一种循环连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法技术

一种循环连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，属于氧化铝生产技术领域。将铝酸钠溶液和稀NaOH分别引入离子交换膜隔开的阳极室和阴极室，铝酸钠溶液在阳极发生氧化的同时，NaOH溶液在阴极发生还原性电解将电解后的阳极室电解液进行种分析出氢氧化铝，固液分离后，可以返回再次电解；阴极室电解得到较高浓度的NaOH溶液可用于氧化铝的浸出工序。本发明专利技术的方法无需庞大种分槽，无需添加晶种，在节能的同时提高分解率，同时得到可用于氧化铝浸出的高浓度碱液。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于氧化铝生产
，尤其涉及一种氧循环连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝，属于有色金属工业和化学工业领域。专利技术背景铝及其铝合金在导电、导热、抗磁性等方面拥有很多优秀的特性，成为当前最广泛应用的有色金属，其电解原料——氧化铝的产量和消耗量也是逐年增长。据统计，2014年上半年，全球氧化铝产量为5346万吨，其中我国氧化铝产量为2490万吨，占全球总产量的46.58％。目前国内外氧化铝生产的方法主要有拜耳法(Bayer)、烧结法和联合法。拜耳法作为世界氧化铝生产的经典方法，广泛应用于从铝土矿中制备氧化铝。该方法的原理是利用铝酸钠溶液自身水解体系的平衡，也就是在高温高压条件下，实现NaOH-NaAlO2溶液从铝土矿中浸出氧化铝的溶出过程，然后在较低温度下，高浓度的NaAlO2溶液水解为NaOH和氢氧化铝产品。分解后得到NaOH-NaAlO2混合溶液返回溶解工序继续下一批矿物的浸出，沉淀得到得氢氧化铝经过焙烧得到氧化铝产品。虽然拜尔工艺成熟，具有过程简单、能耗低、产品质量高、成本低等优点，但是由于受水解相图限制，分解率仅有46-50％，导致循环液中仍有大量铝酸钠没有分解为氢氧化铝，并且该方法一般限于处理富铝的铝矿，即含硅量比较低的高品位铝土矿(A/S＞8)，不适合我国高硅铝土矿的处理。近年来，伴随着进口矿物和人力成本价格的增高，如何实现氧化铝生产的节能增效已经成为了氧化铝行业的重要研究方向。直接电解铝酸钠溶液制备氧化铝的研究一直曾广受人们关注。其中比较典型工作如中南大学陶涛等(铝酸钠溶液离子膜电解方法制备氢氧化铝，中南大学学报，2007，38(1)，102-106)采用离子膜电解种分铝酸钠溶液得到氢氧化铝。该工作采取钝化钛板为阳极、不锈钢为阴极直接电解铝酸钠溶液。阳极析氧过程产生的H+使铝酸钠溶液酸化，进而析出氢氧化铝。阴极析氢过程产生OH-提高NaOH溶液浓度。研究者们在论文中表明该方法在3V的电解槽压下，经过7小时电解，可以种分48.89％的氧化铝，而同等条件的拜尔法仅有1.58％。该工艺经过改进和两次种分后，可以达到71.7％的种分效率。该方法存在的主要问题如下：1，电解过程槽压高达3V，超过1.7V经济电解水平，导致电耗成本较高。2，电解过程中阳极析氧同时不断酸化，导致部分氢氧化铝直接絮凝在阳离子交换膜上，堵塞阳离子交换膜的离子通道，使得离子膜寿命提前终结，并加剧了电解过程离子扩散的阻力，进一步增加能耗。为了克服铝酸钠直接电解产生的氢氧化铝絮凝物堵塞离子交换膜的问题，北京化工大学钮因健等提出了“一种碱溶碳分生产氧化铝的工艺ZL200710178670.2”，主要原理是利用电解碳酸钠溶液阳极产生的NaHCO3溶液来酸化铝酸钠溶液，得到氢氧化铝和碳酸钠，该碳酸钠溶液经过分离氢氧化铝后可以继续返回电解。阴极产生的氢氧化钠溶液可以再次用于铝土矿的浸出过程，从而实现原料的循环利用。该方法存在的问题是：1，需要增加额外碳酸钠作为中间过渡介质，增加了物料循环量。2，由于铝酸钠溶液含有过量的NaOH，该工艺在利用NaHCO3来酸化NaAlO2过程中，需要额外的NaHCO3来中和这部分NaOH，导致能耗和物料循环压力增加。2，电解能耗较高，电解效果在100mA/cm2的电流密度下槽压在2.6V左右，导致系统能耗较高，每吨氧化铝的电解能耗高达1700度电，大大增加了生产成本。虽然离子膜直接电解铝酸钠或者间接电解碳酸钠工艺可以显著提高铝酸钠溶液的种分效率。如何从现有两种工艺出发，克服现有工艺的缺点，专利技术一种新的节能高效的铝酸钠电解工艺成为氧化铝行业亟待攻克的技术关键。
技术实现思路
本专利技术是针对拜耳法、离子膜电解铝酸钠溶液、碱溶碳分法等氧化铝工艺所存在的不足，提供一种既能显著提高氧化铝种分效率又可以实现碱液循环利用，且槽压较低、能源清洁的生产工艺，并最终得到质量高的氢氧化铝产品。一种连续循环连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在阳极室通入铝酸钠溶液并在阳极发生氧化反应，在阴极室通入氢氧化钠溶液并在阴极发生还原过程；(2)步骤(1)电解后的铝酸钠溶液经种分后析出氢氧化铝，分离氢氧化铝后的铝酸钠母液返回阳极室继续电解；如此循环；所得氢氧化铝经过煅烧得到氧化铝。上述优选，在每循环过程中，基于铝酸钠溶液中Na2O-Al2O3-H2O三相平衡的连续电解方式，通过控制电解深度(如改变电流密度、电流时间等条件)，在氢氧化铝刚好析出时停止电解反应，即为临界点时停止电解反应，然后进行种分。在电解过程铝酸钠溶液苛性比αk不断变小，在氢氧化铝刚好析出时对应的铝酸钠溶液状态的αk，即为临界点的K0。所述的铝酸钠溶液电解过程的临界值K0为铝酸钠中的[Na2O]:[Al2O3]的质量比，温度为T℃,铝酸钠溶液中[Na2O]质量浓度为Nk，苛性比αk＝1.5～3.0时，在达到临界点时临界值K0其特征如下：(1)当T1＜T≤T2，100＜Nk≤200g/L时，K0为(1.7-T1/200)-(1.95-T2/200)；(2)当T1＜T≤T2，200＜Nk≤300g/L时，K0为(1.65-T1/200)-(1.9-T2/200)；(3)当T1＜T≤T2，300＜Nk≤400g/L时，K0为(1.55-T1/200)-(1.8-T2/200)；T1、T2的范围是40℃～100℃。上述种分是将电解后的铝酸钠溶液降温并搅拌促进氢氧化铝的析出。优选电解过程采用恒温恒流的电解方式，电解装置采用的是循环装置。电解后阴极室氢氧化钠溶液可用于浸渍铝矿制备铝酸钠溶液，继续电解。优选在上述循环电解的过程中，阳极液还可以不断补充新的铝酸钠溶液，此新的铝酸钠溶液指的是未曾电解过的铝酸钠溶液。即铝酸钠溶液来源于上一循环电解后分离氢氧化铝得到的母液和浸渍铝土矿得到未电解过的铝酸钠溶液。所述的阳极氧化反应是指铝酸钠溶液在阳极发生析氧反应或者来自外部的氢气在阳极发生氧化反应；所述的阴极还原反应是指NaOH溶液中的水发生阴极析氢过程，或者来自外部的氧气发生氧还原反应。所述的阳极氧化反应和阴极还原反应，包括以下几种情况：(1)当铝酸钠溶液在阳极发生析氧过程的氧化反应，且NaOH溶液在阴极发生析氢反应时，电解过程分别在阳极和阴极获得氧气和氢气；(2)当铝酸钠溶液在阳极发生析氧过程的氧化反应，且NaOH溶液在阴极发生氧气的还原反应时，阳极产生的氧气可以导入到阴极消耗，电解过程为氧循环过程；(3)当铝酸钠溶液和外部的氢气发生氢气的氧化反应，且NaOH溶液在阴极发生析氢还原反应时，阴极产生的氢气导入到阳极消耗，电解过程为氢循环过程。一种连续循环连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，具体情况如下：(1)将氢氧化钠溶液a浸渍铝矿制备铝酸钠溶液，然后将铝酸钠溶液和氢氧化钠溶液b分别引入到氧循环装置的阳极室和阴极室，恒温恒流进行电解，电解到临界点时停止；在电解的过程中，铝酸钠溶液在阳极发生氧化反应消耗OH-，NaOH浓度降低，降低了Al2O3在阳极室铝酸钠溶液中的溶解度，使得αk不断变小；阴极液氢氧化钠溶液b在阴极发生还原反应生成OH-，氢氧化钠溶液b碱度不断升高；(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在阳极室通入铝酸钠溶液并在阳极发生氧化反应，在阴极室通入氢氧化钠溶液并在阴极发生还原过程；(2)步骤(1)电解后的铝酸钠溶液经种分后析出氢氧化铝，分离氢氧化铝后的铝酸钠母液返回阳极室继续循环电解；所得氢氧化铝经过煅烧得到氧化铝。

【技术特征摘要】
1.一种连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在阳极室通入铝酸钠溶液并在阳极发生氧化反应，在阴极室通入氢氧化钠溶液并在阴极发生还原过程；(2)步骤(1)电解后的铝酸钠溶液经种分后析出氢氧化铝，分离氢氧化铝后的铝酸钠母液返回阳极室继续循环电解；所得氢氧化铝经过煅烧得到氧化铝。2.按照权利要求1的一种连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，其特征在于，在每循环过程中，通过控制电解深度，使铝酸钠溶液接近或者达到氢氧化铝即将析出时停止电解反应，即为临界点K0时停止电解反应，然后进行铝酸钠溶液的种分。3.按照权利要求2的一种连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，其特征在于，所述的铝酸钠溶液电解过程的临界值K0为铝酸钠中的[Na2O]:[Al2O3]的质量比，温度为T℃,铝酸钠溶液中[Na2O]的质量浓度为Nk，苛性比αk＝1.50～3.0时，在达到临界点时临界值K0其特征如下：(1)当T1＜T≤T2，100＜Nk≤200g/L时，K0为(1.7-T1/200)-(1.95-T2/200)；(2)当T1＜T≤T2，200＜Nk≤300g/L时，K0为(1.65-T1/200)-(1.9-T2/200)；(3)当T1＜T≤T2，300＜Nk≤400g/L时，K0为(1.55-T1/200)-(1.8-T2/200)；T1、T2的范围是40℃～100℃。4.按照权利要求1的一种连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法，其特征在于，所述的铝酸钠种分过程是将电解后的铝酸钠溶液降温并搅拌促进氢氧化铝的析出。5.按照权利要求1的一种连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘军青，马婷，孙艳芝，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11