Переработка алюминиевых руд

Были предложены разнообразные способы переработки алюминиевых руд. Все они могут быть разделены на три группы: щелочные, кислотные и электротермические, - применение которых зависит от состава руды.

Электротермический способ производства глинозема предусматривает предва­ри­тель­ную плавку алюминиевых руд в электропечах с получением ферросилиция и алюмокальциевого шлака, который является основным сырьем для получения глинозема. Электротермический способ связан с большим расходом электроэнергии, поэтому в настоящее время практически не находит применения. Однако при наличии дешевой энергии интерес к нему может возобновиться.

Способ Байера (мокрый способ) был запатентован в 1889 г. химиком К. И. Байером, работавшим в России. Сущность способа заключается в автоклавном выщелачивании бокситов едким натром при высоких температурах (от 105 до 225°С) и давлении примерно 3 МПа с получением раствора алюмината натрия, содержащего растворимый силикат Na₂SiO₃.

Обескремнивание алюминатного раствора при этом способе происходит только путем связывания SiO₂ в алюмосиликат натрия. Из полученного раствора должен быть выделен гидроксид алюминия. Для разложения алюминатного раствора его требуется разбавить

Гидролиз алюмината натрия с выделением Al(OH)₃ в осадок ускоряется введением затравки (центров кристаллизации) в виде свежеосажденного Al(OH)₃ и интенсивным размешиванием смеси в декомпозерах (операция «выкручивания»). Выделенный гидроксид алюминия подвергают затем кальцинации

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O (15.а)

при температуре 1300°С во вращающихся цилиндрических печах. Оставшийся после осаждения гидроксида алюминия раствор содержит NaOH и Na₂CO₃. Сода, образующаяся при карбонизации NaOH диоксидом углерода воздуха, подвергается каустификации с целью регенерации щелочи:

Na₂CO₃ + CaO + H₂O → CaCO₃ + 2NaOH (15.б)

По способу Байера можно легко перерабатывать бокситы, содержащие оксиды железа и титана, так как последние практически нерастворимы в щелочных растворах и при разбавлении раствора количественно переходят в осадок.

Способом спекания перерабатывают бокситы со сравнительно высоким содержанием кремния, для связывания которого в реакционную смесь вводят известняк.

Сущность способа заключается в спекании бокситов с содой и известняком в трубчатых вращающихся печах. Полученный пек охлаждают и выщелачивают промывными водами. В раствор переходит алюминат натрия, в осадке остается кремнезем, оксид железа и титанат кальция. Небольшая часть кремнезема, образующая при спекании растворимый силикат натрия, который не отделяется после выщелачивания и осаждения силикатов, удаляется уже из раствора с помощью известкового молока при нагревании в автоклавах.

В автоклавах при высоких температуре и давлении образуется белый шлам из нерастворимого алюмосиликата кальция и малорастворимого алюмосиликата натрия. Глинозем извлекают из очищенного раствора алюмината натрия путем карбонизации диоксидом углерода. При карбонизации образуется осадок Al(OH)₃ и раствор соды, который после упаривания возвращают в цикл. При осуществлении способа спекания протекают следующие основные реакции:

спекание

Al₂O₃ + Na₂CO₃ → 2NaAlO₂+ CO₂

SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂ (15.в)

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ → 2NaFeO₂ + CO₂

2Na₂SiO₃ + 2Al₂O₃ → Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂ + 2NaAlO₂ (15.г)

Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂ + 2CaO → 2CaSiO₃ + 2NaAlO₂

выщелачивание и разбавление

NaFeO₂ + 2H₂O → NaOH + Fe(OH)₃ (15.д)

удаление остатков SiO₂

2Na₂SiO₃ + 2NaAlO₂ + Ca(OH)₂ + 4H₂O → CaO·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O¯ + 6NaOH (15.е)

карбонизация:

2NaAlO₂ + CO₂ + 3H₂O → 2Al(OH)₃ + Na₂CO₃ (15.ж)

кальцинация

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

Комбинирование двух способов позволяет не только перерабатывать боксит с высоким содержанием кремния, но и заменить едкий натр более дешевым карбонатом натрия. Комбинированный способ применяют также для одновременной переработки низко- и высококремнистого боксита, а также с целью исключения процесса каустификации соды, которую можно использовать при спекании.

Основной целью переработки нефелинов является отделение Al₂O₃ от кремнекислоты и щелочи. При переработке нефелинов получают обычно три продукта: глинозем, поташ (или соду) и известково-кремниевые шламы, используемые для производства портланд-цемента. Переработка нефелинов аналогична переработке боксита методом спекания. Предложены и гидрохимические способы переработки нефелинов.

Переработка алунитов осуществляется восстановительно-щелочным способом в печах кипящего слоя. Принципиальной особенностью этого способа является обезвоживание и восстановительный обжиг алунитов. При этом в раствор переходят алюминат натрия и сульфаты щелочных металлов: раствор выпаривают, и сульфаты щелочных металлов выпадают в осадок. Раствор алюмината натрия далее перерабатывают по способу Байера.

Получение криолита

Процесс получения синтетического криолита состоит из стадий термической обработки плавикового шпата серной кислотой в цилиндрических вращающихся печах при 350°С, улавливания печных газов водой, очистки растворов от кремнекислоты и выделения криолита.

Основные реакции процессов:

CaF₂ + H₂SO₄ → 2HF + CaSO₄ (15.з)

SiO₂ + 6HF →H₂SiF₆ + 2H₂O

HF и H₂SiF₆ – газообразные продукты, улавливаемые водой. Для обескремнивания полученного раствора в него вначале вводят расчетное количество соды:

H₂SiF₆ + Na₂CO₃ → Na₂SiF₆ + CO₂ + H₂O (15.и)

Труднорастворимый Na₂SiF₆ отделяют, а оставшийся раствор плавиковой кислоты нейтрализуют избытком соды и гидроксидом алюминия с получением криолита:

12HF + 3Na₂CO₃ + 2Al(OH)₃ → 2(3NaF·AlF₃) + 3CO₂ + 9H₂O (15.к)

Таким же путем могут быть раздельно получены NaF и AlF₃, если обескремненный раствор плавиковой кислоты нейтрализовать рассчитанным количеством Na₂CO₃ или Al(OH)₃.