» » Физико-химические основы выщелачивания алюминатных спеков
03.12.2015

Выщелачивание алюминатных спеков состоит в извлечении из спека алюмината натрия и щелочи из феррита натрия в раствор по следующим химическим реакциям:
Физико-химические основы выщелачивания алюминатных спеков

Алюминаты натрия и калия легко растворимы в горячей воде и растворах; с понижением температуры растворимость убывает. Другие факторы — удельная поверхность контакта твердой и жидкой фаз, концентрация ионов, ОН- и др. — заметного влияния на растворимость алюминатов не оказывают.
Растворение спека сопровождается выделением тепла, что приводит к повышению температуры, ускорению вторичных реакций и, как следствие, снижению химвыхода. Для охлаждения алюминатных растворов и поддержания оптимального температурного режима раствор охлаждают в теплообменнике типа «труба в трубе».
Освобождающаяся щелочь при разложении феррита натрия служит одним из источников повышения стойкости алюминатных растворов после выщелачивания в связи с ростом αк раствора. Процесс гидролиза ферритов протекает с меньшей скоростью, чем растворение алюминатов. Эта скорость увеличивается с ростом температуры и величины удельной поверхности контакта твердой и жидкой фаз и уменьшается с ростом концентрации ионов №+, К+ и ОН-. Так, процент разложения феррита натрия составляет при температуре 90 °С — 89,5 %; 80 °С — 87,5 %; 70 °С — 81,4 %; 60 °С — 46,9 %; 50 °С — 31 %.
Основными технологическими показателями получения спековой пульпы являются:
• каустическое отношение, определяющее стойкость алюминатного раствора, αк = 1,53-1,61 (после выщелачивания в мельнице);
• концентрация щелочи в пульпе — Na2Oобщ = 130-140 г/л;
• содержание соды в пульпе — не более 4,5 %;
• тонина помола — не более 10 % фракции +100 меш.;
• химический выход по Аl2O3-85 %;
• химический выход по Na2O ≥ 93 %;
• температура процесса 80-95 °С.
В заводской практике бокситовые спеки выщелачивают горячей водой и/или оборотными растворами.
Основным источником поступления в алюминатный раствор кремния в процессе выщелачивания алюминатных спеков является реакция взаимодействия двухкальциевого силиката с раствором:
Физико-химические основы выщелачивания алюминатных спеков

Двухкальциевый силикат разлагается и в щелочных, и в карбонатных растворах с образованием растворимого силиката натрия.
Продукты разложения двухкальциевого силиката, в свою очередь, взаимодействуют с алюминатным раствором:
Физико-химические основы выщелачивания алюминатных спеков

Потери Na2O и Аl2O3, связанные с протеканием данных реакций, называются вторичными.
Первая группа соединений — ГАСНы — имеют общую формулу (Nа2O*Аl2O3*2SiO2)*xR*уН2О, где основой соединения является нормальный пермутит (цеолит), а R — присоединяемый к пермутиту компонент алюминатного раствора. Так, из растворов с низким αк = 1,5—1,7 выделяется ГАСН, состав которого близок к Nа2O*Аl2O3*1,7SiO2*уН2О и по структуре близок к содалиту. Коэффициент при SiO2 зависит как от состава исходного раствора, так и от других факторов — температуры, способа промывки осадка и т. д.
Вторая группа соединений относится к непрерывному ряду твердых растворов, крайние члены которого — 3СаO*Аl2O3*6Н2O и гранат (гроссуляр) 3СаO*Аl2O3*3SiO2. Поэтому их называют гидрогранатами (гидрогроссуляры). Если обозначить через m число молей SiO2 в гидрогранатах, то общая формула их будет 3СаO*Аl2O3*mSiO2*(6—2m) Н2O. В зависимости от условий выщелачивания значение т колеблется в широком интервале — от 0,1 до 1,0.
Основная доля потерь Аl2O3 при выщелачивании крупнодробленых спеков связана с образованием гидрогранатов, при выщелачивании мелкодробленых спеков возрастает доля потерь, связанных с ГАСНом. С ростом концентрации карбоната в растворе создаются условия для более глубокого разложения 2СаO*SiO2 при взаимодействии с карбонатом натрия и последующего образования ГАСНа.
Исследования кинетики процесса выщелачивания спека показали, что процесс выщелачивания носит диффузионный характер и определяющими являются внутридиффузионная стадия для частиц крупнее 0,5 мм и внутри- и внешнедиффузионная стадия — для частиц мельче 0,5 мм.
Кинетика внутридиффузионного переноса описывается законом Фика:
dG/F*dt = -D*∂C/∂r,

где dG — масса диффундирующего вещества, кг; F — поверхность, через которую осуществляется диффузия, м2; t — время, с; D — коэффициент диффузии, м2*с-1; ∂С/∂r — градиент концентрации, кг*м-4.
Важнейшая величина, характеризующая кинетику процесса, — коэффициент диффузии. Для чистого алюмината натрия в широком интервале концентраций, значений αк и температур D(Nа2О*Аl2O3) = (0,1-1,3)*10-9 м2-с-1, для Nа2O*Fе2O3 в интервале 60-90 °С D (Nа2O*Fе2O3) = (0,3-0,45)*10-9 м2-с-1. Для процесса диффузии Na2О*SiO2 (ОН) 2 при разложении 2СаО*SiO2 в интервале 60-90 °С D = (0,035-0,15)*10в-9 м2*c-1.
Во время выщелачивания 2СаО*SiO2 разлагается не полностью, так как часть его поверхности экранируется слоем ГАСНа, выделяющегося из раствора в связи с достижением предела насыщения алюминатного раствора по SiO2. Рост температуры выщелачивания ведет к увеличению скорости диффузии SiO2. Противоположное влияние оказывает концентрация раствора: чем она выше, тем ниже коэффициент диффузии, что связано с повышением вязкости растворов.