一旦泄露，会对空气、建筑物表面、土壤和地下水造成不可逆转的污染，且部分赤泥中所含有的矿物质中，还有存在一些镭等放射性物质，危害人与动植物的健康。因此充分挖掘赤泥的价值，从中将一些金属元素回收再利用，是目前处理赤泥较优的方法。

1.2 回收有价金属

对于赤泥中的有价金属来说，赤泥中的氧化铝一般会与铁、钛或钠等金属一起回收。拜耳法赤泥成分复杂，其中包含多种具有回收价值的金属，根据金属的性质不同，相关的工艺也不相同[5]。有价金属一般利用酸法进行回收，酸法使使用H2SO4或HCl浸泡，得到拜耳法赤泥中的铝，再从浸液中提取铝盐，将其进行分离得到金属铝。使用两段盐酸来浸出赤泥，赤泥中一些能够溶解在酸中的金属元素会全部进入液相，而不溶于酸的SiO2以固相的形式析出。浸出的液相通过一系列的蒸发、水解、除钙、中和、溶出等过程，可以从中得到分离出的高钛渣、钙渣、稀土渣和NaAlO2溶液。得到的NaAlO2可用于在工业上生产Al2O3和Al（OH）3，这种提取金属的工艺能够浸出赤泥中88%以上的铝金属元素，并且在回收得到的率金属元素中，80%以上的铝能够实现有效回收。

对于赤泥中的金属回收来说，使用烧结法能有效提高Al2O3的回收率[6]。烧结法主要是将赤泥进行漂洗，当其呈弱碱性后，将其与石灰和Na2CO3在充分混合的情况下经过高温焙烧，在此过程中，需要严格控制石灰和Na2CO3的用量，过多或过少都会影响反应的进程，生成难溶的三元化合物；除此之外，还需要注意温度的控制，温度也会影响Al2O3的溶出率。在这样的反应条件下，赤泥中的Al2O3与加入的CaO和Na2CO3灰生成铝酸钠，赤泥中存在的SiO2与CaO会生成CaSiO3，氧化铁则会生成铁酸钙和铁酸钠[7]。另外使用Na2CO3和和NaOH的稀释溶液能够将熟料中的铝酸钠溶出，碱液中的铝酸钠经过反应分解得到Al（OH）3沉淀，下一步通过高温锻烧，反应生成Al2O3，而溶出渣经过磁选可得到磁铁矿石。在烧结的过程中，如果烧结的时间不足，那么氧化铝就无法完全转化成铝酸钠，导致铝金属无法溶解到溶液中，降低了铝的溶出率[8]。在有价金属的烧结法回收过程中，可以回收到赤泥中大部分的Al2O3。至此完成基于氧化铝赤泥的拜耳法回收再利用技术的研究。

2 实验

2.1 实验准备

为了验证本文设计的方法具有一定的有效性，需要设计实验进行验证。在实验中主要采用的实验原料为某铝业公司拜耳法生产氧化铝所产生赤泥，赤泥的物相分析如下图所示：

图1 拜耳法赤泥的XRD图谱

从上图可以看出，实验赤泥中的主要成分有Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2、CaO、Na2O。本文选择的赤泥中铁含量较高，其中Al2O3、Fe2O3、Na2O三种物质的含量之和为57.33%，因此对赤泥中的铁、铝、钠进行回收能够取得一定的经济效益。在实验过程中，需要用到的实验试剂主要有氢氧化铝、氢氧化钠、盐酸、乙二胺四乙酸二钠、氢氧化钠、醋酸钠、氯化钡、醋酸、石灰、石灰石、无水碳酸钠、水杨酸钠、钨酸钠、氯化亚锡、氟化钠、煤粉，需要用到的实验设备主要有电子天平、低压釜、磁选机、马弗炉、管式电阻炉、高温管式气氛炉、循环水真空机、分光光度计、火焰光度计、鼓风干燥箱、振动磨矿机、多功能矿物混合机、热重分析仪。

在实验过程中，将赤泥、纯碱、石灰、煤粉进行混合，制备成混矿生料，在高温条件下经过还原焙烧后，得到主要成分为硅酸钙、铝酸钠以及磁性铁化合物的熟料，并将其放置在铝酸钠调整液中浸泡，溶出浆液后将溶出液进行分离和洗涤，得到铝酸钠粗液和赤泥溶出渣，将其进行磁选分离，得到铁精矿和尾矿。

将反应物料按照预定的配比在混料机上混合均匀后，使用热分析仪，采用程序升温的控制方式，控制升温速率保持在10℃/min，从室温升到1000℃，载气选择的是高纯度的氩气，流速为100mL/min。并根据热分析仪记录的热重曲线计算出升温过程中各个物相反应和温度之间的关系，通过混合物料的理论失重率和实际失重率来计算出反应率。

2.2 实验结果与分析

为了验证本文方法的有效性，分别使用了本文设计的回收利用技术和传统的回收利用技术共同进行实验，得到的实验结果如下表所示：

表2 实验结果对比

从上表的结果可以看出，本文设计的回收利用的方法能够有效的提高回收过程中的反应率。说明本文研究的基于氧化铝赤泥的拜耳法回收再利用技术具有一定的有效性。

3 结束语

拜耳法生产氧化铝而产生的赤泥作为固体的废弃物，如果不能得到有效的处理，会大量的占用土地并引发一系列的环境问题。因此将赤泥作为原料回收其中的有价金属，成为了目前的研究方向。针对目前赤泥回收利用技术中反应率较低的问题，设计一种基于氧化铝赤泥的拜耳法回收再利用技术。通过实验结果表明，本文设计的方法在赤泥的回收过程中具有更高的反应率。