硅質結疤物的形貌結構及其礦物特征與防治,無機化學論文硅是氧化鋁生產中不可避免的雜質，也是最有害的雜質之一。它們在鋁土礦的溶出經過中被堿溶液分解，以Na2SiO3的形態進入溶液，然后與鋁酸鈉溶液反響生成水合鋁硅酸鈉〔生產中稱為鈉硅渣〕，大部分進入赤泥，少量殘留于溶出液中陸續緩慢析出。在一水硬鋁石溶出經過中，因添加石灰，部分硅酸鈉還將生成溶解度更小的水合鋁硅酸鈣〔水化石榴子石〕、甚至含鈦水化石榴子石。這些含硅的新生成物在生產設備和管道上，十分是在換熱器表壁上析出成為結疤后，使傳熱系數嚴重降低，增加能耗和清理工作量，直接影響到氧化鋁生產的技術經濟指標。前人對結疤問題給予了極大關注并開展了廣泛而深切進入的研究。在研究硅疤的構成機理和影響因素基礎上，對氧化鋁高壓溶出工藝流程、工藝條件進行優化以抑制或減緩硅疤的生成，對生成的硅結疤采用物理化學方式方法進行清理。由于硅結疤的預防及清洗特性與其形貌構造有很大關系，上述研究所得到的結果各有差異，對所表現出來的結疤清理特性尚缺乏含硅礦物礦物學方面的解釋或印證。因而，本文通過研究硅質結疤物的形貌構造及其礦物特征，揭示硅結疤的防治與其形貌構造及礦物特征的內在關系，旨在為構成一套科學高效的硅結疤防控技術提供理論基礎。1、分析儀器及方式方法采用化學分析和X射線衍射分析〔XRD〕測定高壓溶出器組各結疤樣中SiO2含量及其存在的物相，XRD〔中科院地化所〕為日本理學公司的D/Max-2200；利用掃描電鏡的能譜選區成分分析技術對硅質結疤物組成物質成分進行微區分析；采用掃描電鏡〔SEM〕的背散射電子成像分析技術對硅質結疤的內部形態構造進行研究，SEM〔中科院地化所〕為日本電子公司JSM-6460LV，加速電壓25kV，放大倍數為30至20000倍。2、結疤的化學成分與物相組成結疤樣是從貴州某氧化鋁廠高壓溶出器組的單套管預熱器、壓煮器、停留罐、閃蒸器中取出的，其化學組成分析結果見表1。結疤樣的XRD分析顯示，單套管結疤物質以鈉硅渣、赤鐵礦和鋁針鐵礦為主；壓煮器結疤物質以鈣鈦礦、鎂結疤為主；停留罐結疤物質主要是水化石榴子石、橄欖石和針鐵礦；閃蒸器結疤以三水鋁石和鈦酸鈣鐵為主。華而不實含硅物相主要有：鈉硅渣、水化石榴子石、橄欖石、鐵石榴子石和Na2Ca3Si3O10相，與赤泥中含硅物質有一樣之處。表示清楚，高壓溶出經過含硅礦物發生反響生成了新相，并在各器壁上析出構成硅結疤。3、硅質結疤形態構造3.1單套管硅質結疤單套管硅質結疤從成分上看主要是鈉硅質渣〔Na2OAl2O3xSiO2nH2O〕，其構造形貌如此圖1所示。利用掃描電鏡的能譜選區成分分析對其物質組成進行分析，結果見圖2。板狀、柱狀物成分為赤鐵礦，化學組成〔wB/%〕為：FeO88.14，TiO25.00，Al2O33.64，Na2O1.35，SiO21.16，CaO0.49。微細粒間隙成分為鈉硅渣，針狀物為鋁針鐵礦，化學組成〔wB/%〕為：FeO53.73，Al2O317.12，CaO6.61，Na2O6.52，SiO26.45，P2O55.76，TiO22.34。在圖1中，構成密集晶族，晶體呈板狀、柱狀，晶形規整，晶體粗大的為赤鐵礦，垂直管壁生長。鈉硅渣呈微細粒狀，與呈針狀、晶體細小的鋁針鐵礦一起填充在赤鐵礦晶體間的空隙里。3.2壓煮器硅質結疤經SEM圖像分析，壓煮器結疤中構成鈣鈦礦與氫氧化鎂的層狀交替沉積構造，鈦有五個周期性的沉積旋回，見圖3a。硅質結疤主要在鈦的第一沉積旋回中，未發現硅質結疤物在鈦的其余四次沉積中，其背散射電子圖像如此圖3b所示，利用掃描電鏡的能譜選區成分分析對其物質組成進行分析，見圖4。其分析結果為：亮白處成分為鈣鈦礦，化學組成〔wB/%〕為：TiO253.94，CaO31.88，Na2O6.78，SiO24.00，Al2O31.82，FeO1.57。層間局部成分為微細粒鈉硅渣與氫氧化鎂基體，化學組成〔wB/%〕為：Al2O331.28，MgO27.58，SiO219.65，Na2O5.08，TiO24.7，FeO4.48，CaO3.47。從圖3b中可知，少量的微細粒鈉硅質與氫氧化鎂基體沉積于層間局部，且分散于氫氧化鎂基體中。硅質結疤物在壓煮器中較少。3.3停留罐結疤停留罐中硅質結疤以水化石榴子石Ca3Al2(SiO4)3和橄欖石〔Mg2SiO4〕為主，其構造形貌如此圖5所示。從圖可看出，晶體發育完美，呈柱狀，晶形規整，晶體粗大，垂直管壁大量生長。呈灰白色襯度的是針鐵礦，它構成了停留罐薄層結疤的致密層狀構造。利用掃描電鏡的能譜選區成分分析對其物質組成進行分析，結果見圖6。晶體間隙填隙物成分為鈉硅渣，化學組成〔wB/%〕為：Na2O46.78，Al2O315.99，FeO10.54，SiO27.50，MgO5.56，K2O5.44，SO34.28。微細粒填隙物成分為水化石榴子石[Ca3Al2(SiO4)3]和橄欖石〔Mg2SiO4〕，化學組成〔wB/%〕為：Al2O328.89，MgO13.08，CaO11.17，Na2O12.30，SiO210.90，P2O59.89，FeO4.78，SO34.40。分析結果表示清楚，水化石榴子石Ca3Al2(SiO4)3和橄欖石〔Mg2SiO4〕以微細粒狀填充于含鋁鈦的針鐵礦晶體間隙中，除此之外還包括少量鈉硅渣。3.4閃蒸器結疤閃蒸器硅質結疤主要是鐵石榴子石和Na2Ca3Si3O10相，分別存在于球粒狀和紋層狀兩類典型構造中，如此圖7所示。利用掃描電鏡的能譜選區成分分析技術對圖7a中的物質組成進行分析，結果見圖8。皮殼層成分為比擬純凈的氫氧化鋁相，化學組成〔wB/%〕為：Al2O396.68，CaO0.89，SiO20.83，FeO0.57，Na2O0.38。皮殼層外邊緣似三角形亮白色顆粒物為鐵石榴子石，化學組成〔wB/%〕為：FeO36.59，Al2O329.87，SiO225.23，MgO4.44，CaO1.65。分析結果表示清楚，圖7a球粒狀構造中，皮殼層成分為比擬純凈的氫氧化鋁相，皮殼層球粒呈灰色襯度，形態為橢圓狀或不規則粒狀，大小主要為400～1300m，球粒核心經常構成空洞，球粒間有灰白襯度的填隙物。球粒主要由Al2O3〔Al2O33H2O〕組成，少量Na、Mg、Si、Ca、Cr和Fe共生于華而不實。填隙物主要成分固然同樣為Al2O3〔Al2O33H2O〕，但有很多大小不一的亮白襯度的鐵石榴子石〔皮殼層外邊緣似三角形亮白色顆粒物〕與之共生，使得填隙物在化學組成方面，Si、Ca、Ti和Fe等元素含量高于球粒。同樣，利用掃描電鏡的能譜選區成分分析對圖7b中的物質組成進行分析，結果見圖9。灰白色紋層處成分為Na2Ca3Si3O10相和氫氧化鋁相兩相混合物，其化學成分〔wB/%〕為：Al2O370.15，SiO214.27，CaO6.21，Na2O3.17，SO31.83，FeO1.35，MgO1.32。亮條紋處成分為富Na2Ca3Si3O10相，化學組成〔wB/%〕為：SiO235.94，Al2O333.75，Na2O10.41，CaO10.07，SO36.15，MgO1.05。分析表示清楚，圖7b紋層狀構造中，灰白色紋層蜿蜒彎曲復雜，繞過灰色襯度的鋁質球粒或鋁質團塊，具有流動性特征。灰白色紋層組成特征是：比灰色鋁質球粒富Na、Si、S、K、Ca，而貧Al，主要由微細粒氫氧化鋁相和Na2Ca3Si3O10相兩相混合而成的物質，在流經灰色氫氧化鋁球粒邊緣的經過中沉淀構成灰白色紋層。亮條紋處成分為富集Na2Ca3Si3O10相，渾圓狀暗色團塊成分為較純凈的氫氧化鋁相，亮白色顆粒集中區域成分為含氫氧化鋁相。4、結論〔1〕硅質結疤物隨著高壓溶出經過的進行，其物相、形貌構造及礦物特征發生變化；〔2〕單套管預熱器中硅質結疤物為鈉硅質渣〔Na2OAl2O3xSiO2nH2O〕，呈微細粒狀，與鋁針鐵礦一起填充在晶形規整、晶體粗大的赤鐵礦晶體間的空隙里；〔3〕壓煮器中硅質結疤物為少量的微細粒鈉硅質渣，與氫氧化鎂基體共同沉積于鈦的第一沉積旋回的層間局部；〔4〕停留罐中硅質結疤物以水化石榴子石Ca3Al2(SiO4)3和橄欖石〔Mg2SiO4〕為主，它們以微細粒狀填充于針鐵礦晶體間隙中，除此之外還包括少量針狀碳酸鈉及鈉硅渣；〔5〕閃蒸器中硅質結疤物主要是鐵石榴子石和Na2Ca3Si3O10相，前者與Al2O3〔Al2O33H2O〕共生成為球粒狀構造中填隙物的主要成分，后者以微細粒狀與氫氧化鋁相混合成為紋層狀構造中的主要成分。以下為參考文獻：[1]ZhaoQing-jie,YangQiao-fang,ChenQi-yuan.Behaviorofsilicon-containingmineralsduringBayerdigestion[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2018,20:1-9.[2]XuBingan,SmithP,WingateC,DeSilvaL.TheeffectofcalciumandtemperatureonthetransformationofsodalitetocancriniteinBayerdigestion[J].Hydrometallurgy,2018,105(1):75-81.[3]尹中林,顧松青.石灰添加方式對一水硬鋁石型鋁土礦漿預熱經過結疤的影響[J].中國有色金屬學報,2001,11(5):910-914.[4]尹中林,顧松青.鋁土礦漿在拜耳法預熱經過中結疤速率和石灰添加量的關系[J].輕金屬,2001,6:27-29.[5]XuBingan,SmithP,DeSilvaL.TheBayerdigestionbehaviouroftransitionaluminasformedfromroastedgibbsite[J].InternationalJournalofMineralProcessing,2020,122:22-28.[6]劉偉.高溫高堿雙流法溶出的工業應用與實踐[J].輕金屬,2007,1:9-15.[7]蘆東,左會敏.后增濃溶出技術在管道化溶出經過中的應用[J].輕金屬,2018,12:14-16.[8]王利娟,蔣濤,楊會賓.