一種鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟鋁石的方法
2023-05-10 04:39:36
一種鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟鋁石的方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟鋁石的方法，屬於工業氧化鋁領域。本發明採用NaHCO3溶液與鋁酸鈉溶液發生分解反應，添加一水軟鋁石晶種誘導鋁酸鈉溶液結晶析出一水軟鋁石，鋁酸鈉溶液分解後得到的碳分母液經隔膜電解完成碳鹼的解離，在陽極區製得碳酸氫鈉，返回分解工序，實現碳源的循環利用。本發明適用於拜耳法及燒結法鋁酸鈉溶液分解過程，分解速率快且可降低氧化鋁焙燒能耗。
【專利說明】一種鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟鋁石的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氧化鋁生產【技術領域】，特別是關於利用鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟鋁石的新方法。
技術背景
[0002]作為生產金屬鋁的基本原料，氧化鋁生產在鋁工業中佔據著極其重要的位置。目前國內外氧化鋁生產的方法主要有拜耳法、燒結法和聯合法。聯合法是拜耳法和燒結法的組合。拜耳法能耗低，但對鋁土礦的品質要求較高，燒結法能處理低品位鋁土礦，不足之處是耗能偏高。
[0003]拜耳法分解鋁酸鈉溶液採用的種分過程，由於受溶液Na2O-Al2O3-H2O三相平衡的限制，實際生產中拜耳法晶種分解的分解率只能在50%左右，且種分時間長達40-70小時，生產效率低。燒結法分解鋁酸鈉溶液所採用的是CO2碳分法，分解率高一約在90%以上，且碳分時間短一約4-5小時左右，但存在產品質量差、增加了製備CO2工序、氣體利用率低、大量CO2排入大氣汙染環境等問題。拜耳法及燒結法鋁酸鈉溶液分解過程主要反應可用式(I)和式(2)表示:
[0004]Al (OH) 4(叫)—β Al (0H)3(S)+OH (叫)(I)
[0005]Α1(0Η)-4(叫)+C02— β Al (0H)3(S)+CO/—(叫) (2)
[0006]Al(0H)-4(aq) - yA100H(s)+0r(aq)+H20(3)
[0007]理論上鋁酸鈉溶液可以分解出各種氫氧化鋁、一水氧化鋁甚至氧化鋁相，如三水鋁石β Al (OH)3和一水軟鋁石ΥΑ100Η，或者其混合體。目前無論是種分還是碳分，鋁酸鈉溶液分解產物都是三水鋁石，每產出I摩爾氧化鋁，需要170千焦的熱量。若在分解工序以一水軟鋁石的析出(反應3)代替三水鋁石，則焙燒能耗可降低60%，因為一水軟鋁石在490°C下脫水，每產出I摩爾氧化鋁，僅需要72千焦的熱量。因此從生產能耗的角度來看，在分解工序直接析出一水軟鋁石是非常有益的。
[0008]從過飽和鋁酸鈉溶液中直接析出一水軟鋁石的工藝早有報導，1986年Misra和Siva, kumar提出一種「改進拜耳法」，即在115-145°C的溫度下，添加大量一水軟鋁石晶種，直接從招酸鈉溶液中析出一水軟招石。1993年希臘Filippou和Paspaliaris也提出了「晶種分解」析出一水軟鋁石的想法。但目前研究表明從鋁酸鈉溶液中析出一水軟鋁石存在分解速率慢、分解率低、產物粒度小、分解溫度高(100-150°C)等問題。分解速率慢意味著氧化鋁生產中分解工序長和晶種循環量提高，這對氧化鋁的生產是致命的，拜耳法的瓶頸就在晶種分解。產物粒度小意味著難以滿足電解鋁對砂狀氧化鋁的粒度要求，分解溫度高則對氧化鋁生產中的節能降耗不利。
[0009]中國科學院過程工程研究所王志等申報的專利「鋁酸鈉溶液碳酸化分解製備一水軟鋁石的方法(專利號200710065214.7)」提出了在燒結法碳酸化分解中添加大量一水軟鋁石做晶種，在抑制三水鋁石析出同時，實現一水軟鋁石的可控結晶，並輔以晶體生產促進劑，對該過程進行強化。在分解過程中通過控制CO2通氣速度來調節鋁酸鈉溶液中一水軟鋁石的過飽和度(分解梯度)，從而調控晶體生長過程的成核與附聚，使其向有利於一水軟鋁石的方向進行。該方法具有鋁酸鈉溶液分解速率快、析出一水軟鋁石含量高等優點，但存在著只能針對於傳統燒結法生產氧化鋁中採用碳酸化分解的方法，而對於拜耳法生產中鋁酸鈉溶液採用碳酸化分解，則存在分解後大量碳酸鈉溶液在拜耳法系統中無法循環利用及對其他生產環節帶來危害等問題，而且鋁酸鈉溶液碳酸化分解過程難控制；受氣液界面傳質控制及局部過度分解會造成絲鈉鋁石的生成，碳分產品質量較差；分解過程CO2利用率低(通常〈60%)，而且CO2來源於高耗低效的石灰窯。萬平玉、鈕因鍵等(專利號200710178670.2)提出的「一種鹼溶碳分法生產氧化鋁的工藝」是由鹼溶工序、碳分工序和膜電解再生循環工序所組成。鹼溶工序採用高濃度氫氧化鈉溶液溶解鋁土礦中的氧化鋁，得到鋁酸鈉溶液；碳分工序採用碳酸氫鈉或二氧化碳分解鋁酸鈉溶出液；膜電解再生循環工序將碳分工序產物碳酸鈉溶液通過膜電解獲得碳酸氫鈉和氫氧化鈉溶液，並實現物料的循環利用。該方法主要用於生產常規的三水鋁石型氫氧化鋁，在產品晶型、氫氧化鋁粒度和強度調控方面缺乏創新突破，而且該工藝是否適用化學品氧化鋁的生產也有待研究。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在於，針對現有氧化鋁生產方法拜耳法和燒結法中鋁酸鈉溶液分解過程中所存在的不足，提供一種鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟鋁石的新方法，既能夠顯著提高氧化鋁生產效率又能夠實現碳酸氫鈉循環利用，製備出一水軟鋁石粒度大，適合於工業氧化鋁生產。
[0011]本發明提出的一種鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟鋁石的方法，通過以下技術方案實現:
[0012]本發明是利用鋁酸鈉溶液與碳酸氫鈉發生液液中和反應，以一種一水軟鋁石為晶種，使鋁酸鈉溶液分解析出一水軟鋁石，採用隔膜電解碳分母液使碳酸鈉轉化為碳酸氫鈉溶液。主要如圖1所示，包括以下步驟:
[0013]將調配好的鋁酸鈉溶液加入到攪拌著的反應槽中，將晶種係數為0.1~2.0的一水軟鋁石晶種添加到鋁酸鈉溶液中，碳酸氫鈉溶液由蠕動泵打入到反應槽中與鋁酸鈉溶液進行分解反應，一水軟鋁石在晶種誘導下結晶長大，分解2~7h後，得分解產物。
[0014]分解產物經液固過濾分離，固體水洗至中性，在80°C下乾燥製得一水軟鋁石產品，一水軟鋁石含量調控範圍寬，且粒度為砂狀。濾液Na2CO3在一定電流密度下電解一定時間後，在陽極室，碳酸鈉被電解轉化為碳酸氫鈉並釋放出鈉離子和氧氣，如式(4)表示，電解得到的NaHCO3溶液在用於鋁酸鈉溶液分解析出一水軟鋁石。
[0015]2NaC03+H20_2e — 2NaHC03+l/202+Na+(4)
[0016]上述方法的特徵是，鋁酸鈉溶液的濃度Al20360~160克/升，苛性化係數1.3~1.7,攪拌速度100~300r.min—1，一水軟鋁石晶種係數0.1~2.0,分解溶液溫度85~IOO0C，碳酸氫鈉濃度60~120克/升，添加速率0.2~1.0g.L-1.mirT1，添加方式包括慢速與快速兩種，分解時間2~7小時。隔膜電解碳分母液溫度40~80°C，電解時間4~20小時，電流密度0.01~0.lA/cm2。分解完成後產物中一水軟鋁石粒度大，可達到砂狀氧化鋁要求。[0017]此外，所述鋁酸鈉溶液的濃度優選為Al20380~100克/升，苛性化係數為1.3~
1.5，分解溶液溫度為85~95°C。
[0018]所述碳酸氫鈉濃度為80~100克/升，添加速率為0.2~0.5g.L-1.mirT1。
[0019]所述鋁酸鈉溶液分解時間為2~4小時，攪拌速度為100~150r.mirT1。
[0020]所述電解碳分母液溫度為40~60°C，電解時間為5~10小時，電流密度為0.01~0.05A/cm2。
[0021]本發明與現有技術相比如有如下優點:
[0022]( I)適用於拜耳法及燒結法的鋁酸鈉溶液分解過程，分解率高，且析出一水軟鋁石粒度大(平均粒徑80~120微米)，一水軟鋁石含量調控範圍寬(60%~98%)，突破了常規分解過程一水軟鋁石產物粒度細小(〈40微米)、一水軟鋁石含量低(50%左右)的瓶頸。
[0023](2)可採用工業鋁酸鈉溶液為原料，不存在傳統的一水軟鋁石(主要生產活性氧化鋁)製備過程原料成本高、工藝複雜等缺點。
[0024](3)碳分母液(Na2CO3)經隔膜電解在陽極區製得NaHCO3溶液，可直接用於鋁酸鈉溶液分解過程，成本低及可實現原料循環綜合利用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的製造工藝圖。
【具體實施方式】
[0026]下面通過實施例進一步介紹本發明的突出優點和創新點，但本發明決不局限於實施例。實施例1:
[0027]用工業氫氧化招與氫氧化鈉配置招酸鈉溶液200ml,化學成分為Al20360克/升，苛性化係數為1.3，分解溶液溫度85°C，攪拌速度IOOr.min-1條件下，加入晶種係數為0.1的一水軟鋁石晶種，並且用蠕動泵加入濃度為60克/升NaHCO3溶液，添加速率0.2g -L-1 ·min-1,分解時間2h，將析出的一水軟鋁石與碳分母液分離，得到產物一水軟鋁石。所得碳分母液經隔膜電解，電解溶液溫度40°C，電解時間4h，電流密度為0.0lA/cm2，在陽極區得到NaHCO3溶液，調整為合適的濃度待用。
[0028]鋁酸鈉溶液分解產物及碳分母液電解結果見表I
[0029]表I鋁酸鈉溶液分解產物及碳分母液電解結果
[0030]
【權利要求】
1.一種招酸鈉溶液與碳酸氫鈉液相法碳分製備一水軟招石的方法，其特徵在於:米用碳酸氫鈉溶液液相法分解鋁酸鈉溶液，添加一水軟鋁石晶種到鋁酸鈉溶液中，並添加碳酸氫鈉與鋁酸鈉溶液發生分解反應，一水軟鋁石在晶種誘導下結晶長大，分解後經固液分離，得分解產物一水軟鋁石；鋁酸鈉溶液分解後得到的碳分母液經隔膜電解，在陽極區得到碳酸氫鈉溶液，返回到分解過程，實現了碳酸氫鈉的循環利用；所述分解鋁酸鈉溶液條件包括:鋁酸鈉溶液的濃度為Al20360~160克/升，苛性化係數為1.3~1.7，攪拌速度為100~300r.min-1，一水軟鋁石晶種係數為0.1~2.0，分解溶液溫度為85~100°C ;碳酸氫鈉濃度為60~120克/升，碳酸氫鈉添加速率為0.2~1.0g.L-1.min-1，添加方式包括慢速與快速兩種模式，分解反應時間為2~7小時；電解碳分母液溫度為40~80°C，電解時間為4~20小時，電流密度為0.01~0.lA/cm2。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述鋁酸鈉溶液的濃度為Al2O3SO~100克/升，分解溶液溫度為85~95°C。
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述碳酸氫鈉濃度為80~100克/升，添加速率為0.2~0.5g.L 1.min、
4.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述鋁酸鈉溶液分解時間為3~5小時，攬拌速度為150~200r.min、
5.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述電解碳分母液溫度為40~60°C，電解時間為5~10小時，電流密度為0.01~0.05A/cm2。
【文檔編號】C01F7/14GK103449486SQ201310382973
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】王志, 張爽, 劉玲, 王明湧, 公旭中 申請人:中國科學院過程工程研究所