拜耳法赤泥硫酸铁脱碱研究

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赤泥是氧化铝生产工艺中产生的大宗固废,因其具有产生量大、碱性强、综合利用难度大的特点,目前仍以堆存处理方式为主。赤泥堆场存在地下水及周边土壤污染风险,赤泥的综合利用一直是学者们探索的重要领域之一。赤泥脱碱是其资源化与降低赤泥堆场环境风险的关键环节。国内外学者对赤泥脱碱进行了大量研究,主要脱碱技术有水洗法、酸浸法、石灰水热法、CO2碳化法、盐浸法、生物法等。综合来看,均存在脱碱效果差或成本高等问题。本研究利用硫酸铁盐对赤泥进行脱碱,由于提高了赤泥铁含量,为回收赤泥铁资源或赤泥脱碱后的再利用提供有力条件。本研究利用硫酸铁水解呈酸性的特性对赤泥进行脱碱,硫酸铁作为一种来源广泛的铁系混凝剂,廉价易得。从而达到脱碱过程中实现Fe向赤泥富集,提高赤泥铁品位,增加赤泥的团聚性,利于后续赤泥Fe回收资源化利用的目的;通过考察赤泥脱碱的优化条件,结合XRD、SEM等材料表征方法,分析Fe向赤泥转移形态以及对赤泥形貌变化的影响,并研究了硫酸铁赤泥脱碱机理及动力学。结论如下:(1)与硫酸亚铁相比,由于Fe3+的水解效果优于Fe2+,硫酸铁脱碱效率更高;温度对赤泥的脱碱率影响较小,当赤泥硫酸铁质量比1:1,室温下反应1 h后,脱碱率达到70%。然而,当Na/Fe摩尔比大于1:1时,脱碱率几乎无变化。赤泥焙烧后可以提升水洗脱碱效果,当硫酸铁与赤泥混合焙烧后,随焙烧温度升高脱碱效果降低,原因在于硫酸铁受热分解导致脱碱组分含量降低。上清液与碱渣的重复使用对脱碱率与Fe离子富集率影响较低,首次脱碱便能达到预期脱碱率与铁富集率。上清液中SO42-、Fe3+在脱碱前30 min基本消耗完,Fe浓度与p H显著相关(R2=0.998),Fe富集率可用于评价赤泥碱溶出效果。(2)赤泥脱碱过程中Fe3+水解生成的Fe(OH)3等络合物能促进赤泥微粒团聚沉降,同时,碱渣脱水后形成的Fe2O3具有一定的水稳性,加强了团聚体的结构强度,保证赤泥粒度能够稳定集中在5.02μm范围内。硫酸铁脱碱使得赤泥的铁品位从8%提升至18%,而SO42-主要与赤泥中的Ca CO3反应生成Ca SO4进入到赤泥。赤泥中结合Na主要固定在Na6(Al Si O46等硅酸盐的Al-O-Si键三维骨架中,此类结合碱难以通过水洗方式脱除,然而,硫酸铁水解过程产生H+与SO42-,H+通过黏附到氧的弧电子对上削弱Al-O-Si键,SO42-进而与含Al基团反应,从而破坏Na6(Al Si O46晶体结构,达到释放赤泥中结合碱的效果。硫酸铁赤泥脱碱符合多相液固区域反应动力学特征,使用Avrami(阿弗拉密)方程进行硫酸铁对赤泥Na溶出动力学分析。通过拟合求得活化能Ea=9.94 k J/mol,在不同赤泥硫酸铁质量比的浸出过程中,特征参数n=0.151,反应级数N=0.7207,指前因子k0=536.2,浸出过程受扩散控制。
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