根据我国铝土矿资源现状和资源特点,中低品位铝土矿占我国铝土矿资源的90%以上,传统拜耳法生产氧化铝对铝土矿品位要求较高,且尾渣赤泥中会夹带大量氧化铝和钠碱,造成巨大的经济损失和环境污染问题。高硅一水硬铝石型铝土矿在拜耳法工艺中不能得到有效利用。随着我国铝工业的发展,资源质量不能满足现工业技术需求。所以为解决上述问题,本课题组提出了“钙化-碳化法”生产氧化铝的新工艺,并且可以作为较有发展前景的赤泥无害化工艺方法,并且在这过程中有效回收氧化铝和钠碱,生成的新型赤泥尾渣由于较低的含碱量,为其后续利用和土壤化提供可能。钙化-碳化法的核心工艺-钙化过程受过程因素影响,不同条件生成的钙化渣对后续工艺处理有较大影响,低品位铝土矿中含硅物相高岭石为代表存在形式,在经过钙化过程,转化为水化石榴石相。据此本研究通过天然高岭石矿物作为铝土矿中硅矿物,经过钙化反应考察其生成水化石榴石的过程,解析其溶解机理;后续碳化过程考察生成的水化石榴石相分解行为和机理,具体内容及结果如下:(1)高岭石钙化反应热力学计算结果表明:随着反应温度的升高,部分硅饱和系数的水化石榴石生成反应越不易进行;碳化过程中,低硅饱和系数碳化分解过程更易进行,且此过程受压力影响不大。(2)通过钙化过程的高岭石溶解动力学实验,确定了高岭石在钙化反应中,过程受表面化学反应控制,反应活化能达到95.13 kJ/mol;反应温度较高时,高岭石溶解迅速,180℃反应时反应10min后高岭石反应率超过90%。分析高岭石溶解机理:高岭石在碱溶解过程中,硅氧键和铝氧键断裂。水分子与SiO44-离子位点与水分子结合成活化分子,而铝离子位点与氢氧根结合成活性Al(OH)4-复合物。(3)钙化反应渣硅饱和系数考察表明,随着反应的时间进行,水化石榴石相的硅饱和系数呈上升趋势;且硅饱和系数受反应温度影响较大,生成的水化石榴石颗粒呈不同硅饱和系数水化石榴石层包裹状态,由内到外硅饱和系数逐渐增大;钙化机理反应中由于高钙环境下母液的加入,致使母液中的铝离子复合物与瞬间与氢氧化钙发生反应生成水合铝酸钙,在反应初期,体系内氢氧化钙大量存在,体系发生反应时生成的铝酸钙包裹在氢氧化钙表面,并随着高岭石的被碱溶解过程,继续释放出Al(OH)4-复合物并与氢氧化钙发生反应,同时随着高岭石溶解体系内活性SiO44-离子复合物含量逐渐升高,并与铝酸钙相发生结构替代生成水化石榴石相3CaO·Al2O3·xSiO2·(6-x)H2O。(4)碳化及溶铝实验表明:硅饱和系数越大对碳化分解反应越不利,碳化分解过程反应速率明显分为两个阶段,反应后期碳化渣表明绒状生成物,会影响整个反应的扩散,使后期反应受从产物层扩散影响;高岭石矿物生成的水化石榴石在120℃反应条件下,90min即可完全被碳化分解;碳化机理:二氧化碳溶于溶液形成碳酸根离子,碳酸根破坏水化石榴石相生成水合硅酸钙、碳酸钙以及无定形氢氧化铝,生成的水合硅酸钙再被碳酸根进行分解生成原硅酸相和碳酸钙,原硅酸相易失水生成硅酸,受热分解最终生成无定形的二氧化硅凝胶。铝载体应该以无定形氢氧化铝形式存在,再经过低碱溶铝过程氢氧化铝得到有效回收。