CN103803614A - 一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法 - Google Patents

一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法。本发明是以含氯化镁的卤水为原料制备镁铝水滑石(Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O)，并用其作为脱硅剂对含硅的铝酸钠溶液进行深度脱硅。本发明的方法能够将至少80%的二氧化硅从含硅的铝酸钠溶液中脱除。本发明旨在利用丰富的海水或盐湖卤水氯化钙资源制备镁铝水滑石，并将其应用到氧化铝工业中的含硅的铝酸钠溶液中进行深度脱硅，不但实现了废弃资源的再利用，减轻了环境污染，而且降低了氧化铝的生产成本，提高了企业的经济效益。

Description

一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法
技术领域
本发明属于含硅的铝酸钠溶液脱硅的方法，特别涉及以含氯化镁的卤水为原料制备镁铝水滑石，并将其作为脱硅剂使用对含硅的铝酸钠溶液进行深度脱硅的方法。
背景技术
我国铝土矿储量丰富，但是80%以上为铝硅比（铝土矿中Al2O3和SiO2的质量比）为4～8的中低品位一水硬铝石型铝土矿，不能直接应用于生产成本低的拜尔法工艺中，需要经过脱硅，提高其铝硅比，然后采用经济的拜尔法工艺生产氧化铝。
铝土矿除了含有水化形式的氧化铝外，还包含硅、铁和钛等杂质。铝土矿中存在的铁和钛在苛性钠溶液中通常是难溶的，对从铝土矿中选择性提取氧化铝几乎没有影响，这些化合物在消化后掺入红泥中。铝土矿中存在的硅化合物主要以石英和以与氧化铝水化的复盐形式存在，例如高岭石。石英在苛性钠溶液中溶解缓慢，铝土矿中其它形式的二氧化硅可快速地溶解在消化步骤所使用的苛性钠溶液中。因此，含有大量二氧化硅的铝土矿难以进行处理。铝土矿中存在的二氧化硅在消化铝土矿时至少会引起两个问题：（i）二氧化硅作为复合钠硅酸盐溶解和再沉淀，由此消耗掉苛性苏打；（ii）复合钠铝硅酸盐在装置表面上再沉淀引起污垢堆积，当污垢堆积在热交换表面上时，这个问题尤为严重。因此硅是碱法生产氧化铝工艺中最有害的杂质。在将铝土矿溶解在碱液中得到的含硅的铝酸钠溶液分解之前必须设立专门的脱硅过程。
脱硅过程的实质就是使溶液中处于过饱和状态的硅酸钠转化成溶解度小的化合物沉淀析出。经过脱硅净化处理后的铝酸钠溶液，生产上称为精制液，脱硅后溶液中SiO2的净化程度通常用硅量指数来表示。当精制液中Al2O3的浓度一定时，硅量指数越高表示溶液中SiO2的含量越低，脱硅越彻底。因此提高和稳定铝酸钠溶液的硅量指数对产品氧化铝质量和产量起着极为重要的作用。
含硅的铝酸钠溶液的深度脱硅已有不少研究，可作脱硅剂的含钙化合物有氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙、立方水合铝酸钙，但上述脱硅剂的脱硅深度不高。增加脱硅剂用量可以增加精制液的硅量指数，但同时造成氧化铝的损失也大。而且上述脱硅剂均要直接或间接消耗CaO或Ca(OH)2，而CaO或Ca(OH)2是非可再生资源，且价格逐年上涨，因此研制价格低廉新型高效脱硅剂迫在眉睫。
另一方面，我国有丰富的海水和盐湖资源，为国民经济发展和人民的生活提供了丰富的钠盐和钾盐等产品。在从盐湖或海水中提取以上产品后，所剩含有大量氯化镁的液体，俗称卤水。卤水成分复杂，除含有大量的氯化镁外，还存在一部分钠盐，钾盐及数量相当可观的有机杂质。工业上通常这些卤水排放到大海或盐湖中，目前只将其中很小的一部分用于制备固体结晶氯化镁作为基本无机化工原料来使用，大量卤水回排，不仅污染了近海海水，也给近海湿地带来了一定的影响，从而使一些生物因环境污染而有灭绝的危险。因此，如何充分合理利用盐湖卤水资源，不仅是国家经济发展的战略需要，也是保护环境可持续发展的需要。 
水滑石类化合物(LDHs)是一类具有层状结构的新型无机功能材料，其典型的铝镁水滑石化学式为：Mg6Al2(OH) 16CO3·4H2O。铝镁水滑石是集阻燃剂、绝缘剂、稳定剂、着色剂、滑爽剂、抗老化剂、抗紫外线剂等诸多功能于一身的填充和改进的无机多功能材料。本发明人用含氯化镁的卤水为原料制备镁铝水滑石，并发现其有深度脱硅能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有脱硅剂存在的不足和局限性，用含氯化镁的卤水为原料制备镁铝水滑石，并以其作为脱硅剂，从而提供一种含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法。
本发明的技术方案：一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法，其特征是：包括以下步骤：
（1）将卤水进行自然蒸发、浓缩、结晶，过滤除去杂质、结晶物，得到含氯化镁的精制卤水，其中氯化镁含量为2～5mol/L，并用水调节，使氯化镁初始浓度为0.5～2mol/L，同时加入氯化铝，Mg2+与Al3+的摩尔比值为1～3，配成盐溶液A；
（2）将氢氧化钠溶于水，使其浓度为0.8～3mol/L，同时加入摩尔比NaOH/(NaOH+Na2CO3)为0.5～1的碳酸钠，配成混合碱溶液B；
（3）将步骤（2）中配好的混合碱溶液B加入到带夹套的反应罐中，向带夹套的反应罐的夹套中通入循环油浴，在200rpm～500rpm的搅拌转速下，将步骤（1）中配好的混合盐溶液A加入到反应罐中，控制反应温度范围为30～100℃，控制盐溶液A的加料速度为1.25～5ml/min；加料完毕后，继续搅拌陈化1～6小时，反应完毕后，将所得到的样品洗涤过滤，得到镁铝水滑石粗品，同时得到含氯化钠的母液I；
（4）将步骤（3）得到的镁铝水滑石粗品用10～50℃的去离子水洗涤，干燥10h以上，得到干燥的镁铝水滑石；
（5）将步骤（4）干燥的镁铝水滑石加入到含硅的铝酸钠溶液中，在温度为80～130℃下脱硅1～10小时，将含硅的铝酸钠溶液中的SiO2从含硅的铝酸钠溶液中脱除，得到脱硅的铝酸钠溶液。
所述的步骤（1）中的卤水是海水或盐湖卤水。
所述的将步骤（3）得到的含氯化钠的母液I经过蒸发、浓缩、结晶，使氯化钠结晶析出，过滤得到氯化钠晶体，同时得到母液II，返回步骤（1）中用来调整氯化镁的初始浓度。
所述的步骤（5）中镁铝水滑石的添加量为20～50 g/L。
所述的步骤（5）中含硅的铝酸钠溶液的组成为：按NaOH计，苛性钠的浓度200g/L～500g/L；按Al2O3计，氧化铝的浓度50g/L～200g/L；按SiO2计，硅的浓度2g/L～10g/L。
本发明的有益效果：
镁铝水滑石制备过程中反应机理为：
6Mg2++2Al3++CO3 2++16OH-+4H2O=Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O
此反应生成镁铝水滑石粗产品，副产物为氯化钠。镁铝水滑石粗产品经过洗涤，过滤得到镁铝水滑石；母液经浓缩，结晶得到氯化钠固体。
镁铝水滑石是水滑石中的一种，它具有水滑石的特性，即具有层状结构，层间离子具有可交换性。本发明将镁铝水滑石应用于氧化铝工业中的脱硅，开拓了其新的应用前景。
本发明的发明人认为镁铝水滑石脱除含硅的铝酸钠溶液中的硅的原理和效果基于以下几个方面：首先，镁铝水滑石本身具有层状结构，层间离子具有可交换性，因此当硅离子大小适当时可以和水滑石本身的阴离子发生交换，从而达到去除硅的目的；其次，由于水滑石的特殊结构决定了水滑石本身具有很大的表面积，因此具有一定的吸附能力，又由于水滑石板层之间具有阳离子，是其吸附能力进一步增强，因此水滑石除了离子交换以外，还可以将硅离子吸附在其表面，这样一来就增加了水滑石的交换容量，最后水滑石本身的阳离子可能还会和一定的硅离子发生螯合作用，使其交换容量进一步增强。
与现有技术相比，本发明优点及积极作用在于：
（1）镁铝水滑石具有离子交换和记忆效应，不仅可以发生离子交换，对硅离子还具有一定的吸附能力和螯合作用，因此交换容量大于一般的脱硅剂，对硅的脱除效率高；
（2）使用卤水氯化镁为原料制备镁铝水滑石，解决了目前钾肥行业中大量废弃物卤水氯化镁的问题，改善了钾肥开采地区的环境，对盐湖和海洋资源化工的平衡开采和高效利用起到积极作用；
（3）制备的镁铝水滑石具有深度脱硅能力，将其应用到氧化铝工业中可以降低氧化铝的生产成本，提高企业的经济效益；
（4）制备的镁铝水滑石所需要的原料来源广泛，成本低，且制备方法简单，易于操作，能耗低；
（5）制备镁铝水滑石没有采用氧化钙或氢氧化钙，可以在一定程度上保护我国的氧化钙或氢氧化钙等非可再生资源，延长其使用时间。
附图说明
图1本发明在30℃制备得到的镁铝水滑石的XRD图。
具体实施方式
实施例1
(1) 将卤水进行自然蒸发、浓缩、结晶，过滤除去杂质、结晶物，得到含氯化镁的精制卤水，并用水进行调节，使氯化镁浓度为0.5mol/L，同时加入一定量的氯化铝，使Mg2+与Al3+的摩尔比值为3，配成盐溶液A。
(2)将氢氧化钠溶于水，使其浓度为1mol/L，同时加入一定量的碳酸钠，并使摩尔比NaOH/(NaOH+Na2CO3)为0.8，，配成碱溶液B。
(3) 将步骤(2)中配好的溶液B 300ml加入到带夹套的反应罐中，向带夹套的反应罐的夹套中通入循环油浴，将溶液B的温度调节到30℃，在200rpm的搅拌转速下，将步骤(1)中配好的溶液A 300ml加入到反应罐中，控制反应温度为30℃，控制溶液A的加料速度为1.25ml/min，加料完毕后，继续搅拌陈化2小时，经过滤得到镁铝水滑石粗品。
(4) 将步骤(3)得到的镁铝水滑石粗品用水洗涤，干燥10h以上，得到干燥的镁铝水滑石，制备的镁铝水滑石的XRD如附图1所示。
（5）将步骤（4）干燥的镁铝水滑石加入到含硅的铝酸钠溶液中，其中，镁铝水滑石的添加量为40 g/L；在脱硅温度为100℃下脱硅120分钟；将含硅的铝酸钠溶液中的大约95%的SiO2从含硅的铝酸钠溶液中脱除，得到脱硅的铝酸钠溶液的硅量指数约为1500；
所述的含硅的铝酸钠溶液的组成：
按NaOH计，苛性钠的浓度为300g/L；
按Al2O3计，氧化铝的浓度为150g/L；
按SiO2计，硅的浓度为2g/L。
实施例2 
将实施例1中得到的干燥镁铝水滑石加入到含硅的铝酸钠溶液中，其中，镁铝水滑石的添加量为50 g/L；在脱硅温度为130℃下脱硅600分钟；将含硅的铝酸钠溶液中的大约81%的SiO2从含硅的铝酸钠溶液中脱除，得到脱硅的铝酸钠溶液的硅量指数约为105；
所述的含硅的铝酸钠溶液的组成：
按NaOH计，苛性钠的浓度为500g/L；
按Al2O3计，氧化铝的浓度为200g/L；
按SiO2计，硅的浓度为10g/L。
实施例3
(1) 将卤水进行自然蒸发、浓缩、结晶，过滤除去杂质、结晶物，得到含氯化镁的精制卤水，并用水进行调节，使氯化镁浓度为0.5mol/L，同时加入一定量的氯化铝，使Mg2+与Al3+的摩尔比值为3，配成盐溶液A。
(2)将氢氧化钠溶于水，使其浓度为1mol/L，同时加入一定量的碳酸钠，并使摩尔比NaOH/(NaOH+Na2CO3)为0.8，，配成碱溶液B。
(3) 将步骤(2)中配好的溶液B 300ml加入到带夹套的反应罐中，向带夹套的反应罐的夹套中通入循环油浴，将溶液B的温度调节到80℃，在200rpm的搅拌转速下，将步骤(1)中配好的溶液A 300ml加入到反应罐中，控制反应温度为30℃，控制溶液A的加料速度为1.25ml/min，加料完毕后，继续搅拌陈化2小时，经过滤得到镁铝水滑石粗品。
(4) 将步骤(3)得到的镁铝水滑石粗品用水洗涤，干燥10h以上，得到干燥的镁铝水滑石。
（5）将步骤（4）干燥的镁铝水滑石加入到含硅的铝酸钠溶液中，其中，镁铝水滑石的添加量为40 g/L；在脱硅温度为100℃下脱硅120分钟；将含硅的铝酸钠溶液中的大约83%的SiO2从含硅的铝酸钠溶液中脱除，得到脱硅的铝酸钠溶液的硅量指数约为441；
所述的含硅的铝酸钠溶液的组成：
按NaOH计，苛性钠的浓度为300g/L；
按Al2O3计，氧化铝的浓度为150g/L；
按SiO2计，硅的浓度为2g/L。
实施例4
将实施例3中得到的干燥镁铝水滑石加入到含硅的铝酸钠溶液中，其中，镁铝水滑石的添加量为50 g/L；在脱硅温度为130℃下脱硅600分钟；将含硅的铝酸钠溶液中的大约66%的SiO2从含硅的铝酸钠溶液中脱除，得到脱硅的铝酸钠溶液的硅量指数约为58；
所述的含硅的铝酸钠溶液的组成：
按NaOH计，苛性钠的浓度为500g/L；
按Al2O3计，氧化铝的浓度为200g/L；
按SiO2计，硅的浓度为10g/L。
实施例5
将实施例3中得到的干燥镁铝水滑石加入到含硅的铝酸钠溶液中，其中，镁铝水滑石的添加量为40 g/L；在脱硅温度为120℃下脱硅600分钟；将含硅的铝酸钠溶液中的大约80%的SiO2从含硅的铝酸钠溶液中脱除，得到脱硅的铝酸钠溶液的硅量指数约为167；
所述的含硅的铝酸钠溶液的组成：
按NaOH计，苛性钠的浓度为300g/L；
按Al2O3计，氧化铝的浓度为200g/L；
按SiO2计，硅的浓度为6g/L。

Claims (5)

1.一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将卤水进行自然蒸发、浓缩、结晶，过滤除去杂质、结晶物，得到含氯化镁的精制卤水，其中氯化镁含量为2～5mol/L，并用水调节，使氯化镁初始浓度为0.5～2mol/L，同时加入氯化铝，Mg2+与Al3+的摩尔比值为1～3，配成盐溶液A；
（2）将氢氧化钠溶于水，使其浓度为0.8～3mol/L，同时加入摩尔比NaOH/(NaOH+Na2CO3)为0.5～1的碳酸钠，配成混合碱溶液B；
（3）将步骤（2）中配好的混合碱溶液B加入到带夹套的反应罐中，向带夹套的反应罐的夹套中通入循环油浴，在200rpm～500rpm的搅拌转速下，将步骤（1）中配好的混合盐溶液A加入到反应罐中，控制反应温度范围为30～100℃，控制盐溶液A的加料速度为1.25～5ml/min；加料完毕后，继续搅拌陈化1～6小时，反应完毕后，将所得到的样品洗涤过滤，得到镁铝水滑石粗品，同时得到含氯化钠的母液I；
（4）将步骤（3）得到的镁铝水滑石粗品用10～50℃的去离子水洗涤，干燥10h以上，得到干燥的镁铝水滑石；
（5）将步骤（4）干燥的镁铝水滑石加入到含硅的铝酸钠溶液中，在温度为80～130℃下脱硅1～10小时，将含硅的铝酸钠溶液中的SiO2从含硅的铝酸钠溶液中脱除，得到脱硅的铝酸钠溶液。
2. 根据权利要求1所述的一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法，其特征在于：步骤（1）中的卤水是海水或盐湖卤水。
3. 根据权利要求1所述的一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法，其特征在于：将步骤（3）得到的含氯化钠的母液I经过蒸发、浓缩、结晶，使氯化钠结晶析出，过滤得到氯化钠晶体，同时得到母液II，返回步骤（1）中用来调整氯化镁的初始浓度。
4. 根据权利要求1所述的一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法，其特征在于：步骤（5）中镁铝水滑石的添加量为20～50 g/L。
5. 根据权利要求1所述的一种由镁铝水滑石对含硅的铝酸钠溶液深度脱硅的方法，其特征在于：步骤（5）中含硅的铝酸钠溶液的组成为：
按NaOH计，苛性钠的浓度200g/L～500g/L；
按Al2O3计，氧化铝的浓度50g/L～200g/L；
按SiO2计，硅的浓度2g/L～10g/L。
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