高铁三水铝石矿是一种特殊的进口铝土矿资源,矿石中氧化铁含量通常超过30%,有较大回收利用价值,目前国内一般采用低温拜耳法工艺处理。但传统低温拜耳法工艺溶出赤泥中氧化钠含量较高,不利于赤泥中氧化铁资源的利用。本文系统研究了高铁三水铝石矿矿物结构、常压溶出性能与溶出动力学、常压溶出铝酸钠溶液物化性质以及产出固体废渣的性能和应用,研究结果可为高铁三水铝石矿有效、经济提取铝和铁的工业应用提供理论基础和实际指导。 结合XRD、SEM-EDS、TEM、BET、IR、TG-DSC等多种现代检测手段系统研究了高铁三水铝石矿中矿物种类、含量、结晶状态和矿物间的依存关系。研究发现,矿石中三水铝石晶体颗粒呈片状、片层状、片块状,针铁矿、赤铁矿类矿物呈分散颗粒状、针状或棒状;针铁矿、赤铁矿等矿物附着在三水铝石晶体表面,对其形成了包裹;矿石中的三水铝石晶体为多晶结构。矿石比表面积、孔体积和孔径分别为9.26 cm²/g、0.03 cm³/g、12.57nm。 研究了高铁三水铝石矿常压溶出性能。氧化铝溶出速率与矿石颗粒直径成反比,与搅拌速度、溶出液固比、氢氧化钠浓度、温度成正比;温度和碱浓度对溶出速率影响较大。三水铝石溶出性能随矿石中针铁矿、赤铁矿含量升高而降低。高铁三水铝石矿溶出速率高于合成三水铝石,这主要是由于三水铝石晶体颗粒大小、结晶度以及晶面间距不同所致。 采用未反应收缩核模型研究了高铁三水铝石矿和合成三水铝石的溶出动力学行为。研究表明,高铁三水铝石矿中三水铝石的溶出受扩散控制,而合成三水铝石溶出反应速率受化学反应控制。降低矿石中氧化铁含量使溶出速率方程中指前因子和溶出活化能均下降。通过动力学溶出试验获得高铁三水铝石矿溶出动力学方程为1-2α/3-(1-α)^2/3=1.32×10¹⁵×(c_NaOH)^1.70×(d)^-0.36×(r)^0.74×exp[-117485/(RT)]×t;中、低铁含量高铁三水铝石矿溶出速率方程分别为1-2α/3-(1-α)^2/3=2.42×10¹²×exp[-99144/(RT)]×t,1-2α/3-(1-α)^2/3=1.75×10¹²×exp[-98928/(RT)]×t;合成三水铝石溶出速率方程为1-(1-α)^1/3=3.85×10¹⁴ ×exp[-115149/(RT)] × t。 研究了常压溶出高铁三水铝石矿后铝酸钠溶液的物化性质。当铝酸钠溶液α_k为1.50和3.00时,拟合出溶液沸点与氧化钠浓度关系式为:y₂=101.94+0.016x₂+8.77×10^-5x₂²,y₃=104.16+4.50×10^-4x₃+1.38×10^-4x₃²。铝酸钠溶液动力粘度与运动粘度在低温区(20~50 ℃)随温度升高降低速率较快,随着温度升高,粘度降低的速率变小;溶出温度升高,对应铝酸钠溶液的动力粘度和运动粘度均增大。溶液α_k为1.60和2.00时,拟合出SiO₂最高亚稳态平衡浓度与Al₂O₃浓度经验关系式分别为:y_S1=-3.59+0.101x_A1,y_S2=-1.91+0.088x_A2。 研究了溶出后高铁赤泥的化学、物相组成及矿物结构,其主要矿物成份是针铁矿和水合赤铁矿。常压溶出赤泥中氧化钠含量为1.25%,只有高压溶出赤泥氧化钠含量的1/3。原矿中的赤铁矿在溶出过程发生水化作用,生成水合赤铁矿。磁场强度6000 GS时高铁赤泥磁选效果较好,精矿产出率46.42%,精矿折合全铁(单质铁)品位52.84%,可以用作炼铁原料。SEM、BET研究表明,磁选精矿颗粒较大、结构相对致密,尾矿颗粒较小且结构松散。 研究了脱硅产物结构及钙化、钠化焙烧性能及应用。脱硅产物颗粒呈线团状实心颗粒聚集体,颗粒表面条状结晶宽度约为180 nm;脱硅产物IR特征吸收峰为711 cm^-1、968 cm^-1和1136 cm^-1。钙化烧结时,熟料适用高钙比配方,最佳钙比范围2.10~2.20;最佳烧结条件下,氧化铝、氧化钠标准溶出率均大于93%。脱硅产物采用钠化焙烧和水热转换技术,可制备出4A沸石分子筛,得到的4A沸石结晶较好,钙交换300 mg/g,粒度(中值粒径)2.24 μm。 本文研究结果表明,高铁三水铝石矿常压溶出过程中,通过合理控制溶出温度和碱度可以保证氧化铝溶出率,并抑制溶出过程的脱硅反应。溶出赤泥中氧化钠含量低,有利于氧化铁资源的利用;脱硅产物不再与赤泥混在一起,可得到充分回收利用。因此,高铁三水铝石矿常压溶出技术是一项低能耗、高效率、低成本、低渣量的氧化铝提取技术。