CN102838147A - 一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺 - Google Patents

Abstract

一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，包括原料烧结、烧结熟料溶出和溶出渣碱回收。碱性正长岩配以石灰石和纯碱后烧结，用碱液溶出烧结熟料，固液分离，滤液为铝酸钠和铝酸钾混合溶液，滤饼为富碱硅钙渣；用碱液对富碱硅钙渣进行溶出，固液分离，滤液为氢氧化钠和氢氧化钾的混合溶液，滤渣为硅钙渣。本发明工艺简单，烧结熟料的碱浸滤液用于制备氢氧化铝（或氧化铝）和碳酸钾、碳酸钠，剩余硅钙渣用作生产轻质墙体材料的原料，碱性正长岩原矿中的主要组分转变为高附加值的产品，资源利用率达100%。排放的CO₂气体经过除尘、净化后，可用于铝酸钠和铝酸钾混合溶液碳酸化分解制备氢氧化铝和制备碳酸钾、碳酸钠，提高了碱性正长岩资源工业化利用的综合经济效益。溶出率为97.1wt%。

Description

一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺

技术领域

本发明涉及铝酸钠和铝酸钾混合溶液的制备，具体地说，是涉及一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺。

背景技术

我国是一个水溶性钾盐和铝土矿资源都十分短缺的国家。碱性正长岩主要包括霞石正长岩和白榴正长岩（或者假白榴正长岩）。其主要矿物组成为：钾长石含量大于55wt%，霞石含量小于40wt%或白榴石（或者假白榴石）含量小于40wt%；其中，假白榴石是白榴石发生分解生成钾长石和白云母的集合体。霞石正长岩和白榴正长岩（或者假白榴正长岩）的主要化学成分为：SiO₂45～60wt%，Al₂O₃18～30wt%，Na₂O<9wt%，K₂O>9wt%。可作为生产氧化铝和碳酸钾、碳酸钠等产品的原料。

现有工业中制备碳酸钾的方法是采用离子交换法，即以工业级氯化钾为原料，经树脂交换，产品转型和蒸发结晶等工序得到产品碳酸钾，这种方法加工过程冗长，且对氯化钾原料的质量要求高，综合能耗和生产成本较高。

我国的铝土矿资源98wt%以上为一水硬铝石型铝土矿，且以中、低品位铝土矿为主，这使得烧结法在我国氧化铝工业中占有重要地位，其产量约占我国氧化铝总产量的40wt%以上。近年来某些专利针对我国铝土矿的资源属性而提出一些改进方法，CN85107051专利提出应用拜耳法，采用加压溶解，从一水硬铝石型铝土矿连续生产制取铝酸钠溶液，然后水解制取氢氧化铝；CN1243496专利提出用200～300℃高温苛性钠溶液消化经过磨细的一水硬铝石型铝土矿（也包括三水铝石，勃姆石），以形成一种浆料经沉淀，过滤，分离出过饱和铝酸钠溶液；CN88104067专利提出利用铝土矿和石灰石的高温反应原理设计一种新的烧结法，使流程简化，碱用量较低，并可提高Al₂O₃的溶出率。

但上述专利均以铝土矿为原料，而我国铝土矿资源较为短缺，因此研究利用非铝土矿资源生产氧化铝技术，具有十分重要的工业应用前景。霞石正长岩、白榴正长岩（或假白榴正长岩）等碱性正长岩资源是一种同时富含Al₂O₃、K₂O、Na₂O的矿产资源，可用作生产氧化铝、碳酸钾和碳酸钠的原料。

在1941～1970年间，前苏联利用Kola半岛等地的磷霞岩、霓霞岩矿石回收磷灰石后的霞石精矿（Al₂O₃29.3wt%）为原料，霞石精矿与石灰石，湿法混磨至-175（86μm）目颗粒>95wt%，在回转窑中于1300℃下烧结，生产氧化铝和波特兰水泥，副产碳酸钾和碳酸钠。这是迄今世界上此类资源实现规模化工业生产的唯一实例。但该工艺存在一次性资源消耗量大（石灰石3.15t/t霞石精矿）、处理物料量大（2.84t/t矿石）、高能耗（燃煤808Kg/t矿石）、温室气体排放量大（CO₂3.25t/t矿石）等固有缺点，因而导致综合生产成本较高，且生产过程的环境相容性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用碱性正长岩资源制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，碱性正长岩烧结后的熟料经碱液溶出，固液分离，滤液为铝酸钠和铝酸钾混合溶液；滤饼为富碱硅钙渣；其中，得到的铝酸钠和铝酸钾混合溶液经过碳分工序，再经固液分离得到的滤饼为氢氧化铝（或氧化铝）产品；所得滤液为碳酸钾和碳酸钠的混合溶液，与碱回收工序所得滤液混合，用于制备碳酸钾、碳酸钠产品；碱性正长岩烧结后的熟料经碱液溶出，并固液分离后所得到的滤饼为富碱硅钙渣，在反应釜中用碱液对富碱硅钙渣进行溶出，固液分离，滤液为氢氧化钠和氢氧化钾混合溶液，用于制备碳酸钾和碳酸钠产品，剩余滤渣为硅钙渣，可用作生产轻质墙体材料的原料。本发明显著降低了碱性正长岩资源综合利用工艺过程的综合能耗和一次性资源消耗和温室气体排放量，且剩余的硅钙渣可以用作生产轻质墙体材料的原料，碱性正长岩原矿中的主要组分均转变为较高附加值的产品，资源利用率达100%。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，包括以下步骤：

原料烧结步骤：将所述碱性正长岩矿粉与石灰石、纯碱按一定的质量比混合，在1000-1200℃温度条件下烧结，烧结时间为0.5-2h，制成烧结熟料。

烧结熟料溶出步骤：配制溶出碱液，将所述的烧结熟料和所述的碱液一起在80～90℃温度下，搅拌反应15～30min，溶出液用于制备氢氧化铝（或氧化铝）和碳酸钾、碳酸钠产品，溶出渣用于回收碱及生产轻质墙体材料的原料。

溶出渣回收碱步骤：反应料浆过滤分离，得到铝酸钠和铝酸钾混合溶液，同时得到富碱硅钙渣。配制碱液浓度为NaOH 1～2mol/L，将所述的富碱硅钙渣和所述碱液一起置于反应釜中，在200-260℃下，恒温反应1-2h。反应结束后过滤，得到氢氧化钠和氢氧化钾混合滤液；滤饼为硅钙渣，用作生产轻质墙体材料的原料。

其中，烧结熟料溶出步骤得到的溶出液为铝酸钠和铝酸钾混合溶液，铝酸钠和铝酸钾混合溶液经过碳分工序，制备氢氧化铝（或氧化铝）产品；固液分离，所得滤液为碳酸钾和碳酸钠的混合溶液，与碱回收工序所得滤液混合，用于制备碳酸钾、碳酸钠产品。

在本发明的碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺中，碱性正长岩主要包括霞石正长岩和白榴正长岩，或者碱性正长岩主要包括霞石正长岩和假白榴正长岩，其中，主要包括霞石正长岩和白榴正长岩的碱性正长岩主要矿物组成为：钾长石含量大于55wt％和霞石含量小于40wt％，或钾长石含量大于55wt％和白榴石含量小于40wt％；或者主要包括霞石正长岩和假白榴正长岩的碱性正长岩主要矿物组成为：钾长石含量大于55wt％和霞石含量小于40wt％，或钾长石含量大于55wt％和假白榴石含量小于40wt％；上述碱性正长岩的主要化学成分为：SiO₂45～60wt％，Al₂O₃18～30wt％，Na₂O<9wt％，K₂O>9wt％。

优化的，所述的原料烧结步骤，碱性正长岩、石灰石和纯碱的配比按质量比为1:0.9～0.95:1.0～1.1。

优化的，所述的原料烧结步骤，烧结时间为0.5～2h。

优化的，所述的原料烧结步骤，碱性正长岩、石灰石和纯碱混合后，粉磨优选范围为：粒径<74μm的颗粒>90%。

优化的，所述的烧结熟料溶出步骤，配置的溶出碱液浓度为Na₂O_K 15～20g/L、Na₂O_c5～10g/L。

优化的，所述的烧结熟料溶出步骤，反应温度为80～90℃，液固质量比为3～5。

优化的，所述的烧结熟料溶出步骤，反应时间为15～30min。

优化的，所述的溶出渣回收碱步骤，反应过程的搅拌速率为100～300转/分。

优化的，所述的溶出渣回收碱步骤，反应温度为200～260℃，液固质量比为3～5。

本发明的有益效果如下：

碱性正长岩经配入石灰石和纯碱后烧结，所得烧结熟料中Al₂O₃、K₂O和Na₂O转变为可溶性的铝酸钠和铝酸钾，经过熟料的溶出、酸化、结晶、分离等工序，制成氢氧化铝（或氧化铝）和碳酸钾、碳酸钠产品；溶出渣回收碱后剩余滤渣为硅钙渣，用作生产轻质墙体材料的原料。其中，碳酸钾的制备方法，见中国地质大学的发明专利《利用富钾岩石制取电子级碳酸钾的方法》（专利号：ZL03100563.2，2003-01-17）；轻质墙体材料的制备方法，见昊青薪材（北京）技术有限公司的发明申请《一种轻质可承重墙体材料及其生产方法》（申请号：200810240071.3）。

本发明的特征在于工艺过程简单，产品方案设计合理，生产过程中无“三废”排放，环境相容性良好。本发明的产品氢氧化铝和碳酸钾、碳酸钠均是重要的化工原料，剩余硅钙渣可用作生产轻质墙体材料的原料。该工艺所涉及的碱性正长岩资源丰富，原料来源广泛，原矿中的主要组分均转变为附加值较高的产品，资源利用率达100％，且工艺过程的一次性资源和能源消耗量显著降低，提高了碱性正长岩资源工业化利用的综合经济效益。

具体实施方式

下面结合实例进一步说明本发明的工艺。

实施例1

试验原料：云南某地霞石正长岩

试验原料为云南某地霞石正长岩，其化学成分分析结果见表1。该矿的主要物相组成为钾长石58.7wt%，霞石32.8wt%，铁黑云母2.6wt%，黑榴石5.7wt%。

表1霞石正长岩原料的化学成分分析结果  （w_B%）

取上述霞石正长岩矿样粉体，与石灰石和纯碱的配比按质量比为1.0:0.9:1.0混合均匀，混合物料的粒度范围为，粒径<74μm的颗粒>90wt%。置于自动控温箱式电炉中，在1050℃烧结反应1.0h，所得烧结熟料磨细至-74μm的颗粒>90wt%，其化学成分分析结果见表2。

取烧结熟料试样1.0kg，配置浓度为Na₂O_K 15g/L、Na₂O_c5g/L的溶出碱液，液固质量比为3:1，置于80～90℃温度的水浴中，开启搅拌，反应时间为30min，反应结束后过滤，得到铝酸钠和铝酸钾混合溶液，用85℃的热水分4次洗涤滤饼，洗涤后的滤饼置于干燥箱内，在105℃下干燥12h，得到富碱硅钙渣（用于后续碱的回收及制备轻质墙体材料），干燥后的滤饼采用化学分析方法测定其化学成分，用于计算烧结熟料中Al₂O₃的溶出率，其化学成分分析结果见表3，烧结熟料溶出液母液的主要化学成分分析结果见表4。

取富碱硅钙渣试样600g，浓度2mol/L的NaOH碱液3L，置于反应釜内混合均匀，密封后开启仪器，搅拌速度为300r/min，升高温度至200℃，在该条件下恒温反应1h，反应结束后过滤，得到氢氧化钠和氢氧化钾滤液（用于后续制备碳酸钾和碳酸钠），用85℃的热水分4次洗涤滤饼，滤饼为硅钙渣，用作生产轻质墙体材料的原料。其主要化学成分分析结果见表5。

表2霞石正长岩烧结熟料的化学成分分析结果   （w_B%）

表3富碱硅钙渣的化学成分分析结果    （w_B%）

表4烧结熟料溶出液的主要化学成分分析结果  （g/L）

表5硅钙渣的化学成分分析结果  （w_B%）

在烧结熟料溶出步骤中，根据表2及表3的化学成分分析结果，计算得该步骤Al₂O₃的溶出率为86.4wt%，K₂O的溶出率为33.2wt%，Na₂O的溶出率为32.5wt%。

在富碱硅钙渣回收碱步骤中，根据表4及表5的化学成分分析结果，计算得该步骤K₂O的溶出率为91.7wt%，Na₂O的溶出率为97.2wt%。

根据表1及表5的化学成分分析结果，计算得整个工艺过程中，该霞石正长岩的Al₂O₃的溶出率为86.4wt%，K₂O的溶出率为94.4wt%，Na₂O的溶出率为76.3wt%。

实施例2

试验原料：山西某地假白榴正长岩

试验原料为山西某地假白榴正长岩，其化学成分分析结果见表6，该矿的主要物相组成为：钾长石56.0wt%，假白榴石27.8wt%，黑云母7.5wt%，黑榴石7.0wt%，磁铁矿1.4wt%，磷灰石0.3wt%。

表6假白榴正长岩原料的主要化学成分分析结果  （w_B%）

取上述假白榴正长岩矿样品粉体，与石灰石和纯碱的配比按质量比为1.0:0.92:1.06混合均匀，混合物料的粒度范围为，粒径<74μm的颗粒>90wt%。置于自动控温箱式电炉中，在1050℃烧结反应1.0h，所得烧结熟料磨细至-74μm的颗粒>90%。

取烧结熟料试样1.0kg，配置浓度为Na₂O_K 15g/L、Na₂O_c5g/L的溶出碱液，液固质量比为3:1，置于80～90℃温度的水浴中，开启搅拌，反应时间为30min，反应结束后过滤，得到铝酸钠和铝酸钾混合溶液，用85℃的热水分4次洗涤滤饼，洗涤后的滤饼置于干燥箱内，在105℃下干燥12h，得到富碱硅钙渣（用于后续碱的回收及制备轻质墙体材料），干燥后的滤饼采用化学分析方法测定其化学成分，用于计算烧结熟料中Al₂O₃的溶出率。烧结熟料中Al₂O₃的溶出率如表7，烧结熟料溶出液母液的主要化学成分分析结果见表8所示。

表7假白榴正长岩烧结熟料中Al₂O₃的溶出率

表8烧结熟料溶出液的主要化学成分分析结果（g/L）

取富碱硅钙渣试样600g，浓度2mol/L的NaOH碱液3L，置于反应釜内混合均匀，密封后开启仪器，搅拌速度为300r/min，升高温度至200℃，在该条件下恒温反应1h，反应结束后过滤，得到氢氧化钠和氢氧化钾混合滤液（用于后续制备碳酸钾和碳酸钠），用85℃的热水分4次洗涤滤饼，洗涤后的滤饼置于干燥箱内，在105℃下干燥12h。干燥后的滤饼为硅钙渣，可用作生产轻质墙体材料的原料。通过化学分析测定其化学成分，用于计算碱回收步骤中Na₂O和K₂O的溶出率。溶出渣中Na₂O和K₂O的溶出率如表9所示。

表9碱回收步骤中Na₂O和K₂O的溶出率

在烧结熟料溶出步骤中，根据表7的化学成分分析结果，计算得该步骤Al₂O₃的溶出率为78.1wt%。

在富碱硅钙渣回收碱步骤中，根据表8和表9的化学成分分析结果，计算得该步骤K₂O的溶出率为94.5wt%，Na₂O的溶出率为96.1wt%。

根据表6及表9的化学成分分析结果，计算得整个工艺过程中，该霞石正长岩的Al₂O₃的溶出率为78.1wt%，K₂O的溶出率为97.1wt%。

Claims (8)

1.一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，其特征在于：以碱性正长岩矿粉为原料，包括以下步骤：

原料烧结步骤：将所述碱性正长岩矿粉与石灰石、纯碱粉料按质量比混合，在1000-1200℃温度条件下烧结，制成烧结熟料；

烧结熟料溶出步骤：配制溶出碱液，将所述的烧结熟料和所述的溶出碱液一起在80～90℃温度条件下，搅拌反应15～30min，反应结束后过滤，得到溶出渣和溶出液，溶出液为铝酸钠和铝酸钾混合溶液，溶出渣为富碱硅钙渣；

溶出渣回收碱步骤：配制浓度为NaOH 1～2mol/L的碱液，将所述的富碱硅钙渣和所述的碱液一起置于反应釜中，在200-260℃下，恒温反应1-2h，反应结束后过滤，得到氢氧化钠和氢氧化钾混合滤液；滤饼为硅钙渣，用作生产轻质墙体材料的原料。

2.根据权利要求1所述的一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，碱性正长岩主要包括霞石正长岩和白榴正长岩，或者碱性正长岩主要包括霞石正长岩和假白榴正长岩，其中，主要包括霞石正长岩和白榴正长岩的碱性正长岩主要矿物组成为：钾长石含量大于55wt％和霞石含量小于40wt％，或钾长石含量大于55wt％和白榴石含量小于40wt％；或者主要包括霞石正长岩和假白榴正长岩的碱性正长岩主要矿物组成为：钾长石含量大于55wt％和霞石含量小于40wt％，或钾长石含量大于55wt％和假白榴石含量小于40wt％；上述碱性正长岩的主要化学成分为：SiO₂45～60wt％，Al₂O₃18～30wt％，Na₂O<9wt％，K₂O>9wt％。

3.根据权利要求1所述的一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，原料烧结步骤，其特征在于：碱性正长岩矿粉、石灰石和纯碱粉料的配比按质量比为1∶0.9～0.95∶1.0～1.1。

4.根据权利要求1所述的一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，原料烧结步骤，其特征在于：原料烧结时间为0.5～2h。

5.根据权利要求1所述的一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，原料烧结步骤，其特征在于：碱性正长岩矿粉、石灰石和纯碱粉料混合后，粉磨粒度范围为：粒径<74μm的颗粒>90wt％。

6.根据权利要求1所述的一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，烧结熟料溶出步骤，其特征在于：配制的溶出碱液浓度为Na₂O_K15～20g/L，Na₂O_c5～10g/L。

7.根据权利要求1所述的一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，烧结熟料溶出步骤，其特征在于：溶出温度为80～90℃，液固质量比为3～5，反应时间为15～30min。

8.根据权利要求1所述的一种碱性正长岩制备铝酸钠和铝酸钾混合溶液的工艺，溶出渣回收碱步骤，其特征在于：反应温度为200～260℃，液固质量比为3～5，反应过程的搅拌速率为100～300转/分。