铝酸钠溶液.docx

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铝酸钠溶液

铝酸钠溶液

一、铝酸钠溶液的性质

铝酸钠溶液是碱法生产氧化铝的重要中间产物，其分子式为：

NaAl（OH）4。

铝酸钠溶液的基本成分是Al2O3和Na2O。

1、铝酸钠溶液的主要成分

Na2O.Al2O3（铝酸钠）Na2O.SiO2（硅酸钠）

NaOH（氢氧化钠）Na2CO3（碳酸钠）

2、铝酸钠溶液的分析成分

Na2OK（苛性氧化钠）Na2CO3（碳酸钠）Al2O3（氧化铝）

SiO2（二氧化硅）Fe2O3（氧化铁）

3、铝酸钠溶液碱成分

铝酸钠溶液的组成是以溶液中Al2O3和Na2OK（苛性碱）的绝对浓度表示的。

（1）苛性碱（Na2OK或NK）

包括化合为铝酸钠的Na2O和以氢氧化钠形式存在的游离Na2OK浓度以g/1表示。

（2）碳酸碱（Na2Oc）和硫酸碱（Na2Os）

工业铝酸钠溶液中的碳酸钠Na2CO3（以Na2Oc或NC表示）

工业铝酸钠溶液中的硫酸钠Na2SO4（以Na2Os或Ns表示）等碱。

（3）全碱（Na2OT或NT）

铝酸钠溶液中的苛性碱与碳酸碱浓度之和称为全碱，即Na2Oc+Na2OK=Na2OT

4、工业铝酸钠溶液的组成

工业铝酸钠溶液中Al2O3浓度和Na2O度变化范围很大，Al2O3为60~250g/1，Na2OK为100~280g/1，Na2Oc约为10~30g/1。

5、铝酸钠溶液的αK

铝酸钠溶液中的Na2O与Al2O3的比值，可以用来表示铝酸钠溶液中氧化铝的饱和程度，是铝酸钠溶液的一个重要特性参数，也是氧化铝生产过程的一项重要的技术指标。

对于这个比值，有不同的习惯表示方法。

较为普遍的是采用铝酸钠溶液中的Na2O与Al2O3的摩尔数之比，写作Na2O/Al2O3摩尔比，或简称“摩尔比”，以符号“MR”（或αK）示。

式中的102和62分别为Al2O3和Na2O的分子量。

[例1]铝酸钠溶液的成分为Na2O135克/升、A12O3130克/升，则该溶液的Na2O：

A12O3分子比为：

[例2]已知某溶出粗液中：

Al2O3122.2g/l；SiO24.9g/l；Na2OK92.1g/l。

求该粗液的苛性化系数αK和硅量指数A/S？

解：

工业铝酸钠溶液的Na2O/Al2O3摩尔比变化范围也很大，大致为1.25~4.0。

不存在摩尔比MR≤1的铝酸钠溶液。

由于αK的不同，在同等浓度的铝酸钠溶液中，有不同的行为：

αK很高时，铝酸钠溶液在相当长的时间内也不会水解，性质相当稳定；αK很低时，铝酸钠溶液能自行分解出氢氧化铝，不稳定。

铝酸钠溶液的水解反应如下：

上式是可逆反应，反应的方向主要取决于αK，当αK较低时，反应向右进行；提高αK时，反应向左进行，结晶的Al（OH）3将全部溶解。

二、Na2O—A12O3—H2O系

研究铝酸钠溶液，首先要了解氧化铝在氢氧化钠溶液中的溶解度与碱液浓度和温度的关系及其平衡固相。

不同温度条件下的Na2O—A12O3—H2O系平衡状态图己有多人研究过。

据某些测定结果绘出的Na2O—A12O3—H2O的溶解度等温线如图1—l所示。

由图可知：

（1）不同温度下的溶解度等温线都包括两个线段：

左支线随Na2O浓度增加，A12O3溶解度增大；

右支线随Na2O浓度增加，A12O3溶解度下降，

这两线段的交点，即是在该温度下的A12O3在Na2O溶液中的最大溶解度。

说明：

在不同的温度下，氧化铝的溶解度都是随着溶液中苛性碱浓度的增加而增大，但当苛性碱浓度超过某一限度后，氧化铝的溶解度又随苛性碱浓度的增加而降低。

这与溶液的平衡固相成分改变有关。

（2）随温度升高，溶解度等温线的曲率逐渐减小，即越来越直，它的两个线段所构成的夹角也逐渐增大，这样就使溶液的未饱和区越来越大。

溶解度的最大点随温度升高而向较高的Na2O浓度和Al2O3浓度方向推移。

（3）曲线左侧各等温线上的平衡固相，在100℃以下为三水铝石，在较高温度时理论上的平衡固相是一水硬铝石（因一水软铝石为介稳相）；

曲线右侧各等温线上的平衡固相，在130℃以下为水合铝酸钠Na2O·A12O3·2.5H2O，130℃以上为无水铝酸钠NaAlO2。

利用Na2O—A12O3—H2O系状态图等温线的特点，可以解释铝酸钠溶液稳定性的某些规律：

1、在其它条件相同时，溶液分子比αK越低，其过饱和程度越大；

2、在常压下溶液温度越低，等温线的曲率越大，所以当溶液分子比αK一定时，中等浓度（50~160g/lNa2O）的铝酸钠溶液的过饱和度大于更稀和更浓的溶液。

拜耳法生产氧化铝即根据Na2O—A12O3—H2O系溶解度等温线（左侧曲线）的上述特点，利用浓苛性碱溶液和在较高温度下，溶出铝土矿中的氧化铝，然后再经冷却和稀释使溶液成过饱和而析出氢氧化铝。

三、铝酸钠溶液的稳定性及影响稳定性的因素

1、铝酸钠溶液的稳定性

铝酸钠溶液的稳定性指的是从过饱和的铝酸钠溶液开始分解析出氢氧化铝所需时间的长短。

研究铝酸钠溶液的稳定性，对生产过程有重要意义。

在氧化铝生产中的铝酸钠溶液，绝大部分处于过饱和状态，因此，如果生产过程控制不好，则溶液将自发结晶析出氢氧化铝而造成氧化铝的损失。

例如，拜耳法溶出后的铝酸钠溶液在其与赤泥分离洗涤的过程中，必须保持有足够的稳定性以避免溶液的自发分解所造成的Al2O3损失，并减轻氢氧化铝在槽壁和管道上的结疤。

在铝酸钠溶液晶种分解工序则需要破坏铝酸钠溶液的稳定性，以加速和加深溶液的分解，提高单位体积铝酸钠溶液中Al2O3的产出率，增进经济效益。

因此生产具有适当稳定性的铝酸钠溶液对碱法生产氧化铝具有十分重要的意义。

2、影响铝酸钠溶液稳定性的因素

影响铝酸钠溶液稳定性的主要因素如下：

铝酸钠溶液的苛性比值αK、铝酸钠溶液的浓度以及溶液中所含的杂质等。

（1）铝酸钠溶液的分子比αK

在其他条件相同时，溶液的分子比αK越低，其过饱和度越大，溶液的稳定性越低。

对于同一A12O3浓度：

当分子比为αK=1时溶液处于未饱和状态，尚能溶解A12O3；

当分子比αK=2时，溶液处于平衡状态；

当分子比为αK=3时，溶液处于过饱和状态，将析出Al（OH）3晶体。

（2）铝酸钠溶液的浓度

当溶液分子比αK一定时，中等浓度（Na2O50~60g/L）铝酸钠溶液的过饱和度大于更稀或更浓的溶液，即中等浓度的铝酸钠溶液稳定性最小。

（3）温度

当铝酸钠溶液的αK不变时，溶液的稳定性随温度的降低而降低。

但当溶液的温度低于30℃后继续降低，由于溶液粘度增大，稳定性反而增大。

（4）溶液中所含的杂质

铝酸钠溶液所含有的某些固体杂质，如氢氧化铁和钛酸钠等，使溶液稳定性降低；工业铝酸钠溶液中的多数杂质,如SiO2、Na2CO3、Na2SO4、Na2S以及有机物等都不同程度地使溶液稳定性增高。

这与上述杂质都会增大溶液的粘度有关。

（5）晶种

在研究合成的纯铝酸钠溶液的稳定性时发现，用超速离心机将溶液中大于0.02μm的微粒分离以后，即使溶液的过饱和程度很大，也可长期保存而不发生水解。

在铝酸钠溶液中往往带入某些固体杂质，如果溶解的三水铝石以及氢氧化铁等，极微细的氢氧化铁离子经胶凝作用也可长大，结晶成纤铁矿结构，它与一水软铝石的结构相似，因而起着氢氧化铝结晶核心的作用，使溶液的稳定性下降。

添加晶种会降低铝酸钠溶液的稳定性。

所以，铝酸钠溶液的稳定性决定于它的过饱和度的大小，同时又受溶液中所含杂质的影响。

补充知识氧化铝及水合物的性质

一、氧化铝（氧化铝又称无水氧化铝）

1、氧化铝的物理化学性质

分子式为Al2O3，分子量为102，为两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中，由于Al2O3的结晶形式不同，其在无机酸和碱性溶液中的溶解度也不同。

2、氧化铝的同素异晶体

存在于自然界中的氧化铝称为刚玉（α—Al2O3），它在岩石中呈五色结晶，也可与其它氧化物杂质（氧化铬或氧化铁）染成带色的结晶体，红色的结晶体为红宝石，蓝色的结晶体为蓝宝石。

工业氧化铝是各种氧化铝水合物热分解的脱水产物，它们形成一系列的同素异晶体，有些呈分散相，有些呈过渡态，但当温度超过1200℃时，它们都转变为同一种稳定的最终产物，真正的无水氧化铝，即α—Al2O3。

所以氧化铝的同素异晶体又可以看作是α—Al2O3的中间过渡态，按照它们的生成温度可分为两大类：

（1）低温氧化铝

其化学组成为Al2O3.nH2O，式中0

（2）高温氧化铝

是在800℃~1200℃的温度条件下形成的，几乎是无水产物，这些形态成为δ系列，包括α—Al2O3，κ—Al2O3，θ—Al2O3和δ—Al2O3，结晶情况较好。

a、活性氧化铝

在催化领域中常用的是γ—Al2O3和η—Al2O3。

通常所说的活性氧化铝，一种是指活性γ—Al2O3；第一节烧结法的原理

随着矿石铝硅比的降低，拜耳法生产氧化铝的经济效果明显恶化。

对于铝硅比低于7的矿石，单纯的拜耳法就不适用了。

处理铝硅比在4以下的矿石，碱石灰烧结法几乎是唯一得到实际应用的方法。

在处理SiO2含量更高的其它炼铝原料时，如霞石、绢云母以及正长石时，它也得到应用，可以同时制取氧化铝、钾肥和水泥等产品，实现了原料的综合利用。

据报导，国外以霞石为原料的烧结法企业，由于原料综合利用，实现了无废料生产，氧化铝的生产成本反而最低。

在我国已经查明的铝矿资源中，高硅铝土矿占有很大的数量，因而烧结法对于我国氧化铝工业具有很重要的意义。

我国第一座氧化铝厂——山东铝厂就是采用碱石灰烧结法生产的。

它在改进和发展碱石灰烧结法方面作出了许多贡献，其Al2O3的总回收率，碱耗等指标都居于世界先进水平。

法国人勒·萨特里在1858年提出了碳酸钠烧结法，即用碳酸钠和铝土矿烧结，得到含固体铝酸钠Na2O·Al2O3的烧结产物。

这种产物称为熟料或烧结块，将其用稀碱溶液溶出便可以得到铝酸钠溶液。

往溶液中通入CO2气体，即可析出氢氧化铝。

残留在溶液中的主要是碳酸钠，可以再循环使用。

这种方法，原料中的SiO2仍然是以铝硅酸钠的形式转入泥渣，而成品氧化铝质量差，流程复杂，耗热量大，所以拜耳法问世后，此法就被淘汰了。

用碳酸钠和石灰石按一定比例与铝土矿烧结，可以在很大程度上减轻SiO2的危害，使Al2O3和Na2O的损失大大减少。

这样就形成了碱石灰烧结法。

在处理高硅铝土矿时，它比拜耳法比越。

除了这两种烧结法外，还有单纯用石灰与矿石烧结的石灰烧结法，它比较适用干处理粘土类原料，特别是含有一定可燃成分的煤矸石、页岩等。

这时原料中的Al2O3，烧结成铝酸钙，经碳酸钠溶液溶出后，可得到铝酸钠溶液。

目前用在工业上的只有碱石灰烧结法。

它所处理的原料有铝土矿、霞石和拜耳法赤泥。

这些炉料分别称为铝土矿炉料。

霞石炉料和赤泥炉料，它们各有特点，例如，铝土矿炉料的铝硅比一般在Na2O·Fe2O3左右，而霞石炉料只有0.7左右；赤泥炉料为l.4左右，而且常常含有大量的氧化铁。

在碱石灰烧结法中，一般是使炉料中的氧化物通过烧结转变为铝酸钠Na2O·Al2O3，铁酸钠Na2O·Fe2O3、原硅酸钙2CaO·SiO2和钛酸钙CaO·TiO2。

因为铝酸钠很易溶于水或稀碱溶液，铁酸钠则易水解为NaOH和Fe2O3·H2O沉淀：

在溶出条件控制适当时，原硅酸钙和钛酸钙不致与溶液反应而全部转入沉淀。

所以，由这四种化合物组成的熟料，在用稀碱溶液溶出时，就可以溶出Al2O3和Na2O，而将其余杂质分离出去。

得到的铝酸钠溶液经过净化精制，通入CO2气体，降低其稳定性，便析出氢氧化铝，这个过程叫做碳酸化分解。

碳酸化分解后的溶液称为碳分母液，主要成