有色金属科学与工程  2010, Vol. 1 Issue (2): 39-42
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魏欣欣, 彭志宏. 磷酸钠对铝酸钠溶液晶种分解的影响[J]. 有色金属科学与工程, 2010, 1(2): 39-42.
WEI Xin-xin, PENG Zhi-hong. Influence of Sodium Phosphate Impurity on the Seeded Precipitation of Sodium Aluminate Solution[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2010, 1(2): 39-42.
磷酸钠对铝酸钠溶液晶种分解的影响[PDF全文]
魏欣欣 , 彭志宏     
中南大学冶金科学与工程学院 ，长沙 410083
基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2005CB6237—02)
作者简介：魏欣欣(1986一 )女 ，硕士研究生．
收稿日期：2010-08-30
摘要：研究了磷酸盐杂质对铝酸钠溶液晶种分解的影响，并探讨了其影响机理.结果表明，在浓度小于5g/L时，磷酸盐能提高铝酸钠溶液的分解率，使晶种分解产品的粒度增大.磷酸盐杂质的存在不会显著影响铝酸钠溶液中氢氧化铝颗粒表面的Zeta电位值，但是会使铝酸钠溶液表面张力增大.
关键词：铝酸钠溶液    磷酸钠    晶种分解    
Influence of Sodium Phosphate Impurity on the Seeded Precipitation of Sodium Aluminate Solution
WEI Xin-xin , PENG Zhi-hong     
School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083,China
Abstract: This paper studies the influences of sodium phosphate impurity on the seeded precipitation of sodium aluminate solution and its affecting mechanism ． The results show that sodium phosphate impurity increases the seeded precipitation rate of sodium aluminate solution and increase the product particle size when the concentration of sodium phosphate is less than 5g／L．Phosphates impurities can not significantly affect the Zeta potential of aluminum hydroxide in sodium aluminate solution．However，it can increase the surface tension of sodium aluminate solution．
Key words: sodium aluminate solution    sodium phosphate    seeded precipitation    

晶种分解是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一，存在分解率低、种子比大、分解时间长等问题.对铝酸钠溶液晶种分解进行的研究主要集中在强化分解方面，如采用晶种活化、外场强化和有机添加剂等[1-3].由于对铝酸钠溶液种分过程的本质机理缺乏深刻的认识，使得强化铝酸钠溶液种分过程的各种手段未能获得根本性的突破.且工业铝酸钠溶液中存在的多种杂质成分不仅影响溶液分解速率，而且影响分解产品的质量[4-6].因此在实践上继续探求强化途径和在获取高产出率的条件下，得到粒度和强度符合砂状氧化铝的方法，仍然是氧化铝生产上的重要课题.

磷是含铝原料中最常见的杂质元素.在所有形式原料中它的含量不超过1%.前苏联铝土矿中P2O5的平均含量为0.4%~0.6%，最高达0.85%[7].溶出时，铝土矿中P2O5含量的1/3~2/3进入溶液.磷的溶出率取决于它在铝土矿和循环母液中的含量以及溶出条件.在用烧结法生产氧化铝时，有一部分磷是从煤灰进入到工艺过程中的[8].罗曼诺夫进行研究表明[8]，在种分时，当P2O5的浓度为0.5~1.0g/L时，铝酸钠溶液的分解率提高3.6%，当溶液中P2O5的含量达5~10g/L时，分解率提高4.25%，同时析出的三水铝石是不规则的，粒度为25~45μm.磷对铝土矿的溶出、溶液的脱硅、矿浆沉降以及母液蒸发等无不良影响.但是对于处理难溶铝土矿，在溶出温度大于200℃以及添加足够石灰(5%)的条件下，磷会参与预热器的结垢生成过程.

重点研究了磷酸钠(Na3PO4·12H2O)(以P2O5计)在0~5g/L的浓度范围内对铝酸钠溶液晶种分解的影响.

1 实验部分 1.1 仪器与原料

自制不锈钢立式种分槽(2L)(中南大学机械厂)，JS94H微电泳仪(上海中晨数字技术设备有限公司)，DT-102型全自动界面张力仪(淄博华坤电子仪器有限公司)，MASTERSIZER 2000激光粒度分析仪(英国MARVERN公司生产).

铝酸钠溶液采用工业氢氧化钠和工业氢氧化铝配制而成，分子比为1.45~1.50，氧化铝浓度为165-185g/L.所加晶种为工业氢氧化铝，在80~100℃条件下干燥.

实验所加入的磷酸钠(Na3PO4·12H2O)为分析纯试剂.

1.2 实验方法

将分解槽中水浴温度升到65℃，分别向4个槽中加入1L已配置好的铝酸钠溶液，并根据实验要求向各个槽中加入不同量的无机盐，用玻璃棒搅拌使其溶解，再各加晶种500g，密封，在120r/min转速下搅拌并开始计时，分解时间到9h、21h、33h时分别降温10℃、5℃、5℃.每隔一定时间从取样孔取样分析(分析苛性碱、氧化铝含量并计算溶液的分解率).分解温度与时间的关系如图 1所示.

图 1 晶种分解温度与时间的关系

苛性碱分析采用酸碱中和滴定；氧化铝分析采用EDTA络合滴定法.分解率计算公式为：

式中：ηt为反应时间th后，铝酸钠溶液的分解率；αk(0)为反应开始时，铝酸钠溶液的苛性分子比；αk(t)为反应进行th后，铝酸钠溶液的苛性分子比.

2 结果与讨论 2.1 磷酸钠对铝酸钠溶液晶种分解率的影响

实验研究了磷酸钠(以P2O5计)浓度在0~5g/L范围内对铝酸钠溶液晶种分解率的影响.不同磷酸钠浓度下铝酸钠溶液分解率随时间的变化关系如图 2所示.

母液成分:Na2Ok156.69g/L，Al2O3174.84g/L，αk= 1.47；分解温度：初温，65℃，终温，45℃；晶种添加量：500g/L 图 2 不同P2O5浓度时，晶种分解率随时间的变化

由图 2可以看出，在相同的时间，铝酸钠溶液的分解率随P2O5浓度的增大而呈现先减少后增大.总体来说，在P2O5的浓度小于5g/L时，铝酸钠溶液的分解率都比空白样高.可见，磷酸钠的存在能够促进铝酸钠溶液的分解，P2O5的浓度较小时(如P2O5，的浓度为1g/L时)，能有效地提高分解率，随着P2O5浓度的增大(如P2O5的浓度为3g/L时)，对分解率的提高有所下降，但溶液的分解率依然高于空白样，能够促进分解，当P2O5的浓度增大到5g/L时，对分解率的提高又有所加强，但效果最显著的是P2O5的浓度为1g/L时，在9h、21h、33h、51h分别比空白样高1.06%、1.75%、2.18%、2.26%.

2.2 磷酸钠对铝酸钠溶液晶种分解产品粒度的影响

实验研究了磷酸钠(以P2O5计)浓度在0~5g/L范围内对铝酸钠溶液晶种分解产品粒度的影响.不同磷酸钠浓度下铝酸钠溶液分解产品粒度的变化如图 3所示.

1-P2O50g/L，d5056.737μm；2-P2O51g/L，d5057.4631μm；3-P2O53g/L，d5057.768μm；4-P2O55g/L，d5057.219μm 图 3 不同P2O5浓度时，晶种分解产品的粒度分布曲线

由图 3可以看出，磷酸钠的加入能增加晶体粒径.一般认为附聚和晶体长大有利于获得较粗的产品，附聚一般发生在分解初期，附聚过程大多在8h内完成[7]，而晶体的长大发生在整个种分过程，但晶体长大是一个极其缓慢的过程，即使在高的过饱和度下，其长大速率不超过5μm /h.由于磷酸钠在水中具有一定的乳化作用，可以作为软化剂，且具有滑腻的感觉.它能降低溶液的黏度，增强晶种间的分散，使溶液和晶种能更充分的接触，从而可以提高溶液分解率.同时由于其乳化作用，使颗粒间形成“油桥”，显著提高聚团的抗裂能力，达到对疏水絮凝的强化效果，从而使小颗粒附聚，提高产品的粒径.

3 磷酸钠对铝酸钠溶液晶种分解的作用机理 3.1 磷酸钠对铝酸钠溶液表面张力的影响

取l00mL配制好的铝酸钠溶液(Na2O=153.48g/L；Al2O3=170.63g/L；αk=1.47)分别加入含有不同量磷酸钠(以P2O5计)的烧杯中，搅拌使其溶解，用DT-102型全自动界面张力仪测试溶液表面张力，图 4为磷酸钠(Na3PO4·12H2O)(以P2O5计)在不同浓度下对铝酸钠溶液表面张力的影响.

图 4 不同P2O5浓度对铝酸钠溶液表面张力的影响

由图 4可以看出，磷酸钠加人使铝酸钠溶液的表面张力增大，当P2O5浓度较小时，溶液表面张力增大较缓慢，随其浓度的增大，溶液的表面张力增大加快.晶种分解时，铝酸钠溶液中的铝酸根离子在晶种氢氧化铝表面以氢氧化铝颗粒为成核中心成核[9-10]，这个过程包括：①铝酸根离子向氢氧化铝颗粒表面扩散；②在其表面吸附；③核的长大与脱离.一般认为表面张力的增大，使铝酸钠溶液界面能增大，使溶液对晶种表面的润湿性变差，不利于铝酸根离子在晶种表面上的铺展，从而不利于氢氧化铝颗粒的析出.同时，使临界成核半径变大，二次成核减慢，也对分解产生不利影响.但由前面的实验结果可知，磷酸钠的加入使铝酸钠溶液分解率提高，而且浓度越低对分解率的提高越显著.由此可知表面张力虽然是影响溶液界面性质的因素之一，但并不是影响铝酸钠溶液晶种分解率的唯一因素.

3.2 磷酸钠对铝酸钠溶液中Al(OH)3表面Zeta电位的影响

由于磷酸钠属于强碱弱酸盐，可以使溶液的pH升高，为了防止碱度超过量程，将铝酸钠溶液的pH尽量降低，选用将αk=3.00的铝酸钠溶液加去离子水稀释到pH=10，然后加人不同质量的磷酸钠，搅拌使其溶解，再加入晶种Al(OH)3固体20g，搅拌2min，然后静置15min，用微电泳仪测定Al(OH)3颗粒Zeta电位.

磷酸钠(Na3PO4·12H2O)(以P2O5计)在不同浓度下，对铝酸钠溶液中Al(OH)3。颗粒表面Zeta电位的影响结果如图 5.

图 5 不同P2O5浓度对铝酸钠溶液中Al(OH)3表面Zeta电位的影响

由图 5可以看出，磷酸钠的加入对铝酸钠溶液中氢氧化铝颗粒表面的Zeta电位值的影响不明显，Zeta电位值围绕-14.2667mV上下波动.可以认为，磷酸钠的加入对铝酸钠溶液中氢氧化铝颗粒表面的Zeta电位值无显著影响.

Zeta电位是另一个影响固一液界面性质的重要参数，而铝酸钠溶液晶种分解又是在固一液界面进行的，所以Zeta电位可作为判断影响铝酸钠溶液晶种分解的因素之一.如果Zeta电位变得更负，无机盐会吸附在氢氧化铝固体表面或者与OH-或Al(OH)4-发生离子交换，不利于氢氧化铝晶体颗粒对Al(OH)4-的吸附，从而对铝酸钠溶液晶种分解产生抑制作用.由此可知，磷酸钠不会阻碍铝酸钠溶液晶种的分解.

当然Zeta电位值只能在一定程度上作为判断影响晶种分解的依据，这是因为影响铝酸钠溶液晶种分解的因素较复杂，溶液的其他性质(如黏度、表面张力、电导率以及加入的添加剂本身的性质)也会对晶种的分解产生影响，不同情况下，影响溶液晶种分解的主导因素不同，有时会是溶液的表面张力，有时会是晶种表面的Zeta电位值.

4 结论

(1) 磷酸钠的存在能有效的促进铝酸钠溶液的分解.当溶液中磷酸钠的浓度为0~5g/L，品种分解率大约提高1%~2.5%.

(2) 磷酸钠的加入使铝酸钠溶液分解所得产品的粒径增大，小于46μm的粒子数减少，大于105μm的粒子数增多.当溶液中存在磷酸钠时，所得产品的平均粒度比未加入磷酸钠的溶液的平均粒度大将近1μm.

(3) 磷酸钠加入使铝酸钠溶液的表面张力增大，当P2O5浓度较小时，溶液表面张力增大较缓慢，随其浓度的增大，溶液的表面张力增大加快.

(4) 磷酸钠的加入对铝酸钠溶液中氢氧化铝颗粒表面的Zeta电位值无明显影响.

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