赤泥回用

1. 氫氧化鋁的制備方法

實驗室製法
化學方程式：2Al+3H2SO4（稀）=Al2(SO4）3+3H2↑
2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑
Al2(SO4）3+6Na[Al(OH)4]+12H2O=8Al(OH)3↓+3Na2(SO4）或
Al2(SO4）3+6NH3.H2O=2Al(OH)3↓+3(NH4）2SO4
離子方程式：2Al+6H+=2Al3++3H2↑
2Al3++2OH-+6H2O=2[Al(OH)4]-+3H2↑
Al3++3[Al(OH)4]-+6H2O=4Al(OH)3↓
或Al3++3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4+
①Al(OH)3是兩性氫氧化物，在常溫下它既能與強酸，又能與強鹼反應：
Al(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2O Al(OH)3+3H+=Al3++3H2O
Al(OH)3+NaOH=Na[Al(OH)4] Al(OH)3+OH－=[Al(OH)4]－
②Al(OH)3受熱易分解成Al2O3：2Al(OH)3==Al2O3+3H2O（規律：不溶性鹼受熱均會分解）
③Al(OH)3的制備：
a、可溶性鋁鹽和氨水反應來制備Al(OH)3
AlCl3+3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4Cl
Al2(SO4）3+6NH3·H2O=2 Al(OH)3↓+3(NH4）2SO4（Al3++3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4+）
因為強鹼（如NaOH）易與Al(OH)3反應，所以實驗室不用強鹼制備Al(OH)3，而用氨水
b、四羥基合鋁酸鈉與過量二氧化碳反應
Na[Al(OH)4]+CO2(過）=NaHCO3+Al(OH)3↓
過量的二氧化碳不與氫氧化鋁反應，保證[Al(OH)4]-全部生成氫氧化鋁
工業生產
拜耳法
系奧地利拜耳（K.J.Bayer）於 1888年發明。其原理是用苛性鈉（NaOH）溶液加溫溶出鋁土礦中的氧化鋁，得到鋁酸鈉溶液。溶液與殘渣（赤泥）分離後，降低溫度，加入氫氧化鋁作晶種，經長時間攪拌，鋁酸鈉分解析出氫氧化鋁，洗凈，並在950～1200℃溫度下煅燒，便得氧化鋁成品。析出氫氧化鋁後的溶液稱為母液，蒸發濃縮後循環使用。由於三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石的結晶構造不同，它們在苛性鈉溶液中的溶解性能有很大差異，所以要提供不同的溶出條件，主要是不同的溶出溫度。三水鋁石型鋁土礦可在125～140℃下溶出，一水硬鋁石型鋁土礦則要在240～260℃並添加石灰（3～7%）的條件下溶出。現代拜耳法的主要進展在於：①設備的大型化和連續操作；②生產過程的自動化；③節省能量，例如高壓強化溶出和流態化焙燒；④生產砂狀氧化鋁以滿足鋁電解和煙氣乾式凈化的需要。拜耳法的工藝流程見圖1。
拜耳法的優點主要是流程簡單、投資省和能耗較低，最低者每噸氧化鋁的能耗僅3×106千卡左右，鹼耗一般為100公斤左右（以Na2CO3計）。
拜耳法生產的經濟效果決定於鋁土礦的質量，主要是礦石中的SiO2含量，通常以礦石的鋁硅比，即礦石中的Al2O3與SiO2含量的重量比來表示。因為在拜耳法的溶出過程中，SiO2轉變成方鈉石型的水合鋁硅酸鈉（Na2O?Al2O3?1.7SiO2?nH2O），隨同赤泥排出。礦石中每公斤SiO2大約要造成1公斤Al2O3和0.8公斤NaOH的損失。鋁土礦的鋁硅比越低，拜耳法的經濟效果越差。直到70年代後期，拜耳法所處理的鋁土礦的鋁硅比均大於7～8。由於高品位三水鋁石型鋁土礦資源逐漸減少，如何利用其他類型的低品位鋁礦資源和節能新工藝等問題，已是研究、開發的重要方向。
鹼石灰燒結法
適用於處理高硅的鋁土礦，將鋁土礦、碳酸鈉和石灰按一定比例混合配料，在回轉窯內燒結成由鋁酸鈉（Na2O?Al2O3）、鐵酸鈉（Na2O?Fe2O3、原硅酸鈣（2CaO?SiO2）和鈦酸鈉（CaO?TiO2組成的熟料。然後用稀鹼溶液溶出熟料中的鋁酸鈉。此時鐵酸鈉水解得到的NaOH也進入溶液。如果溶出條件控制適當，原硅酸鈣就不會大量地與鋁酸鈉溶液發生反應，而與鈦酸鈣、Fe2O3?H2O 等組成赤泥排出。溶出熟料得到的鋁酸鈉溶液經過專門的脫硅過程，SiO2O形成水合鋁硅酸鈉（稱為鈉硅渣）或水化石榴石3CaO?Al2O3?xSiO2?（6－2x)H2O沉澱（其中x≈0.1），而使溶液提純。把CO2氣體通入精製鋁酸鈉溶液，和加入晶種攪拌，得到氫氧化鋁沉澱物和主要成分是碳酸鈉的母液。氫氧化鋁經煅燒成為氧化鋁成品。水化石榴石中的Al2O3可以再用含Na2CO3母液提取回收。
鹼石灰燒結法的主要化學反應如下：
燒結：
Al2O3+Na2CO3─→Na2O?Al2O3+CO2
Fe2O3+Na2CO3─→Na2O?Fe2O3+CO2
SiO2+2CaCO3─→2CaO?SiO2+2CO2
TiO2+CaCO3─→CaO?TiO2+CO2
熟料溶出：
Na2O?Al2O3+4H2O─→2NaAl(OH)4（溶解）
Na2O?Fe2O3+2H2O─→Fe2O3?H2O↓+2NaOH（水解）脫硅：
⒈7 Na2SiO3+2NaAl(OH)4─→Na2O?Al2O3?1.7SiO2?nH2O↓+3.4NaOH
3 Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+x Na2SiO3─→ 3CaO?Al2O3?x SiO2?(6-2x)H2O↓+2(1+x)NaOH
分解：
2NaOH+CO2─→Na2CO3+H2O
NaAl(OH)4─→Al(OH)3↓+NaOH
中國鹼石灰燒結法生產氧化鋁的主要技術成就是：在熟料燒成中採用低鹼比配方，在熟料溶出工藝中採用二段磨料和低分子比溶液，以抑制溶出時的副反應損失，使熟料中Na2O和Al2O3的溶出率分別達到94～96%和92～94%。Al2O3的總回收率約90%，每噸氧化鋁的Na2CO3的消耗量約95公斤。鹼石灰燒結法可以處理拜耳法不能經濟地利用的低品位礦石，其鋁硅比可低至3.5，且原料的綜合利用較好，有其特色。
鹼石灰燒結法的常用流程見圖2
拜耳燒結聯合
可充分發揮兩法優點，取長補短，利用鋁硅比較低的鋁土礦，求得更好的經濟效果。聯合法有多種形式，均以拜耳法為主，而輔以燒結法。按聯合法的目的和流程連接方式不同，又可分為串聯法、並聯法和混聯法三種工藝流程。
① 串聯法是用燒結法回收拜耳法赤泥中的Na2O和Al2O3，用於處理拜耳法不能經濟利用的三水鋁石型鋁土礦。擴大了原料資源，減少鹼耗，用較廉價的純鹼代替燒鹼，而且Al2O3的回收率也較高。
② 並聯法是拜耳法與燒結法平行作業，分別處理鋁土礦，但燒結法只佔總生產能力的10～15%，用燒結法流程轉化產生的NaOH補充拜耳法流程中NaOH的消耗。
③ 混聯法是前兩種聯合法的綜合。此法中的燒結法除了處理拜耳法赤泥外，還處理一部分低品位礦石。
中國根據該國的鋁礦資源特點，發展出多種氧化鋁生產方法。50年代初就已用鹼石灰燒結法處理鋁硅比只有3.5的純一水硬鋁石型鋁土礦，開創了具有特色的氧化鋁生產體系。用中國的燒結法，可使Al2O3的總回收率達到90%；每噸氧化鋁的鹼耗（Na2CO3）約 90公斤；氧化鋁的SiO2含量下降到0.02～0.04%；而且在50年代已經從流程中綜合回收金屬鎵和利用赤泥生產水泥。60年代初建成了拜耳燒結混聯法氧化鋁廠，使Al2O3總回收率達到91%，每噸氧化鋁的鹼耗下降到60公斤，為高效率地處理較高品位的一水硬鋁石型鋁土礦開創了一條新路。中國在用單純拜耳法處理高品位一水硬鋁石型鋁土礦方面也積累了不少經驗。
根據物理特性的不同，電解用氧化鋁可分為三類：砂狀、粉狀和中間狀（表3）。
鋁工業在研製和採用砂狀氧化鋁，因為這種氧化鋁具有較高的活性，容易在冰晶石溶液中溶解，並且能夠較好地吸收電解槽煙氣中的氟化氫，有利於煙氣凈化。
煉鋁用氧化鋁的化學組成一般如下：
Al2O3>98.35%Fe2O30.01～0.04%
SiO20.01～0.04%TiO2<0.005%
ZnO0.003～0.02%CaO0.007～0.07%
Na2O0.3～0.65%V2O5<0.003%
P2O5<0.003%Cr2O3<0.002%
灼減0.2～1.5%
碳酸氫銨法
碳酸氫銨法為在硫酸鋁溶液中，在攪拌下添加鹼溶液，生成沉澱經洗滌、過濾、低溫乾燥後，經粉碎製得成品。也可將脫水後的糊狀物直接作為產品。制備中溶液的濃度、溫度、反應溫度控制，乾燥溫度等影響產品質量。碳酸氫銨法將硫酸與鋁粉或鋁灰作用生成硫酸鋁，再與碳酸氫銨進行復分解反應，製得氫氧化鋁。其2Al(OH)3+3H2SO4→A12(SO4）3+6H2O+A12(SO4）3+6NH4HCO3→2AI(OH)3+3(NH4)2SO4+6CO2↑鋁酸鈉法燒鹼與鋁灰以2：1配比在100℃以上進行反應，製得鋁酸鈉溶液。硫酸與鋁灰以1.25：1配比在110℃下反應，製得硫酸鋁溶液。然後將鋁酸鈉溶液與硫酸鋁溶液中和至pH6.5，生成氫氧化鋁沉澱，經水洗、壓濾，於70～80℃下乾燥12h，再經粉碎，製得氫氧化鋁成品。其A12O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O+Al2O3+3H2SO4→A12(SO4）3+3H2O+6NaAIO2+A12(SO4)3+12H2O→8Al(OH)3↓+3Na2SO4回收法將回收的三氯化鋁經水溶解、活性炭脫色及過濾除雜後，與碳酸鈉反應生成氫氧化鋁，再經過濾、洗滌、乾燥，得氫氧化鋁產品。其2AlCl3+3Na2CO3+3H2O→2AI(OH)3↓+6NaCl+3CO2↑

2. 氧化鋁生產過程中怎樣做到廢水零排放

氧化鋁生產過程中要做到廢水零排放，可以通過拜耳法生產。
對污水最好的處理辦法莫過於循環再利用，尤其近些年隨著環境保護力度的加大，不少的拜耳法生產氧化鋁企業對生產流程進行了優化，將拜耳法生產過程中產生的蒸汽冷凝水、設備冷卻水、赤泥污水和產品洗滌水進行再利用。通過新增、優化相應流程把生產富餘的冷凝水送採暖換熱站進行余熱利用，降溫後的冷凝水送各循環水站和新水池利用，把蒸發車間富餘的冷凝水送各循環水站和新水池利用；對水質要求較高的循環水站，把排污水送到蒸發循環水站再次利用；除了生茶流程中的水礦場排出的雨水也收集沉澱，送到蒸發循環水站利用等。這些水通過循環流程後，真正實現了拜耳法流程中的「污水零排放」。

3. 赤泥的有效利用

長期以來，赤泥因含鹼量高等原因，其綜合利用已成為世界性難題。我國一直重視赤版泥綜合利用工權作，開展了多學科、多領域的綜合利用技術研究工作。赤泥的成分、性質的差異，決定了不同的赤泥利用方法。赤泥及其附液具有強鹼性，同時含有可再生利用的氧化物和多種有用金屬元素，成為赤泥再生利用的基礎。赤泥中含有較高的CaO，SiO2，可用來生產硅酸鹽水泥及其它建材；利用其SiO2、Al2O3、CaO、MgO的含量特徵及少量的TiO2、MnO、Cr2O3可以生產特種玻璃；同時，赤泥中含有豐富的鐵、鈧、鈦等有價金屬[3]；赤泥具有強鹼性及鐵礦物含量較高、顆粒分散性好、比表面積大、在溶液中穩定性好等特點，在環境修復領域具有廣闊的應用前景。