赤泥粒徑分級及回收利用研究

赤泥粒徑分級及回收利用研究

紅色污泥是從鋁礦中提取的雜質(zhì)。目前,世界上大量的赤泥采用海洋排放或陸地堆存來進(jìn)行處置,我國的赤泥主要采用筑壩堆存。赤泥的堆放不僅占用大量土地,耗費(fèi)巨額堆場建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用,而且可能造成地下水和土壤污染。近年來,國內(nèi)外曾發(fā)生過多起赤泥堆場滲漏事件,造成了周邊環(huán)境的嚴(yán)重污染。一般情況下,拜耳法赤泥中Fe、Al等金屬含量較高,是一種潛在的二次資源。國內(nèi)外對拜耳法赤泥中Fe、Al元素的回收進(jìn)行了廣泛的研究。赤泥中鐵的回收多采用還原焙燒法。赤泥中鋁的回收多采用堿石灰燒結(jié)法。赤泥中鐵和鋁回收的一般原理可用以下方程式表示:在上述鐵、鋁單獨(dú)回收的工藝中,都要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)的過程。采用還原焙燒-溶出-磁選工藝進(jìn)行鐵鋁聯(lián)合回收,即將氧化鐵的還原和氧化鋁的燒結(jié)在同一個(gè)高溫過程中完成,有望減少工藝流程,大大降低鐵鋁回收的綜合能耗及成本。近年來國內(nèi)開展了相關(guān)研究。由于拜耳法赤泥中Si含量高,A/S較小,造成鐵鋁回收難度較大,影響鐵鋁回收效率。Jamieson等研究表明對赤泥進(jìn)行粒徑分級預(yù)處理有利于提高有價(jià)元素回收效率。Picaro等對澳洲拜耳法赤泥進(jìn)行了粒徑及礦物組成的研究。國內(nèi)有相關(guān)實(shí)踐,但分析尚不透徹。本文分析了山東鋁業(yè)公司拜耳法赤泥的粒徑分布,研究了鐵、鋁、硅、鈣、鈉等元素及礦物組成在不同粒徑赤泥中的變化情況,進(jìn)而提出先將赤泥粒徑分級預(yù)處理,再根據(jù)粗細(xì)粒徑赤泥的差異分別進(jìn)行回收利用。整體技術(shù)路線如圖1所示。本文研究將為該整體技術(shù)路線提供依據(jù)。1原料和方法的實(shí)驗(yàn)1.1赤泥還原ro1所使用的拜耳法赤泥由山東鋁業(yè)公司第二氧化鋁廠提供。該赤泥樣品中Fe2O3、SiO2、Al2O3和Na2O等主要成分的質(zhì)量含量分別為:30.77%、22.11%、18.01%和8.20%,其中A/S僅為0.81。如果按照傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)回收鋁,需要配入大量的石灰(或石灰石),物料處理量大,成本和能耗較高。赤泥原樣主要礦物組成為三水鋁石(Al(OH)3)、石英(SiO2)、赤鐵礦(Fe2O3),并伴有少量的硅酸鈉鋁鹽的水合物(圖2)。從圖3中的微觀形貌來看,赤泥主要由細(xì)小顆粒組成,但實(shí)際上赤泥中仍包裹或夾雜一些粗大的顆粒。1.2x射線衍射分析pert烘箱,強(qiáng)力電動攪拌器,標(biāo)準(zhǔn)篩一套(1.2、0.3、0.15和0.075mm等),X’PertPROX射線衍射儀,Sirion200場發(fā)射掃描電子顯微鏡。1.3不同粒徑赤泥的xrd分析準(zhǔn)確稱取1000g干燥后的樣品2份,同步進(jìn)行分級實(shí)驗(yàn)。樣品分別置于塑料桶中,加適量水浸泡,用強(qiáng)力電動攪拌器攪拌,盡可能將赤泥團(tuán)聚顆粒打散。根據(jù)赤泥粒徑的大致分布選擇孔徑分別為1.2、0.3、0.15和0.075mm的標(biāo)準(zhǔn)篩,然后將標(biāo)準(zhǔn)篩按照篩孔粒徑漸小的順序自上而下排列,采用水流沖洗分級。將各級篩上物及0.075mm篩下物收集起來,置于烘箱中烘干。記錄各級粒徑的質(zhì)量;分析各級粒徑物料的化學(xué)組成,結(jié)果取均值后進(jìn)行分析。為了研究赤泥中主要礦物組成,對原赤泥及篩分后不同粒徑的赤泥進(jìn)行了XRD分析。實(shí)驗(yàn)條件:銅靶材,Ni濾波,管壓40kV,管流40mA,掃描角度5°~75°。2結(jié)果與討論2.1徑大小測定徑將各級赤泥放入烘箱烘干后,稱其質(zhì)量。其中,赤泥粒徑小于0.075mm的占大部分,為74.31%;粒徑大于1.2mm的很少,僅占4.11%;粒徑在1.2~0.075mm之間的占赤泥總量的21.58%。2.2不同因素的不同粒度分布2.2.1赤泥外觀特征圖4為篩分后各級赤泥的外觀,從左到右赤泥的粒徑逐漸增大。由圖看出粒徑小于0.075mm的赤泥外觀呈赤色粘土狀;粒徑在0.075mm與1.2mm之間的赤泥較粒徑小于0.075mm的赤泥顏色較深,呈沙粒狀;而粒徑大于1.2mm的主要是原赤泥中含有的粗大石子。2.2.2拜耳法工藝中表面質(zhì)量的初步篩選將原赤泥以及篩分后的各級赤泥進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果列于表1。從表1可看出,粒徑大于1.2mm的大顆粒赤泥的主要化學(xué)成分是CaO。結(jié)合圖4中的外觀特征,可以推斷出該部分赤泥主要是拜耳法工藝中不能反應(yīng)的石灰石;粒徑在0.075mm與1.2mm之間的中顆粒赤泥的化學(xué)組成較為相似,Fe2O3與SiO2含量較高,Al2O3與Na2O含量較低,N/S下降;粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒赤泥相對于原赤泥的化學(xué)組成,Al2O3含量有所增加,SiO2含量明顯降低,A/S由原赤泥的0.81增加到1.08。2.3礦物組成分析將篩分后的各粒徑赤泥及原赤泥進(jìn)行XRD分析,所得的XRD圖譜如圖5所示。圖5中所有XRD圖譜都是在相同的XRD檢測條件下完成的,因此衍射峰強(qiáng)弱的變化可以反映出不同粒徑赤泥中礦物含量的相對變化。從圖5可以看出,分選后粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒赤泥主晶相為Al(OH)3;粒徑在0.075mm與1.2mm之間的中顆粒赤泥礦物組成較為相似,主晶相為SiO2,與粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒赤泥相比較,Al(OH)3含量大大減少,幾乎鑒別不出來Al(OH)3晶體;粒徑大于1.2mm的大顆粒赤泥主晶相為CaCO3,其中Al(OH)3和SiO2含量均大大減少。上述XRD圖譜中礦物組成的變化規(guī)律與表1中的化學(xué)組成的變化規(guī)律是吻合的。另外可看出,粒徑在0.075mm以上的部分含鋁的礦物相很少,大部分的鋁元素富集在粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒赤泥中。因此,表1和圖5可以證明,赤泥進(jìn)行粒徑分級可以提高細(xì)顆粒赤泥的A/S,有利于提高鋁回收效率。2.4磁選工藝對原赤泥的保護(hù)作用通過篩分后,粒徑在0.075mm以上的赤泥中的赤鐵礦和氧化硅可以通過磁選、重選等工藝進(jìn)行分離。山東信發(fā)三利環(huán)保有限公司進(jìn)行了相關(guān)實(shí)踐,結(jié)果表明,經(jīng)磁選和重力分選之后,精礦部分總鐵含量可以達(dá)到54.72%,粗砂用于生產(chǎn)混凝土磚。粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒赤泥的A/S由原赤泥的0.81增加到1.08,可以通過還原焙燒-溶出-磁選工藝聯(lián)合回收鐵、鋁和堿。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,氧化鋁的回收率可以達(dá)到85.66%,鐵回收率可以接近60%。按照燒結(jié)法體系中的基本反應(yīng)原理,為了避免氧化硅在溶出過程中進(jìn)入液相而造成堿和鋁的損失,氧化硅需要與CaO發(fā)生反應(yīng),生成2CaO·SiO2。按照化學(xué)反應(yīng)方程可以計(jì)算,燒結(jié)原料中SiO2含量降低1%,每噸原料將少消耗石灰約18.7kg(或石灰石33.4kg)。在本文中,預(yù)處理前原赤泥中的氧化硅含量為22.11%,將赤泥中含有的氧化鈣考慮在內(nèi),處理每噸原赤泥需要添加石灰372.1kg(或石灰石664.5kg);經(jīng)分級預(yù)處理之后,細(xì)赤泥占原赤泥質(zhì)量的74.31%,氧化硅含量為19.82%,將細(xì)赤泥中氧化鈣考慮在內(nèi),燒結(jié)工序石灰的消耗量為250kg(或石灰石446.5kg),從而節(jié)約石灰122.1kg(或石灰石218kg)。按照生產(chǎn)每噸石灰排放CO21.3t計(jì)算,分選過程可以使得處理每噸原赤泥時(shí)CO2的排放量降低158.7kg。因此,分級過程可以有效減少赤泥處理過程中的成本,降低CO2的排放,實(shí)現(xiàn)赤泥的綜合利用,解決赤泥帶來的環(huán)境污染問題。3不同粒徑赤泥的地球化學(xué)特征(1)該拜耳法赤泥中鐵鋁含量較高,具有較好的回收價(jià)值,粒徑分級有利于提高回收效率。(2)根據(jù)篩分結(jié)果,粒徑大于1.2mm的大顆粒赤泥主要化學(xué)成分是CaO,主要礦物組成為CaCO3;0.12~0.075mm之間的中顆粒赤泥中SiO2與Fe2O3含量較高,Al2O3的含量較低,主要礦物組成為SiO2與Fe2O3;赤泥粒徑小于0.075mm的細(xì)顆粒赤泥占原赤泥質(zhì)量的74.31%,Al2O3含量有所