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疑难研讨8||铝土矿中的SiO2能与NaOH反应吗

教育   2024-11-22 19:28   中国  

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不少高中化学教材介绍了由铝土矿生产氧化铝的生产工艺。教材中介绍铝土矿的主要成分是Al2O3（含有氧化铁、二氧化硅等杂质），铝土矿通过NaOH溶解、CO2酸化可得到Al(OH)3，Al(OH)3经高温煅烧得到Al2O3。
教师在教和学生在学时，一定会产生这样的疑问：铝土矿中的SiO2不与NaOH反应吗？如果SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3，Na2SiO3与CO2反应也会生成H2SiO3沉淀，Al(OH)3中就会混有H2SiO3杂质。
铝土矿中的铝与硅是如何分离的？有许多教师为了帮助学生解决学习中的困惑，就简单地解释铝土矿中的Al2O3与NaOH反应的条件下，SiO2不与NaOH反应。
事实上，铝土矿并非是Al2O3，铝土矿中的SiO2也并非不与NaOH反应。
(1)铝土矿的成分
铝土矿又称铝矾土，是氧化铝生产中最主要的原料。其主要成分是含有杂质的水合氧化铝（经常说成主要成分是氧化铝），是一种土状矿物。铝土矿不是一种纯矿物质，而是多种含铝矿物的混合物，其组成复杂，化学成分复杂，其中的氧化铝主要以三水铝石（Al2O3·3H2O）、一水软铝石（γ-AlOOH）、一水硬铝石（Al2O3·H2O）等氧化铝水合物形式存在。按其所含氧化铝水合物的类型不同，铝土矿可以分为三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型、混合型等。铝土矿中主要杂质是氧化铁、高岭石、二氧化硅和碳酸钙等。
（2）铝土矿中的铝硅分离
纵观铝土矿铝硅分离理论与工艺的研究，归纳起来主要集中在两个方面：一是基于氧化铝生产的铝硅分离研究；另一方面是以提高矿石铝硅比(A/S)为目的，对铝土矿进行预脱硅的研究。
工业上氧化铝生产过程可简单概括为从铝矿石中提取氧化铝使之与杂质分离的过程。已经成熟应用的生产方法大致可分为碱法、酸法和电热法等，目前工业生产中几乎全部采用碱法生产氧化铝，包括拜耳法、烧结法和联合法（烧结法和拜耳法并联、串联、混联）。    
①拜耳法
拜耳法是根据拜耳的两项发明专利，用于生产氧化铝而命名的方法。拜耳法适宜于处理低硅优质铝土矿。其特点是流程简单、产品质量好、能耗低、成本低，但它需要比较昂贵的烧碱。现在，全世界90%以上的氧化铝和氢氧化铝是用拜耳法生产的。
在铝土矿的拜耳法溶出过程中，除了矿石中的铝矿物溶于碱生成NaAI(OH)4外，其他各种形式的含硅矿物的硅均以Na2SiO3形式进入溶液(在溶出三水铝石时，因为所需温度和碱浓度均不是很高，所以SiO2呈惰性，基本不会进入溶液）。当Na2SiO3浓度超过溶液的平衡浓度后，Na2SiO3便与铝酸钠反应生成水合铝硅酸钠逐渐析出，而水合铝硅酸钠进入赤泥。其化学反应为
x Na2SiO3+2 NaAI(OH)4→Na2O·Al2O3·x SiO2·n H2O +2xNaOH
式中x的值为1.7左右，从反应式中可以算出，铝土矿中每有1kg可反应的SiO2就会有1kg的Al2O3和0.608kg的Na2O因反应生成水合铝硅酸钠而损失掉。
由此可以看出，在拜耳法生产氧化铝工艺中铝硅分离的实质是使硅以钠硅渣的形式从铝酸钠溶液中析出。因此，原料中含硅量越高，生成钠硅渣的数量也就越多，碱和氧化铝的损失率相应就会越大。这也是拜耳法生产氧化铝要求原料铝硅比大于8的根本原因之一。
②烧结法
碱石灰烧结法生产氧化铝是将铝硅比较低的高硅铝土矿与Na2CO3和石灰按一定的配比调配成料浆，在回转窑内于1200-1300℃的高温条件下烧结成熟料，使氧化铝转变为易溶的铝酸钠(Na2O·Al2O3)，氧化硅转变为不溶的原硅酸钙(2CaO·SiO2)。熟料经破碎、磨矿后用稀碱溶液溶出，得铝酸钠溶液。原硅酸钙不与溶液反应，转入赤泥，从而达到SiO2与Na2O、Al2O3分离的目的。但在熟料溶出过程中，由于一部分原硅酸钙与铝酸钠溶液相互作用而被分解，致使溶出后的铝酸钠溶液中含有较多的SiO2因此，熟料溶出得到的溶液还必须进行专门的脱硅，其脱硅的实质是使溶液中过饱和的SiO2转化为硅渣沉淀析出。分离出来的硅渣可返回配料回收其中的Al2O3和Na2O。    
③石灰拜耳法
石灰拜耳法是通过在铝土矿的溶出过程中配入过量的石灰，使所配入的石灰量全部满足与SiO2反应所需的量，使溶出过程中的脱硅产物部分或全部地由水合铝硅酸钠转化为水合铝硅酸钙。
x Na2SiO3+3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4→3CaO·Al2O3·x SiO2·n H2O +2(1+x）NaOH
实验研究证明，在一水硬铝石矿的溶出条件下，反应式中的值为0.9—1.0。石灰拜耳法的溶出脱硅产物中不含苛性碱，当配入足够的石灰时，理论上赤泥中Na2O的化学损失趋于零，氧化铝生产的碱耗与铝土矿中的SiO2含量无直接关系，这样就大大放宽了拜耳法生产对铝土矿的铝硅比的限制，使中低品位的铝石矿适宜于拜耳法生产工艺。
参考文献
[1]朱忠平，范晓慧，姜涛，李光辉.我国氧化铝工业及铝土矿铝硅分离研究进展[J].矿产保护与利用，2002（04）.
[2]蒋昊，李光辉，胡岳华.铝土矿的铝硅分离「J].国外金属矿选矿，2001（05）.    

来自：皮皮化学天地



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