铝土矿浮选尾矿制备聚合硫酸铝铁的研究

Posted 2023-01-12 尾矿

篇首语：有志者事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚。。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了铝土矿浮选尾矿制备聚合硫酸铝铁的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

某铝土矿浮选尾矿在600℃下焙烧3h后，按照硫酸溶液(浓度45%)与焙砂5∶1的液固比，在100℃下浸取3h，铝、铁的浸出率分别达到61.65%和94.10%。浸出液中通过适量添加硫酸亚铁和双氧水，制备的聚合硫酸铝铁液态产品符合国家标准。不同水样的混凝试验结果表明，该产品对于浊度的降低和固体悬浮物的去除具有较好效果。
铝土矿浮选尾矿与赤泥是我国氧化铝工业两大固体废弃物。随着我国高品质铝土矿资源的日益消耗，低品位铝土矿资源开发利用量越来越大，大量固体废弃物的堆存既占用土地，又引发地质灾害和环境污染等问题，因此解决尾矿的综合利用，实现废物资源化，对于氧化铝工业的可持续发展具有重要意义。
铝土矿浮选尾矿中含有A，lFe，Si等元素，理论上可以作为制备聚合硫酸铝铁的原料。聚合硫酸铝铁(PAFS)综合了聚合硫酸铝(PAS)和聚合硫酸铁(PFS)的优点，是一种新型复合高效水处理剂，越来越广泛用于各类废水的净化处理。本研究用铝土矿尾矿为原料，通过焙烧、酸浸、聚合等环节，制备聚合硫酸铝铁，并考察了聚合硫酸铝铁的水处理效果。
1 试验原料与试验方法
1.1 试验原料
铝土矿浮选尾矿取自河南某铝业公司，其化学成分与物相分析结果列于表1和表2。

从表1和表2可看出，A，lS，iFe是尾矿中主要元素，如何提高一水硬铝石、伊利石和赤铁矿中Al和Fe的浸出率，是本研究的关键问题。
其它原料：98%浓硫酸、氢氧化钠、双氧水均是分析纯，硫酸亚铁(FeSO4.7H2O)为化学纯。
1.2 试验方法
1.2.1 聚合硫酸铝铁的制备方法
尾矿焙烧、酸浸、聚合是制备聚合硫酸铝铁的主要环节，试验过程如下：
(1)将干燥的尾矿在一定的温度下焙烧一段时间，得到焙砂。
(2)焙砂与一定浓度的硫酸溶液按一定的配比，在一定的温度下，搅拌一定的时间。
(3)将尾矿酸浸溶液进行固液分离，得到滤饼和滤液。
(4)按照一定的Al/Fe摩尔比，向滤液中加入硫酸亚铁。
(5)加入一定量的氧化剂(双氧水)，使Fe2+转化为Fe3+。
(6)调节溶液的pH值，保温一定时间，得到液态聚合硫酸铝铁。
主要仪器设备为鼓风干燥箱(101型)、马弗炉(SX2-4-10)、酸度计(PB-10)、恒温油浴锅(OB-10)、调速搅拌机(DJ1C)、三口烧瓶(500mL)、真空过滤机(AP-01P)等。
1.2.2 水处理试验方法
取一定量(500mL或1L)水样，用NaOH溶液或稀硫酸溶液调水样的pH值，加入一定量的聚合硫酸铝铁溶液，在150r/min转速下搅拌1min，再在75r/min转速下搅拌10min，静置30min后取液面下约2.5cm处上清液进行浊度、化学需氧量(COD)、固体悬浮物(SS)和色度等污染指标的测定，并计算相应的去除率。试验所用水样为长江水、小区生活污水和焦化废水。
主要仪器设备为程控混凝试验搅拌仪(TA6-2型)、COD测定回流装置、紫外-可见光分光光度计(T6型)、浊度仪(TDT-1型)等。
2.试验研究与结果讨论
2.1 Al、Fe浸出条件试验
2.1.1 焙烧温度对浸出率的影响
试验在焙烧时间3h、酸浸温度100℃、酸浸时间4h、液固比(40%硫酸溶液与焙砂的质量比)为6的情况下考察焙烧温度对Al和Fe浸出率的影响，结果如图1所示，图2为铝土矿浮选尾矿的热分析曲线。

由图1可知，当焙烧温度为600℃时，Al和Fe的浸出率均接近或达到最大。说明焙砂在此温度下铝、铁矿物的化学活性均达到最大程度。
图2中热重曲线显示，在400～600℃温度区域内，尾矿的质量损失十分明显，而当温度达到592℃左右时，质量损失出现拐点，质量减小的速度开始平缓，这可能与铝土矿尾矿中的高岭石、伊利石、一水硬铝石等物相的分解和脱水密切相关。差热曲线显示，大约在450～600℃之间出现吸热谷，这正好与热量曲线的质量快速下降区吻合；在600～850℃区间内进一步升高温度，曲线几乎水平。当温度达到1000℃以后，虽然这个较宽的温度范围内尾矿质量几乎不再发生变化，但吸热过程照常进行。这说明铝土矿浮选尾矿在受热过程中发生过脱水等激烈的化学反应，使得尾矿的化学成分和性质发生了变化。
铝土矿浮选尾矿中含有一定量的高岭石、伊利石以及一水硬铝石，其性质与铝土矿相似。姜涛的研究表明，对高岭石的热处理可以提高高岭石的活性，表现在高岭石受热过程中自由水和结构水得以排除，其中的晶体结构遭到破坏，进而生成性质和结构特殊的中间物，如无定形的偏高岭石。高岭石的脱羟基反应开始和结束温度分别发生在420℃和670℃，1200℃以后中间产物偏高岭石便完全转变为莫来石。
伊利石在高温条件下发生脱羟基作用，其中吸附水和层间水从岩相中脱除，从而引起岩石孔隙度增高，比表面积增大，同时结构发生分解而转变成非晶态物质。焙烧温度达到596℃时伊利石吸热最强烈；温度超过1100℃，晶态物质转变为莫来石。一水硬铝石的脱羟基作用发生在450℃左右，温度继续升高，生成热稳定性很好的α-Al2O3。一水硬铝石从脱去结晶水到高温下产生的γ-Al2O3转变为莫来石的过程中产生一系列中间产物，由无序向有序过渡。
铝土矿浮选尾矿属于复杂的铝硅酸盐矿物，经过焙烧处理后结构会发生很大的变化。而不同的热处理程度会造成铝土矿成分向不同方向转变，因此可能会不利于铝、铁的浸出。
铝土矿浮选尾矿的成分复杂，热分解情况比单纯的一水硬铝石、伊利石和高岭石要复杂得多。由图2可以看出，铝土矿浮选尾矿在加热到517.8℃左右时吸热最剧烈。在这个温度下焙烧，控制保温时间，可以使铝土矿浮选尾矿里的物相向有利于铝、铁浸出的方向发展。若尾矿的焙烧温度过高，将会引起尾矿的固结和其中岩石成分转变为性质不活泼的莫来石，达不到提高铝、铁浸出率的效果。
2.1.2 焙烧时间对浸出率的影响
试验在焙烧温度600℃，酸浸时间4h，酸浸温度100℃，液固比(40%硫酸溶液与焙砂的质量比)为6的情况下考察焙烧时间对Al和Fe浸出率的影响，结果如图3所示。

由图3可知，焙烧时间为3h时Al和Fe的浸出率均达到最高，焙烧时间进一步延长，对Al的浸出率影响不大，而Fe的浸出率却明显下降。由于赤铁矿是尾矿中铁的主要赋存状态，赤铁矿经热分解成磁铁矿，当保温时间延长，赤铁矿大量向磁铁矿转化，进而表面发生热固结现象，形成Fe3O4-FeO固熔体。这种结构不利于铁的酸浸溶出，同时考虑到节约热能，故确定最佳焙烧时间为3h。
2.1.3 酸浸温度对浸出率的影响
试验在焙烧时间3h、焙烧温度600℃、酸浸时间4h、液固比(40%硫酸溶液与焙砂的质量比)为6的情况下考察酸浸温度对Al和Fe浸出率的影响，结果如图4所示。

从图4可知，60℃时铁的浸出率为41.65%，随着酸浸温度升高到80℃，浸出率迅速提高到94.10%，进一步提高温度对铁的浸出率影响不大；在60～100℃的区间内，铝的浸出率随浸出温度的提高而升高，当浸出温度达100℃以后，浸出率变化不大。因此酸浸温度应为100℃，此时铝、铁的浸出效果最好。
2.1.4 酸浸时间对浸出率的影响
试验在焙烧时间3h、焙烧温度600℃、酸浸温度100℃、液固比(40%硫酸溶液与焙砂的质量比)为6的情况下考察了酸浸时间对Al和Fe浸出率的影响，结果如图5所示。

由图5可见，酸浸时间2h，铁的浸出率就达到92.55%，酸浸时间进一步增加，对铁浸出率影响甚微；铝的浸出率在3h时达到59.32%，进一步增加酸浸时间，铝浸出率变化不大。因此最佳酸浸时间为3h。
2.1.5 硫酸溶液浓度对浸出率的影响
试验在焙烧时间3h、焙烧温度600℃、酸浸时间3h、酸浸温度100℃、液固比(40%硫酸溶液与焙砂的质量比)为6的情况下考察了硫酸溶液浓度对Al和Fe浸出率的影响，结果如图6所示。

从图6看出，浸出所用硫酸溶液质量浓度较低时，铁、铝的浸出率均较低；当硫酸浓度达到45%时，浸出效果最佳；之后，随着硫酸浓度增大，铝的浸出率变化很小，但铁的浸出率开始下降。从试验现象来看，硫酸浓度达到60%时，酸浸混合液呈糊状，影响了反应物与产物的传质，因此铁的浸出率下降。
2.1.6 液固比对浸出率的影响
试验在焙烧时间3h、焙烧温度600℃、酸浸时间3h、酸浸温度100℃、硫酸浓度45%的情况下考察液固比对Al和Fe浸出率的影响。结果如图7所示。

从图7可知，液固比为5时，铝、铁浸出率达到较大值，进一步增大液固比对铁、铝的浸出率影响不大。因此，经济合理的液固比为5(硫酸浓度45%)。
2.2 聚合硫酸铝铁的制备及性能测试
2.2.1 聚合硫酸铝铁的制备
在尾矿焙烧温度为600℃、焙烧时间为3h、焙砂酸浸温度100℃、酸浸时间为3h、硫酸溶液质量浓度45%、酸液与焙砂的液固比为5的条件下得到浸出液，加入一定量的硫酸亚铁(FeSO4.7H2O)使酸浸液中Fe和Al摩尔比为1，然后缓慢滴加双氧水使二价铁氧化为三价铁，最后滴加20%的NaOH溶液使混合液的pH值为1，再在85～90℃下搅拌保温4h，冷却后即为液体聚合硫酸铝铁(PAFS)。
2.2.2 产品检测
由于目前聚合硫酸铝铁尚无国家标准，将制备的聚合硫酸铝铁液体产品参照聚合硫酸铁国家标准进行密度、Fe2O3含量、砷含量、重金属(以铅计)、还原性物质、不溶物、盐基度、pH值等指标的检测，并增加对Al2O3含量的检测，其结果见表3。

如果不考察Al2O3含量，所制备的聚合硫酸铝铁液体产品已经符合聚合硫酸铁国家标准。
2.3 混凝试验
用液体PAFS分别对武汉某处的长江水、武汉某小区的生活废水和武钢焦化废水进行混凝试验。试验时，针对不同的水样及其污染指标，采用不同的PAFS用量和水样pH值，最佳试验结果如表4。

由表4可以看出，PAFS对生活污水和工业焦化废水中可溶性的COD、色度去除效果不理想；对浊度、SS的去除效果明显，尤其是对浊度的去除率均在90%以上，这突出显现了无机絮凝剂的特性。由于Al3+，Fe3+离子水解、聚合产生高电荷无机离子聚团，靠这些无机聚合物的电性中和、卷扫作用，实现对水中悬浮物、胶体物质的絮凝。
3 结论
(1)尾矿在600℃下焙烧3h、焙砂用浓度为45%的硫酸溶液作浸取剂、5倍的液固比、100℃下搅拌浸出3h，铝、铁的浸出率分别达到61.65%和94.10%。
(2)制备的聚合硫酸铝铁产品符合国家质量标准，在处理长江水、生活污水和工业焦化废水时，具有好的去除浊度、降低SS含量效果，对色度、COD也有一定的去除效果。