拜耳法氧化铝生产中的有机物大学论文.doc

拜耳法氧化铝生产中的有机物 有机物的积累和危害是大多数拜耳法氧化铝厂必须面对的问题。溶液中有机物含量较高时，其所产生的负面影响往往是多方面的，工厂的产量、产品质量及其它技术经济指标将因此受到严重影响。文献1报道，仅澳大利亚每年由于有机物造成的氧化铝产量损失就达130万吨。某些有机物的存在使生产砂状氧化铝变得困难。因此，有机物问题成为氧化铝生产中的主要研究方向之一。国外就拜耳法生产中有机物的行为、对生产过程的影响及其排除方法等进行了长期的、大量的研究，取得了重要进展。 我国大多数氧化铝厂采用混联法或烧结法生产，有机物的影响很小或完全不存在。平果铝业公司氧化铝厂是我国目前唯一的采用纯拜耳法生产的工厂，投产较晚，原矿中的有机物含量也较低，有机物的影响需继续观察和研究。我国在“九五”期间进行的中、低品位铝土矿选矿研究取得了重大的进展，但除原矿中部分有机物进入精矿外，还有一定数量的浮选药剂被带入精矿，这种浮选药剂在拜耳法生产中的行为及其影响如何，尚未见诸文献报道，非常值得重视。一、 拜耳法溶液中的有机物拜耳法溶液中的有机物主要来自铝土矿，絮凝剂、消泡剂、脱水剂等添加剂也会带入少量有机物。但据文献报道，其数量和影响均较小。铝土矿中的有机碳含量通常为0.1-0.3%，但亦可低至0.03%或高达0.6%(某些地表矿)。热带铝土矿中有机碳含量较高，一般为0.20.4%，而一水硬铝石型铝土矿中的含量则较低，通常为0.1%。南美、非洲、澳大利亚铝土矿中的有机物含量较高，而欧洲、俄罗斯和中国的大多数铝土矿有机物含量较低。铝土矿中的有机物分为腐殖质和沥青两种2。腐殖质主要成分为木质素转变的产物腐殖酸。腐殖质成分复杂，其平均元素组成为，%：58%C，36%O2，4%H2，2%N2及其它杂质。腐殖质易溶于碱液。沥青中的C和H含量比腐殖质中的高，实际上不溶于碱液。据文献3，铝土矿高压溶出时，腐殖质几乎全部溶入溶液，而沥青的溶出率不高于10%，在赤泥浆液稀释及沉降分离过程中，又全部析出进入赤泥。Jose G. Pulperiro等4报道，在铝土矿溶出条件下，60-90%的腐殖质溶解于强苛性碱溶液中，生成腐殖酸钠。不溶解的腐殖质是由于被铝土矿中不溶的无机物结合或吸附。虽然原矿中有机物的含量一般不高，在铝土矿溶出时也非全部进入溶液，但由于种分母液与洗液是循环的，拜耳法流程中的有机物会逐渐积累，直至达到进出平衡为止。溶液中有机物的平衡浓度主要取决于铝土矿中有机物的含量及其组成，也与溶出条件等有关。一般情况下，拜耳溶液中有机碳含量为7-15g/L，在极端情况下可达25g/L5。文献6报道，处理热带铝土矿的德国施塔德氧化铝厂的溶出液中，有机碳含量甚至高达34g/L。. . 7早期所作的乌拉尔氧化铝厂有机物的平衡表明：随铝土矿（一水硬铝石型）进入流程的有机物占全部有机物的88.5%，其余11.5%来自面粉（当时用作赤泥絮凝剂），而赤泥排走的有机物占全部有机物总量的83%，仅有17%进入溶液。进入溶液中的有机物主要随苏打结晶（据有关资料，苏打结晶中有机碳含量达0.51.5%）和氢氧化铝排出，二者分别占原矿中有机物总量的5.7%和4.5%，按对进入溶液中的有机物总量计算，则分别占33.5%和26.5%，其余则随苏打苛化后的石灰渣、蒸发母液等排出或循环。文献4列举了铝土矿中的有机碳在浸出过程中降解产物的一组典型数据：其中成为碳酸钠的占15%，草酸钠10%，溶解的有机物钠盐（TOC）占55%，20%的有机碳未溶出而进入赤泥。S.C. Grocott8测定了澳大利亚Darling Range铝土矿中总碳在浸出过程中（150C，实验室条件下）的平衡。该矿中有机碳占总碳量的80%，20%为无机碳。浸出时总碳的40%进入赤泥，其余60%中变成草酸钠、非草酸钠形态有机物以及碳酸钠形态的碳分别占10%，40%和10%。文献中还报道了一些国外拜耳法厂溶液中有机物的含量、组成及性质等情况，因各自处理的铝土矿及生产工艺不同而存在较大差异。G. Lever，J. C. Guthrie，K. Yamada，P. T. The， N. Brown，C. Sato，K. Solymar，S. C.Grocett，Gilbert Bouzat及等许多学者对铝土矿中有机物在拜耳法生产中的行为、存在形态、溶解度、分子量及各种有机物的含量等进行了广泛深入的研究9-19。采用了诸如气相色谱法（GC）、凝胶渗透色谱法(GPC)、气相色谱质谱法（GC/MS）、红外光谱以及根据溶液中各有关离子形态的热力学数据建立草酸钠与三水铝石在拜耳法溶液中溶解度（种分条件下）的物理化学模型等现代检测手段和实验方法。 研究表明，溶出过程中有机碳的溶解量主要取决于铝土矿种原始腐殖质的化学成分。在溶出过程中，腐殖酸钠即开始水解并缓慢地氧化，降解为中间的和稳定的化合物，其降解程度又取决于浸出温度以及铝土矿中氧化剂和催化剂的存在。这个过程是高分子量有机物逐渐降解为中等分子量有机物，再转变为低分子量有机物，最后的稳定产物为草酸钠和碳酸钠。在低温溶出条件下（130-150C），大多数铝土矿中的有机碳约有转变为草酸钠，而采用高温溶出条件时（220-250C），生成的草酸钠约增加一倍。草酸钠是最重要的一种降解产物，它是在拜耳法条件下唯一的具有低溶解度的稳定产物，能对生产过程造成严重负面影响（见下文）。在拜耳法溶液中存在不同类型的、数以千计的有机物。为了表征溶液中的这些有机物的含量水平，文献中常以总有机碳(TOC)数量来描述。所以拜耳法溶液中有机物的组成相当复杂，性质差异也大，与原矿中的有机物化学成分已大不相同。Lever将拜耳法溶液中的有机物分为三类(以下提到的各种有机酸,实际上均以其钠盐形态存在于拜耳法溶液中)：1） 腐殖酸 包括新从铝土矿中溶出的高分子有机物及其初始降解产物， 分子量大于500；2） 中等分子量降解产物，主要为苯羧酸和酚酸；3） 低分子量降解产物。Lever用于研究的两种溶液取自两个以牙买加铝土矿为原料的拜耳法厂，两厂溶出温度分别为135C和240C，溶液中有机碳含量分别为8.5g/L和15g/L。研究表明，溶液中有机物包括上述三类，分子量变化范围约为50-10000。溶液中大约一半的有机碳是以低分子量有机物形态存在，其余一半分属中、高分子量有机物，且二者有机碳含量相近。Lever的研究表明，上述两种溶液中高分子有机物的绝大部分（88-89%）的表观分子量为1000-5000，低温（135C）溶出液中的高分子有机物按有机碳含量计为2.1g/L，而高温溶出液为3.6g/L，大致分别相当于两种溶液中存在有苯五羧酸等18种中等分子量的有机物，并测定了这些有机物在两种溶液中各自的含量；此外，还认定了在低温溶出液中存在草酸、甲酸、醋酸、乳酸及琥珀酸等五种低分子量降解产物，并测定了其各自的含量。J. C. Guthric等研究了两种拜耳法厂的种分母液中的有机物，测定了溶液中的总有机碳含量，不同分子量的有机物的含量及其所占比例，并确定溶液中存在苯五羧酸等35种有机化合物。二、 有机物对拜耳法生产的影响 分析有关的文献资料及国外一些拜耳法厂的生产实践，我们可以取得如下认识：1） 当流程中某些有机物积累到一定含量后，其对生产的影响是很大的，且涉及到拜耳法生产的大多数工序；除极个别情况外，它的影响都是负面的；2） 溶液中有机物种类繁多、数以千计，组成复杂、性质各异，对生产的影响及影响程度也不相同。只有相对少数的有机物造成有害影响。高、中分子量的有机物以及低分子量中的草酸钠产生不同的负面影响，而其它低分子量有机物的不良影响要小得多；3） 溶液中的有机物改变溶液的物理性质：溶液比重、粘度、沸点、比热均增加，界面张力降低，这些对拜耳法生产都会造成一定的负面影响；4） 某些有机物含量较高时，拜耳法湿法工序（包括原矿浆储存、赤泥沉降分离、种分及母液蒸发等工序），由于溶液或浆液中往往产生大量泡沫而减小设备容积并造成溶液损失。文献5,16报道，产生泡沫的原因是溶液中存在较多的腐殖酸盐等高、中分子量有机物使溶液的界面张力降低之故20；5） 在个别特定情况下，某些有机物对一水硬铝石型铝土矿溶出有良好作用，但有的有机物则使氧化铝溶出率降低。有机物对分解的影响最大，当溶液中某些有机物积累到一定程度后，种分产出率和产品质量（粒度、强度及杂质含量）都将受到严重影响。有机物对种分母液蒸发以及苏打结晶长大及分离也有负面影响。某些有机物在换热设备表面析出形成结疤，影响传热并降低设备产能；6） 由于有机物与碱反应生成各种有机钠盐，造成碱的损失。下面扼要介绍有机物对拜耳法某些主要生产工序的影响。A 对一水硬铝石型铝土矿溶出及赤泥分离洗涤的影响.详细研究了某些有机物对乌拉尔一水硬铝石型铝土矿(A/S 9.08，TiO22.2%，CaO0.8%)铝土矿溶出过程的影响，溶出温度为205C，其结论为：1） 某些有机物能达到大大提高一水硬铝石型铝土矿的Al2O3溶出率，用工厂循环母液溶出与用配制的纯母液溶出相比，前者的Al2O3溶出率要高出许多；2） 不是所有的有机物都能加速一水硬铝石型铝土矿的溶出，只有含有醇基的有机物才会有此作用。含醇基的有机物本身对溶出并无明显影响，而是因为它使CaO得以活化，即生成了比CaO溶解度高得多的醇酸钙之故。因此，当存在这种有机物时，石灰添加量可以减少。 23的研究证实了的上述结论。3） 含醇基的有机物对一水硬铝石型铝土矿溶出的强化作用只是当CaO添加量在3-4%以下时才很显著，CaO添加过量时，有机物的这种作用便不明显了；4） 溶于苯而不溶于碱的有机物（主要是沥青）可降低铝土矿的溶出率，因其包裹在铝土矿颗粒表面，阻碍碱液向内渗透。当矿石中沥青含量较高时，需要增加石灰添加量。 溶液中有机物对拜耳法赤泥分离洗涤过程不利，随着有机物含量的提高，溶液粘度增加，赤泥沉降速度降低，沉降槽溢流浮游物增多22。S. Ostap指出，当采用合成高分子絮凝剂时，这种影响便不明显。如上所述，腐殖酸钠等高分子有机物含量高时，赤泥分离洗涤系统可产生大量泡沫。B. 对晶种分解的影响 许多研究以及拜耳法厂的生产实践表明，晶种分解是受有机物影响最为严重的工序。早在30年代，等人就发现有机物可降低晶种分解速度。经过许多学者多年来的研究，关于有机物对晶种分解影响的认识已大大深化。 有机物对晶种分解的影响可概括为如下几个方面：1） 降低分解速度和氧化铝产出率；2） 使氢氧化铝粒度变细、易碎，在过滤特别是煅烧过程中易碎裂， 从而成为拜耳法厂生产砂状氧化铝的主要困难之一；3） 增加产品中的杂质特别是Na2O的含量；4） 不利于分解产物氢氧化铝的沉降、过滤和分级；5） 种分槽内产生大量泡沫；6） 溶液带颜色直至黑褐色，分解产物氢氧化铝的白度降低；7） 加速种分槽内氢氧化铝结疤。 种分原液中的有机物达到一定含量后才对分解过程产生明显危害。国外有的文献中称这一对种分过程造成负面影响的最低有机物含量为“危害临界值”。不同的文献中报道的这一临界值有所不同24。如提出的为1%（以耗氧量占溶液中Na2OT的百分数计），法国的资料为0.6%，而. . 等人则认为是1.77%，等等。很明显，这一数值不同的原因在于各研究者所用溶液的有机物的存在形态以及分解原液成分、作业条件不同。不同类型的有机物以及分解条件的不同对种分造成的影响差异很大。高分子腐殖酸钠降解的稳定产物，被认为是对晶种分解危害最大的杂质之一。溶解于溶液中的草酸钠被认为对于拜耳法生产的任何方面都没有影响，只是超过溶解度后才给生产造成严重影响1, 12。一些学者对草酸钠在铝酸钠溶液中的溶解度和行为进行了研究。Brown等人的研究表明，拜耳法溶液里高分子有机物的众多降解产物中，草酸钠是唯一能积累到超过其在溶液中溶解度的化合物，它可以在生产流程中温度最低的地方结晶析出。Brown研究了拜恩提思兰氧化铝厂种分母液中草酸钠平衡溶解度与溶液温度及浓度之间的关系。草酸钠的主要排出点为氢氧化铝产品中的固体草酸钠。细粒氢氧化铝中的草酸钠含量高于粗粒部分。焙烧时，氢氧化铝中的草酸钠结晶在250C时分解，使氧化铝碎裂，颗粒变细，同时液增加了产品中的钠含量。 P. J. The 等的研究表明，拜耳法溶液中草酸钠的溶解度与温度成正比，与全碱浓度成反比。在工业溶液中，由于其它离子的存在，草酸钠的表观溶解度要比在纯溶液中高出很多。 The 确定了工业铝酸钠溶液中草酸钠表观溶解度与温度、全碱浓度及有机碳浓度之间的关系。 B.Gryra等指出，拜耳法母液中Na2C2O4的过饱和度通常超过100%。一般认为，溶液中含有高分子量的腐殖酸盐有机物，使草酸钠的溶解度提高。 以往文献中报道的草酸钠溶解度模型均为由实验结果建立的经验模型，其应用有局限性。Gilbert ouzat等根据溶液中相关离子的热力学数据，建立了在种分作业条件下草酸钠和三水铝石（氢氧化铝）溶解度的物理化学模型，可以计算在广阔的Na2Ok及杂质（Na2SO4、Na2CO3、NaCl）浓度范围内，计算铝酸钠溶液中草酸钠和Al2O3的平衡浓度。计算结果与实验结果吻合良好。如上所述，草酸钠在铝酸钠溶液中的溶解度取决于很多因素。一般情况下，在种分时，当溶液中Na2C2O4超过6g/L时，即可能开始与氢氧化铝共同析出。 草酸钠对种分最主要的影响是生成细粒子氢氧化铝，其机理1，25一是由于过饱和的草酸钠以细小的针状结晶析出，氢氧化铝在其上产生二次晶核；二是由于降低了附聚效果，固体草酸钠（也包括溶解的有机物）能结合于长大的氢氧化铝晶种中，从而增加碱含量。草酸钠在250C分解，既减小了煅烧产品的粒度，也增加了氧化铝产品中的碱含量，这些对铝电解过程均很不利。草酸钠附着在氢氧化铝上影响后者的分级、晶种制备。由于草酸钠的共同析出，加速了种分槽内的氢氧化铝结疤的生成速度，清理核维护工作量增加。 如上所述，有的文献指出，溶解于溶液中的草酸钠（溶解度以下）对种分并无危害。Satapathy26也认为，溶液中的草酸盐含量很少时无害于氢氧化铝质量，以草酸盐形态存在的碳含量只有高于溶液中Na2Ok的0.5%时才影响分解产品质量。但很多拜耳法厂深受草酸钠的影响。 乌克兰处理进口红土性三水铝石矿的尼古拉也夫拜耳法氧化铝厂，自1980年投产后的短短几年内，溶液中有机物（特别是草酸钠）含量迅速增加，致使氧化铝产品粒度大大变细，过滤作业困难，种分分解率下降27。 . . 28报道了尼古拉也夫氧化铝厂投产后5年内溶液中有机碳和碳酸钠的积累情况，种分分解率及晶种和分解产品中细粒子（-45m）含量与溶液中有机碳浓度的关系，并详细研究了上述杂质对种分过程的影响。作者认为，为了减轻有机杂质对氧化铝生产指标的有害影响，首先必须尽可能实现将草酸钠从循环母液中分离出来。 大多数关于草酸钠杂质影响的研究均限于其溶解度极限以下。Roberto Cacalo等25研究了在草酸钠溶解度以下时，其对种分产出率、产品质量及分解动力学的影响。Cacalo等种分试验所用溶液为合成的纯铝酸钠溶液，Al2O3/Na2CO3比为0.70，分解温度为70，添加的草酸钠最高达5g/l。作者研究了草酸钠含量及晶种等因素对产出率等的影响。结果表明，草酸钠（在溶解度以下时）显著提高Al2O3产出率。根据作者的研究是由于界面张力降低，分解活化能降低，而细颗粒的成核与附聚都有所加速，颗粒粒度分布及特点均有变化。作者测得的分解活化能（Ec）为74kJ/mol（对纯溶液），这与文献报道的数据相符。对含5g/l草酸钠的溶液的分解活化能为65kJ/mol，较上述数值低12%。Cacalo等采用激光散射技术（Laser light scattering techniques）和扫描电镜研究了草酸钠对种分产物粒度分布和结构特点的影响。除高分子有机物降解产物草酸钠外，拜耳法溶液中还有不少溶解度较高而对种分造成负面影响的有机物。A.Lectard等29用欧洲、非洲及澳大利亚等地铝土矿高温溶出后的工业溶液进行种分实验，以确定氧化铝产出率与原液苛性碱浓度、有机物含量之间的关系，建立了相应的经验模型。实验结果表明，为了获得高的氧化铝产出率，溶液的净化是必要的。B.Gryra等认为5，高分子量腐殖酸化合物由于提高氧化铝的溶解度而增加了溶液的稳定性，同时也氢氧化铝晶种失去活性（Deactivation）。高分子腐殖酸钠遏制草酸钠的排除，并使铝酸钠溶液呈黑褐色，氢氧化铝也带色，且是造成溶液中产生泡沫的根源。P.J.The等研究了杂质对拜耳法溶液中钙含量的影响30，研究表明，分解原液中约90%的钙含量将进入分解产物氢氧化铝中。当原液中碳酸钠浓度一定时，拜耳法溶液中的钙含量受有机物含量的影响很大。有机物与碳酸钠还有一种叠加效应，使溶液中钙的含量进一步提高。并非所有类型的有机物都具有上述同样有害影响。在低温溶出（143）下，腐植质及带5个羟基的有机物能提高CaO溶解度。葡萄酸钠（Sodium gluconate）的影响最大。提高溶出温度至235，除腐殖酸钠外，所有杂质均使氧化钙的溶解度降低。这是因为钙化合物的溶解度是随温度的升高而降低的，但在235溶出温度下，添加3g/l腐植质，溶液中CaO从0.008g/l提高到0.038g/l，这可能是由于钙离子与腐殖质降解产物间发生反应而引起的。这种降解产物看来是随着温度的提高而增加的，特别是溶液中的碳酸钠浓度较高时。文献31中还报道了有些有机物使种分产物中的碱含量增加，其中有的是吸附于晶种表面（如gluconate），有的是成为结合碱进入氢氧化铝中。. . 等32研究了有机物对种分的影响。作者从帕夫洛达尔铝厂的铝酸钠溶液中分离出6种有机物腐殖酸、富里酸、石炭酸、酚酸、中性化合物、高分子树脂化合物，用与帕厂工业溶液化学成分相当的合成溶液进行种分实验。结果表明，高分子树脂化合物、酚酸及中性化合物对分解无影响，其它有机物则降低分解率，石炭酸的负面影响最大，当其含量为2.5g/l时，分解率可降低10%。作者认为有机物吸附于晶种表面，阻碍了氢氧化铝晶种与液相之间的接触，因而阻碍其长大。关于有机物引起溶液产生泡沫的实验表明，腐植酸、富里酸及石炭酸导致溶液中产生泡沫，而其它三种则否。产生大量泡沫的原因作者也认为是气泡（空气）与溶液界面上表面张力大大降低之故。P. J. The的研究33表明，往人工配制的铝酸钠溶液中，按0.8%有机碳添加异糖精葡萄糖酯（Glucoisosaccharinate），与不添加这种有机物的分解实验相比，氧化铝产出率降低了17%（由69.4g降至57.1g），同时分解产物中20um的细粒子由22%增加到45%。如添加同等数量的上述有机物于铝土矿高压溶出的溶液中，种分氧化铝产出率降低18%，但对分解产物粒度的影响不如合成溶液那样显著。The对葡萄糖同质异构盐的有害影响进行了解释。Abdolmohecmmad Alamdari34用甘露糖醇(Mannitol)CH2-(CHOH)4-CH2OH作为一个典型的羟基有机物以研究拜耳法溶液中有机物对种分的遏制作用。合成的纯种分原液含Al2O3120g/l，分子比Na2O/Al2O3=1.5，用蒸馏水调整其浓度。在恒温（60）下分解。采用不含有机物的高纯氢氧化铝做晶种（60g/l），其平均粒度约40um，几何比表面约0.2m2/g，使用纯晶种是为了避免颗粒磨损。种分过程中产物的粒度分布采用库尔特分析仪（Coulter Multisizer Zone analyser）测定，用电镜研究其颗粒结构，对比纯溶液和添加不同数量甘露糖醇在种分过程中的晶种长大和成核速率，以确定其抑制种分过程的机理。Alamdari的研究结果表明，甘露糖醇能够大大地抑制氢氧化铝的析出，其添加量少到20mg/g晶种即足以使氢氧化铝晶种约90%的活性点“中毒”（poisoning）。甘露糖醇分子吸附于晶种的活性点上，阻碍了铝酸根离子向这些活性点扩散。种分的机理包括铝酸根离子的聚合形成晶核或铝酸根离子扩散至晶种表面，通过化学反应而结合到晶格中（grouth）。甘露糖醇的作用机理在于其同时降低成核和长大速率。 其量越多，影响越大。John F.Coyne等31研究了羟基有机物在氢氧化铝晶体上的吸附。作者研究了一系列脂肪族羟基化合物对氢氧化铝的吸附以及这些化合物对种分的影响。采用配制的纯铝酸钠溶液，所用羟基有机物均为分析纯试剂。重点研究了葡萄酸钠（Sodium gluconate）、 酒石酸钠和甘露糖醇（Mannitol）三种，同时也研究了其它一些羟基有机物。配制的种分原液成分为：TC=180g/l(以Na2CO3表示)TA=225g/l(以Na2CO3表示)A/TC比=0.6试验中也使用了美铝Kwinana氧化铝厂的工业溶液。种分温度74，接料器转速350rpm,晶种量100g/l。根据研究所获得的吸附等温线表明，吸附量最多的三种有机物为葡萄酸、甘露糖醇和酒石酸钠。有的有机物没有吸附。吸附量最多的有机物也是P、J、The发现的抑制种分的那些化合物，而且也是Grocott和Rosenberg认为提高种分产品中碱含量的那些化合物。因此，这些研究结果表明，羟基有机物的吸附是抑制种分过程的机理。但是众所周知，这些化合物仅在PH 不大于10时才能与含铝离子络合。因此，作者对其机理进行了进一步研究。Coyne等通过深入的试验研究和理论分析，得出如下结论：葡萄酸钠等羟基有机物吸附于氢氧化铝的量小，仅覆盖氢氧化铝总面积很小的一部分，但它能显著抑制氢氧化铝晶体成长，从而降低分解速度和产出率。如添加相当于吸附氢氧化铝有效面积3.5%的葡萄酸钠，即可使种分几乎完全停止进行。通过实验证明，有机物杂质是通过吸附于占晶种表面很小一部分的活性生长点而起作用的。用拜耳法厂溶液进行的分解试验表明，工厂溶液中的有机物杂质只有一小部分（约1%是真正影响氢氧化铝晶体长大的。尽管作用工厂溶液中含有大量有机物（TOC=30g/l），当添加少量葡萄酸钠（0.2g/l）时，种分产出率即明显降低。无论是合成溶液还是工厂溶液，其影响都同样存在。Coyne等的研究对于从理论上阐明拜耳法溶液中有机物是如何影响种分Al2O3产出率的具有较大意义。C. 对种分母液蒸发的影响. . 的研究35表明，有机物杂质可使蒸发母液中的Na2Oc浓度提高（有资料表明，工业溶液中的碳酸钠浓度一般比平衡浓度高出1.52.0%），亦即使溶液中Na2CO3过饱和，有机物含量越高，这一影响越明显。有机物提高溶液粘度，并使析出的一水碳酸钠粒度变细，造成沉降和过滤分离的困难。三、有机物的排除方法许多研究人员对氧化铝生产中有机物的排除进行了长期的、大量的研究，发表了很多研究报告和专利。从拜耳法生产流程中排除有机物的方法很多，这些方法可分为两类：一类是从溶液中将有机物排除，主要是通过母液煅烧、吸附、生成沉淀等方法除去；一类是部分或全部地将其破坏于溶液中，主要是通过各种氧化方法将有机物部分或全部氧化为Na2CO3。这些方法可单独使用，也可以联合使用。在众多的方法中，只有少数已用于工业上，有些方法因为投资大、作业费用高难以采用，还有些方法处于不同规模的试验阶段。每种方法都有其优缺点。没有一种方法能够普遍适用于所有拜耳法厂，选择适当的排除方法要根据各厂的具体情况。各种方法所处理的有机物种类也有不同，有的主要用于除去草酸钠，有的则主要针对高分子有机物。有机物排除可以结合拜耳法溶出过程中进行，也可以从赤泥洗液、氢氧化铝洗液、种分母液或蒸发母液中排除。 溶液（或料浆）煅烧法 此法已在日本、加拿大、美国与匈牙利等国的某些拜耳法厂采用。50年代初，加拿大Arvida氧化铝厂即采用了这一方法5。使用初期，种分母液蒸发后即直接送往“煅烧炉”，导致全部苛性碱碳酸化，而后，曾采用母液与细粒氢氧化铝混合煅烧，显然这一方法有其缺点，最后使用磨细的铝土矿作为苛化剂，煅烧产物主要由铝酸钠、铁酸钠组成，必须浸出。浸出可在赤泥洗涤系统中进行。日本某厂1979年开始用此法除有机物36，用氢氧化铝与种分母液混合（保持Al2O3/Na2O分子比略高于1），经蒸发、干燥后，在1000煅烧1小时，使溶液中有机物盐分解，并与氧化铝反应生成固体铝酸钠，而后进行溶出。文献3报道了对这一方法所作的改进，使设备生产能力大大提高。美铝（Alcoa）的Kwinana等氧化铝厂采用溶液煅烧温度为8161093。M.A.Hollanders等对草酸钠与铝土矿混合物煅烧过程进行了详细研究38。拜耳法厂排除的草酸钠常常弃置以致引起环境污染问题，同时也造成其中铝和钠的损失。为此，将其与铝土矿混合煅烧是避免上述缺点的一个途径。研究表明，煅烧温度不能低于850，以保证生成铝酸钠的反应速度。900时氧化铝回收率最高。草酸钠在900下煅烧分解率96%（生成铝酸钠）。煅烧温度在1100时，由于生成Al2O3而使氧化铝回收率降低。溶液煅烧法几乎可以完全破坏其中的有机物，同时也回收了有机钠盐中的钠几碳酸钠，也没有由于环境污染而需要处理的废渣，但是这一方法投资大，费用高5。因此所处理的液量受到限制，实际上其所处理的溶液仅约为工厂总液量的1%，因而工厂溶液中TOC的降低是缓慢的39。文献4还指出，该法的主要缺点除费用高外，还有操作困难，工作环境不好等问题，但这些现都已获得解决40。 结晶沉淀法 结晶沉淀法用于排除溶液中的草酸钠，有多种方案：如用石灰乳处理氢氧化铝洗液（或晶种洗液），使之生成草酸钙沉淀。采用高晶种比的拜耳法厂的氢氧化铝洗液中含有较多的有机物，其中大部分为草酸钠，可用蒸发浓缩的方法将其结晶析出。用石灰苛化赤泥洗液，也可生成不溶性草酸钙。种分母液经蒸发或不经蒸发而添加较大量的草酸钠晶种，均可使溶液中的草酸盐结晶析出，这一方法在国外某些拜耳法厂采用，如San Ciprian氧化铝厂采用蒸发结晶的方法，以控制溶液中杂质，主要是碳酸钠和草酸钠41，从1982-1983年的统计数据看，每月排除的草酸钠达数十吨。添加少量的吸附剂（活性碳或阳离子多价螯和剂）于草酸钠过饱和的种分母液中，破坏草酸钠的过饱和状态，草酸钠即自动析出，用钡盐42（如铝酸钡、氧化钡等）加于氢氧化铝洗液中，在4070处理半小时，可除去溶液中的6070%的草酸盐，此法也可除去SO42-、CO32-、PO42-及VO42-，效果好，但钡盐昂贵，BaOAl2O3回收工艺复杂，包括结晶液固分离及煅烧等工序。利用低沸点的有机溶剂，例如醇类，能有效的控制拜耳法溶液中的草酸钠12。在所实验的醇类中，甲醇对降低拜耳法溶液中的草酸钠含量（降低其溶解度）最有效，乙醇次之，丁醇作用最小。但甲醇能和溶液完全混合，因此需要一个蒸馏过程以回收甲醇，循环利用。J.A.Chartouni报道了加铝（Alcan）OURO Preto氧化铝厂草酸钠排除系统的改进情况43。改进的主要部分为使蒸发母液经过一个由预先获得的细粒草酸钠的床层以强化其接触，以利草酸钠结晶长大，使系统更为有效。F.S.Williams与A.J.Perrotta的研究44-46表明层状双氢氧化物（layered double hydroxides）和活性炭具有从拜耳法溶液中排除有机物的能力，并从而导致草酸钠从所处理的溶液中析出过程的强化。他们所开发的这一强化草酸钠排除的工艺已工业化，称为普罗克斯法（Purox process）。氢氧化物复合物为Mg2Al(OH)7nH2O (Hydrotalcite)、Mg2Al(OH)6(CO3)0.5nH2O（Hydrotalcite）、Ca2Al(OH)73H2O（Hydrocalumite）、Ca2Al(OH)6(CO3)0.5nH2O（Hydrocalumite）。这些复合物由相应的氧化物或氢氧化物在拜耳法溶液中反应生成。作者进一步的研究表明，当使用两种或两种以上的吸附剂时，由于其协同效应，草酸钠的沉淀析出可以得到进一步强化。因为在工厂的草酸钠沉淀系统中，循环的草酸钠晶种随着时间的推移，由于积累了其它共沉淀的有机物而失效。加入多种吸附剂时，它们对于不同类型的有机物稳定剂将有不同的吸附能力，从而从溶液种排除更多的这些草酸钠稳定剂，恢复草酸钠晶种的活性。具体作法是将加有草酸钠晶种的苛性碱浓度低的溶液用两种或两种以上的吸附剂处理，以排除阻碍草酸钠沉淀的那些有机物，然后将处理后的晶种浆液与种分母液混合，在一定温度下使后者中的草酸钠结晶析出。试验表明，从活性炭、ESP（氢氧化铝电收尘收集的炉灰）、氧化钙和氧化镁中选择两种吸附剂是最为有效的，而出乎意料的是，活性炭与ESP炉灰两种吸附剂组合使用效果最好，虽然ESP炉灰单独使用对草酸钠的排除效果很小。作者将上述强化草酸钠排除的工艺称为多功能普罗克斯法（Multi-functional Purox process）. 采用吸附剂和离子交换树脂处理 原则上可用活性炭、活性氧化铝、细粒氢氧化铝、不同镁化合物及离子交换树脂，对后两种方法的研究较多，其中用镁化合物排除有机物已经工业化。文献中报道了用多种镁化合物净化种分蒸发母液中有机物的方法。这种方法之所以引起重视在于其易行和吸附剂回收的可能性。德国47Ludwigshafen氧化铝厂将MgSO42H2O加入溶出过程中，在90以上水解产生的Mg(OH)2与溶液反应生成铝酸镁，新生成的铝酸镁对腐殖酸盐有很好的吸附能力。该厂从1974年使用该法后，生成明显改善，经济效益显著。据报道，溶液中SO42- 未见升高，产品中MgO含量亦为增加。德国另外一个厂使用此法也收到了良好的效果，在一定条件下可使用价格较低的煅烧白云石，其附加优点是不带入其它阴离子。在溶出一水硬铝石矿时，白云石中的CaO可代替石灰添加剂，因此费用相应降低。乌克兰的尼古拉也夫氧化铝厂蒸发母液中总有机物为18.824.2g/l，其中主要为高分子化合物（HMC）、羧酸（CA）及酚（H），而HMC对该厂溶液中有机物总量及溶液颜色均起着首要作用，如前所述，带颜色的有机物给拜耳法生产造成很多困难。溶出澳大利亚Darling Range铝土矿时，高分子有机物占进入溶液中全部有机物的一半以上。Yury A.Zaytsev等对用镁化合物（氧化镁、氢氧化镁及铝酸镁等）排除“尼”厂及澳大利亚拜耳法蒸发母液中的有机物进行了研究48、49。试验表明，镁化合物是种分母液中带颜色的有机物（COS）的有效吸附剂。吸附剂用量是决定COS吸附量的首要因素，而温度和时间对吸附效果的影响小。随吸附剂损失的氧化铝以使用氢氧化镁和铝酸镁为最小，起吸附效果也优于氧化镁，因而更适用于拜耳法。对“尼”厂蒸发母液而言，适宜的作业条件为：添加量（以MgO计）1530g/l，处理时间3060min，温度6080。从母液中吸附的COS可达5060g/l。只有当镁化合物能够再生循环使用或者有很可靠的用途时，采用镁化合物排除拜耳法中的有机物才有可能。利用途径之一是用于生产镁铝尖晶石，热法处理（将吸附有机物后的吸附剂经干燥煅烧）是应用最广的恢复其吸附性能的方法。再生后得到的铝酸镁对吸附COS是很有效的。根据作者提出的蒸发母液净化与吸附剂再生工艺，1m3蒸发母液的镁化合物（以MgO计）用量可以降至12Kg。前苏联对用离子交换树脂吸附有机物进行了较多的研究51，52。试验结果表明，用强碱性阳离子交换树脂AB17可除去种分母液中70的有机物，而从洗液中可除去100，此法已经进行了半工业化试验。但一些研究人员对上述方法持否定意见，因为阳离子聚合物昂贵，在通常的用量情况下，只能除去少部分有机物，采用大剂量（50g/L）效果才好，但不经济。因此，关键在于要有一个有效的阳离子聚合物的回收工艺，或者开发价格低廉的阳离子聚合物，否则离子交换树脂交换法是没有工业应用可能的。P.Atkins等曾试验了几种阳离子聚合物和再生方法，但证明都不经济。加铝（Alcan）Pierre G.Cousineau等报道在一小型试验厂用离子交换法将拜耳法厂排除去的草酸钠转化为草酸产品的试验结果53。这一方法是基于以下反应Na2C2O4 +2R H=H2C2O4 + R Na树脂的再生采用5-10%的稀H2SO4R Na + HX=R H + Na X在采用H2SO4 的情况下，X代表SO42，再生反应生成的Na2SO4作为副产品。试验厂总计运行了约1000小时，作者认为这一工艺是可行的，操作简单，维修工作量小，得到的草酸符合试剂级质量标准。 氧化法 氧化法是使工业溶液中的有机物部分地氧化为碳酸钠，另一部分氧化成低分子量有机钠盐，后者（草酸钠除外）对拜耳法生产的危害通常比其原来的高分子有机物要小得多。氧化剂可用软锰矿（MnO2）、空气、氧气及臭氧。西德联合铝业公司（VAW）研究出用氧气在管道溶出器内湿法氧化拜耳法溶液中的有机碳的方法已成功在Stade氧化铝厂应用多年。该厂在管道溶出器中270温度下溶出铝土矿，溶液中有机碳含量曾高达34g./L.使用的效果明显，有机碳含量下降，种分Al2O3产出率提高，氢氧化铝粒度改善，并成功地解决了生成易爆气体混合物而产生的安全问题。溶出时产生的废气中除含有氮气和甲烷外，主要还含有氢6J.Matyasi等认为湿式空气氧化（用O2或压缩空气）首先是破坏有机物中危害最大的腐殖酸，破坏程度随着反应温度和氧的分压的提高而增加。Matyasi等用匈牙利与德国多个拜耳法厂的浓溶液和种分母液在不同溶出条件以及不同规模下进行的湿法氧气净化有机物试验取得了满意的效果。B.J. Foster等（凯撒铝和化学公司）针对Gramercy铝厂（高温溶出一水铝土矿）进行的湿法氧化试验55以除去溶液中腐殖酸盐有机物证明是有效的。在通常的溶出时间内，大部分腐殖酸盐可被破坏。但是有机物的氧化反应除非氧化率很高，否则会产生中间化合物草酸钠，结果使氧化后的溶液中的草酸钠含量反而提高。大多数采用传统高压釜溶出铝土矿的溶出温度不高于240250，这就不利于将氧气直接通入溶出过程，因为这不仅会导致有机物氧化效果低下，而且溶液中的草酸钠含量可大大提高，更高的温度和搅拌强度以及采用催化剂是达到高氧化程度以及氧化后溶液中低草酸钠含量所必需的。N Brown56以结晶硫酸铜（CuSO4.5H2O）为催化剂，在管道溶出器内对两个拜耳法厂的溶液进行了有机物氧化反应动力学的研究，试验规模包括小型试验及试验厂试验。对催化剂作用，温度及氧气、搅拌等因素的影响以及催化剂的回收和循环利用等进行了研究，确定了 对两厂溶液有机物氧化率达，氧化后溶液中草酸钠含量不高于2g/L以及苯羧酸（一种最难用湿氧化而破坏的有机物）不积累所需要的作业条件。文献39了论述了有机物湿法氧化及采用铜盐催化剂的一些问题。MnO2是一种众所周知的氧化剂，并在一系列湿法冶金过程中被采用。对于用MnO2矿氧化拜耳法溶液中有机物的研究颇多。T Tran 等57研究了用Mn