世界范围内铝土矿分布不均,我国目前探明铝土矿资源储量约39.5亿吨,但由于人口基数大和人均消费的不断升高,同时随着优质铝土矿的不断消耗,使得我国铝土矿进口量逐年增加,有效综合利用我国储量巨大、利用率极低的低品位铝土矿资源是急需解决的问题。黔中铝土矿是贵州省重要铝土矿产区,长期以来的开采积攒了大量的铝质岩,其中富集铝和锂等有价元素,高效的资源综合利用是最理想的开发方式。通过对黔中铝土矿中铝质岩锂元素赋存状态及分离富集机理研究,可为铝质岩资源的有效综合利用提供有价值的参考资料。论文以黔中下石炭统九架炉组铝土矿上部顶板的铝质岩为研究对象,对其中锂元素的赋存状态、酸法浸出其中铝锂元素和化学吸附共沉淀法提取溶液中铝锂元素进行了研究,并对混酸浸出和铝锂吸附共沉淀过程机理进行分析,主要取得以下结论。1.查明铝质岩综合样品主要由一水硬铝石、勃姆石、高岭石、伊利石和锐钛矿等矿物组成。主要化学成分是Al₂O₃和SiO₂,铝硅比为1.19,Li含量最高为980ppm。通过偏光显微镜、扫描电镜配合能谱分析和电子探针等手段鉴定高岭石和伊利石多呈层状、片状,一水硬铝石和勃姆石多呈微粒凝结呈胶状、短柱状为主,少量呈细鳞片状等。锐钛矿以颗粒状零星散布镶嵌在矿物交界处和一水硬铝石空隙中。矿物嵌布粒度细,解离度低。2.以飞行时间二次离子质谱等现代仪器分析方法,结合化学物相法查明锂在铝质岩中赋存状态,并得出Li主要赋存在粘土矿物中,少量存在于一水硬铝石和勃姆石中。认为Li主要以离子键连接在高岭石和伊利石晶体结构中铝氧八面体外羟基上和硅氧四面体正电荷亏损处,少部分在一水硬铝石和勃姆石晶体中以离子形态占据缺失的氢离子位置。由于铝质岩中含有高品位的硅,可采用焙烧、酸浸等方法回收利用铝锂等元素。3.采取免焙烧混酸直接浸出和焙烧后再酸浸两种方法,从铝土矿铝质岩中提取铝锂元素。利用硫磷混酸直接浸出铝质岩中铝、锂元素,无需进行预先活化,便可取得较佳浸出效果。并得到最佳浸出实验条件是酸浓度60%、液固比4:1mg/L、反应温度100℃和反应时间3h,此时铝锂元素的浸出率最高达到88.64%和96.35%。分析混酸浸出过程的热力学和动力学,通过热力学常数计算,确定浸出过程中可自发进行的主要化学反应。对动力学进行分析后,计算得到硫磷混酸浸出活化能为50.97 KJ/mol,确定硫磷混酸浸出过程受化学反应控制。在预先焙烧后盐酸浸出实验中,经过对比微波和马弗炉焙烧效果,得出微波焙烧具有用时短、焙烧温度低的特点,锂元素最高浸出率达到95%。4.通过调节先焙烧后盐酸浸出液p H值,使得溶液中99%以上的Al以氢氧化铝沉淀从溶液中分离提取。进行优化条件实验,在p H=7,反应时间10min和反应温度25℃下获得99%和95%的铝、锂沉淀率。不同的沉淀p H值对生成氢氧化铝沉淀的晶型会有明显的影响。在p H=4时,会得到无定型氢氧化铝,其表面密布由粒度小于100纳米的颗粒连接在一起形成的孔道结构。在p H=7时生成拜耳石,由板状、棒状和粒状的晶体紧密堆积团聚组成,晶体颗粒均匀,单个晶体尺寸在50纳米左右。在氢氧化铝的沉淀过程中会吸附溶液中的锂,进而使得铝锂吸附共沉淀,锂沉淀率稳定在90%-95%区间内。对比原矿,此时铝的回收率达到85%,锂回收率达到88%。锂离子不会因为氢氧化铝沉淀晶型的变化而失效或脱附。5.制备的氢氧化铝沉淀经过高温1100℃煅烧后水洗便可获得氧化铝和较纯净含锂溶液。所得氧化铝具有两种晶体形态,一种粒度在100纳米左右,呈板状、片状紧密堆积,一种晶体呈现六方柱状、板状并成簇状生长聚集,晶簇粒径达到微米级。含锂溶液通过Na₂CO₃沉淀法制得碳酸锂颗粒,粒度均匀,尺寸在5μm左右,呈四角、六角片状,分散度好,由呈簇状聚集细小晶粒构成,晶体各向生长性好。6.利用等温吸附模型、吸附热力学和动力学对铝锂吸附共沉淀过程机理进行研究。Langmuir等温吸附方程和Temkin等温吸附方程都能很好地描述铝锂吸附共沉淀过程。吸附热力学常数的计算结果说明,铝锂吸附共沉淀过程可以自发进行,是一个放热过程,温度升高不利于反应进行,并且是一个混乱度降低的过程。通过吸附动力学的分析,铝锂吸附共沉淀的过程可以用准二级速率模型较准确描述,锂离子在氢氧化铝上的吸附最初可能受外部质量扩散控制,随后受颗粒内扩散过程控制。7.利用DMol³在广义梯度近似(GGA)下,采用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)公式进行铝锂吸附密度泛函理论(DFT)的计算,经过态密度的分析得出锂离子可以占据氢氧化铝中六个铝原子组成的六边形中心的空穴位,与临近的氧原子成键,计算锂离子进入氢氧化铝结构过程中迁移势垒得出迁移过程属于放热反应。