晶種分解過(guò)程中鋁酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)演變.pdf

1、鋁酸鈉溶液分解是從鋁土礦提取氧化鋁過(guò)程中至關(guān)重要的工序之一，直接影響產(chǎn)品的物理和化學(xué)性能以及分解過(guò)程的效率，是當(dāng)前氧化鋁工業(yè)上的技術(shù)瓶頸之一。要實(shí)現(xiàn)鋁酸鈉溶液的強(qiáng)化分解，必須首先在鋁酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)及其分解理論上尋求突破。本論文通過(guò)計(jì)算鋁酸根陰離子的遷移數(shù)，結(jié)合紅外光譜分析，研究了鋁酸根離子的電遷移性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，分析了鋁酸鈉溶液分解過(guò)程中各種鋁酸根離子的反應(yīng)行為，并最終確定了有利于鋁酸鈉溶液分解過(guò)程的離子類型。通過(guò)調(diào)控鋁酸鈉溶液的

2、離子結(jié)構(gòu)，使其向含有更多有利于分解過(guò)程的鋁酸根離子轉(zhuǎn)化，并最終促進(jìn)了鋁酸鈉溶液的分解過(guò)程。論文的主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)鋁酸鈉溶液的電導(dǎo)率隨著Na2O質(zhì)量濃度的升高先變大后減小，在100～120g/L出現(xiàn)一極大值，符合強(qiáng)電解質(zhì)電導(dǎo)率變化規(guī)律。根據(jù)電解質(zhì)溶液離子遷移數(shù)的計(jì)算方法，計(jì)算了鋁酸鈉溶液中各種鋁酸根離子的離子遷移數(shù)，結(jié)合紅外光譜，研究了鋁酸根陰離子的導(dǎo)電能力和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):較低Na2O質(zhì)量濃度(＜175g/

3、L)下，鋁酸根陰離子的遷移數(shù)為0.6左右，紅外光譜顯示在這個(gè)濃度范圍內(nèi)離子結(jié)構(gòu)主要為Al(OH)4-;中等Na2O質(zhì)量濃度(175-330g/L)下，鋁酸根陰離子的遷移數(shù)為0.2左右，此時(shí)溶液結(jié)構(gòu)為Al(OH)4-和[Al2(OH)8(H2O)2]2-;高Na2O質(zhì)量濃度(＞330g/L)下，鋁酸根陰離子的離子遷移數(shù)接近于0，對(duì)應(yīng)的溶液結(jié)構(gòu)主要是Al2O(OH)62-和[Al2(OH)8(H2O)2]2-，只有少量Al(OH)4-。鋁酸

4、鈉溶液中鋁酸根離子聚合度隨溶液堿濃度的增大而增大，鋁酸根離子的電遷移能力則隨離子聚合度的增大而降低。
　　 (2)高濃度或高苛性比的鋁酸鈉溶液中，鋁酸根離子主要以聚合形式存在，隨著溶液的稀釋，鋁酸鈉溶液中聚合離子逐漸減少，而單體的鋁酸根離子Al(OH)4-逐漸增多，稀釋到一定程度時(shí)，鋁酸鈉溶液中只存在Al(OH)4-。隨著溫度的升高，鋁酸鈉溶液的電導(dǎo)率逐漸升高，這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，導(dǎo)電能力較強(qiáng)的Al(OH)4-離子有所增多，同時(shí)

5、880cm-1峰也逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明溫度的升高有利于550cm-1處對(duì)應(yīng)的Al-O-Al結(jié)構(gòu)的Al2O(OH)62-向Al(OH)4-和880cm-1處Al-O伸縮振動(dòng)帶對(duì)應(yīng)的[Al2(OH)8(H2O)2]2-離子轉(zhuǎn)化。
　　 (3)研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鈉和硫酸鈉均會(huì)改變鋁酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)。當(dāng)C(Na2CO3)＞10g/L，C(Na2SO4)＞5g/L時(shí)，鋁酸鈉溶液中四面體離子Al(OH)4-明顯減少，低波數(shù)段Al-O-Al結(jié)構(gòu)的Al2O

6、(OH)62-離子明顯增多。同時(shí)，加入碳酸鈉和硫酸鈉后，鋁酸鈉溶液粘度升高，電導(dǎo)率下降，并對(duì)晶種分解產(chǎn)生抑制作用。由此說(shuō)明，鋁酸鈉溶液中聚合離子增多，不利于鋁酸鈉溶液的晶種分解。硅可以取代鋁酸鈉溶液中Al-O-Al結(jié)構(gòu)中的Al，形成Al-O-Si結(jié)構(gòu)和Al-O-Si-O-Al-O結(jié)構(gòu)等多種形式硅氧鋁鍵以及由氫鍵相連的大分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鋁酸鈉溶液粘度增大，分解率降低。
　　 (4)鋁酸鈉溶液晶種分解過(guò)程中，720、880cm-1處A

7、l-OH振動(dòng)帶對(duì)應(yīng)的四面體鋁酸根離子百分比及濃度不斷下降;550cm-1處對(duì)應(yīng)的Al2O(OH)62-離子百分比及濃度略有上升。衰減全反射(ATR)方法測(cè)得鋁酸鈉溶液分解過(guò)程中氫氧化鋁表面附液中主要為Al(OH)4-離子，且隨著分解時(shí)間的延長(zhǎng)，該離子的濃度基本保持不變。結(jié)合本體溶液和氫氧化鋁附液中鋁酸根離子的結(jié)構(gòu)變化，認(rèn)為鋁酸鈉溶液分解過(guò)程中有利于氫氧化鋁析出的含鋁離子是Al(OH)4-等Al-OH四面體離子，若調(diào)控溶液中其它復(fù)雜含鋁離

8、子結(jié)構(gòu)向該類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，將有利于氫氧化鋁的析出。
　　 (5)通過(guò)磁場(chǎng)處理鋁酸鈉溶液后，鋁酸鈉溶液的電導(dǎo)率和離子結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生明顯的變化。在磁場(chǎng)強(qiáng)度為50～70 kA/m及150～200kA/m范圍內(nèi)時(shí)，鋁酸鈉溶液的電導(dǎo)率達(dá)到最大值，鋁酸鈉溶液中導(dǎo)電能力最強(qiáng)的離子Al(OH)4-的濃度達(dá)到最大。在磁場(chǎng)強(qiáng)度為52kA/m下處理鋁酸鈉溶液并進(jìn)行晶種分解，當(dāng)晶種包含有部分細(xì)顆粒時(shí)，磁場(chǎng)提高鋁酸鈉溶液的分解率為6％左右，但其分解產(chǎn)品的粒度也