钾长石-碱渣体系提钾过程研究

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碱渣是氨碱法生产纯碱过程中产生的主要固体废弃物。我国作为世界上最大的纯碱生产国,氨碱法制纯碱年产能约1200万t,每年排放的碱渣约400万t。截至目前为止,碱渣堆存量已超过1亿t,不仅占用大量宝贵土地,而且对周围环境造成极其恶劣的影响,因而碱渣的治理刻不容缓。我国碱渣的处理主要有排海、渣场堆放等方式,都没有从根本上解决碱渣大量堆积的问题,碱渣中的有效成分也没有得到综合利用。在此背景下,本文提出一种有效处理碱渣的新工艺,即钾长石-碱渣体系高温焙烧酸浸提钾及综合利用工艺。  首先,通过化学组分分析、热重分析、红外光谱分析和XRD分析方法对钾长石矿粉和碱渣进行理化特性分析及物相分析。结果表明:本文所用钾长石矿粉的主要成分为SiO2(63.77%)、Al2O3(18.70%)、K2O(13.97%)、Fe2O3(1.10%)、MgO(0.34%)和Na2O(0.24%)等,所含钾长石是一种结构稳定的微斜长石;碱渣的主要元素为Ca(34.04%)、C(7.67%)、Cl(6.27%)、Na(1.57%)、Si(1.40%)、Al(1.06%)和S(0.71%)等,其中的钙盐和钠盐等均有助于钾长石的分解。  然后,对钾长石-碱渣体系提钾工艺条件及浸出液综合利用进行研究。将钾长石矿粉和碱渣经研磨、混合均匀、高温焙烧、浸出过程以制备可溶性钾,并利用浸出液制备氢氧化铝、氧化铁产品。(1)通过单因素实验和正交实验,得出焙烧温度对钾提取率的影响最大,碱渣与钾长石矿粉的质量配比影响次之,焙烧时间的影响最小,确定反应体系的最佳焙烧工艺条件为:碱渣与钾长石矿粉的质量配比为8、焙烧温度为1100℃、焙烧时间为60min,在此条件下钾的提取率可达96%。(2)通过添加盐泥、硼砂作为外加助剂对反应体系的影响进行研究,得出外加助剂对钾提取率的影响不大,故本工艺不添加外加助剂。(3)在最佳焙烧工艺的基础上,通过条件实验对体系焙烧产物的浸出过程进行研究,得出最佳浸出条件为:盐酸初始浓度为18%,液固比为3.5,浸出温度为105℃,浸出时间为10min。(4)通过对浸出液中制备的氢氧化铝、氧化铁产品进行XRD分析和化学分析,得出氢氧化铝、氧化铁产品分别符合国标GB/T4294-2010、国标GB1863-2008中的要求,且混合物料中铝和铁的提取率可分别达到90.47%和89.16%。  最后,对钾长石-碱渣体系焙烧过程的反应机理进行探究。(1)对钾长石矿粉在不同温度下焙烧后的有效钾含量进行测定及其焙烧产物进行XRD分析,结果表明:钾长石在不同温度下结构变化不大,钾提取率较低。(2)对钾长石-碱渣体系在不同温度下的焙烧产物进行XRD分析,得出温度不同,焙烧产物不同。据此推测钾长石-碱渣体系的焙烧反应机理为:当温度达到1000℃以上时,体系中的氧化钙活性特别高,不断消耗钾长石分解产生的二氧化硅,进而破坏钾长石的稳定结构,有利于结构疏松、可被酸解的白榴石等聚合度较低的硅酸盐物质生成,促进钾的熔出。(3)对钾长石-碱渣体系焙烧过程中可能发生的反应进行热力学计算和分析,判断体系中各反应发生的可能性及难易程度。  本文所提出的新工艺为治理碱渣问题提供了新思路,旨在综合利用碱渣中的有效成分,解决碱渣堆积造成的一系列环境问题和社会问题,同时可有助于解决我国可溶性钾资源短缺的问题。研究成果将在理论和工艺上促进碱渣的综合利用,具有较高的理论价值和工程意义。
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