铝酸钠溶液的过饱和特性，有利于铝土矿的溶出， 不利于氢氧化铝的析出。
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影响铝酸钠溶液稳定性的因素
① 溶液的苛性比值：提高溶液苛性比值使溶液的过饱和程 度减小其稳定性增加； ② 温度：提高温度稳定性增加； ③ 溶液浓度：铝酸钠溶液的浓度(Al2O3)与其稳定性的关系 比较复杂，一般在高浓度和低浓度时稳定性好，中等浓 度稳定性差； ④ 溶液中的杂质：如Na2CO3、Na2SO4、Na2SiO3以及有机 物等杂质使溶液粘度增大而稳定性提高； ⑤ 晶种：加入结晶核心如Al(OH)3微粒则使稳定性降低； ⑥ 搅拌作用：搅拌会使稳定性下降。
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酸法生产氧化铝（小规模应用）
用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸处理含铝原料而得到 相应铝盐的酸性水溶液，然后使这些铝盐或水合物 晶体(通过蒸发结晶)或碱式铝盐(水解结晶)从溶液中 析出，也可用碱中和这些盐溶液，使铝成氢氧化铝 析出，焙烧氢氧化铝、各种铝盐的水合物或碱式铝 盐，便得到氧化铝。
二氧化钛：含量2%左右
不与碱作用形成钛酸钠而消耗碱；生成的钛酸钠成膜 状覆盖在矿石表面，阻碍溶出反应进行。并且在换热 表面生成钛结疤，极难清洗。
氧化钙：
与TiO2生成更为稳定的钛酸钙，减少碱的损失； 促进针铁矿(FeOOH)转变为赤铁矿(Fe2O3)； 生成比钠硅渣更易脱离的水化石榴石，从而破坏矿石 表面的致密结构，促进了铝的溶出。
2.铝冶金的主要矿物原料
炼铝最主要的矿石资源为铝土矿。铝土矿主要含铝矿物为三水 铝石，一水硬铝石，一水软铝石。 其他矿石主要有霞石、红柱石、蓝晶石、明矾石 、高岭石。
三水铝石
低铝，低硅，高铁
一水软铝石
一水硬铝石
高铝，高硅，低铁
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各种铝土矿的晶体结构
一水软铝石
使得单纯的拜耳法不能处理高硅铝土矿！
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溶出设备——压煮器与管道化
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溶出设备——压煮器与管道化
原理：高压溶出器的厚度与 其直径及工作压强成正比
能耐受更高压强； 强烈的紊流搅拌； 结疤易堵塞管道。
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要掌握其核心，必先了解铝酸钠溶液的性质
Na2O-Al2O3-H2O系相图
40 35 30 25
至Al2O3· 3H2O点 至Al2O3· H2O点 分子比1.65
分析相图，可知：
温度一定时，碱浓度增 大，氧化铝溶解度也增 大； 碱浓度一定时，温度升 高，氧化铝溶解度增大。
Al2O3 , %
20 15 10 5 0 C
一水硬铝石
三水铝石
溶出难度 逐渐增加
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铝土矿的化学成分
铝土矿的化学成分主要为Al2O3； 主要杂质为：SiO2、Fe2O3、TiO2等，以及大量结晶水。 微量杂质为：钙和镁的碳酸盐、钾、钠、钒、铬、锌、 磷、镓、钪、硫等元素的化合物及有机物等。
酸法生产氧化铝，除铁将是重要任务； 碱法生产氧化铝过程中，最核心的任务是铝硅分离。
铝土矿（Al2O3）
Al(OH)3
高温 高碱
NaOH
低温 低碱
铝酸钠溶液（Na2O-Al2O3-H2O）
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拜耳法溶出铝土矿杂质的行为 一个合理的冶金工艺，必须要妥善安排杂质的出口 氧化铁：含量7%~25%
不与碱作用，入渣，使渣呈红色，渣因此称为赤泥。
危害：
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硅酸盐：铝土矿中最有害杂质
含硅矿物主要为高岭石、伊利石、叶腊石等，与苛性 碱反应，以硅酸钠的形式进入溶液：。： SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 在溶液中，硅酸钠进而与铝酸钠相互作用，生成铝硅 酸钠（钠硅渣）： 2NaAlO2+2Na2SiO3+4H2O = Na2O· Al2O3· 2SiO2· 2H2O +4NaOH
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氧化镓：含量0.0001%~0.001%
化学性质与铝相似，溶出后在溶液中累积； 90%以上的镓是氧化铝生产过程中提取的。
氧化钒：含量0.05%~0.15%
约1/3以钒酸钠形式溶出，种分时与Al(OH)3同析出；
易在阴极还原析出进入原铝，影响产品质量； 热水洗涤Al(OH)3除钒。
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钠硅渣的危害：
引起A12O3和Na2O的损失； 钠硅渣进入氢氧化铝后，降低成品质量； 钠硅渣在生产设备和管道的换热表面结疤，使传热 系数严重降低，增加能耗和清理工作量； 大量钠硅渣的生成增大赤泥量，并且可能成为极分 散的细悬浮体，极不利于赤泥的分离和洗涤。
4.铝冶金方法概述
冰晶石熔体电解氧化铝成功后，一直是生产金 属铝的唯一方法。由此，铝冶金分为铝矿石生 产氧化铝和氧化铝电解生产铝两个主要过程。 据原料不同，氧化铝可选择不同生产方法，这 些方法包括：碱法、酸法、酸碱联合法、热法。 碱法是当前氧化铝生产的主流工艺； 酸法存在设备腐蚀、酸难回收等问题，虽被研 究过试验过，但未获大规模应用；而当处理粉 煤灰等非传统铝资源，这些方法再度浮沉。
B
分子比3.40
A D
相图之外的性质：
过饱和铝酸钠溶液具有 一定的稳定性。
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Na2O , %
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铝酸钠溶液的稳定性对氧化铝生产过程具有重要意义
作为氧化铝生产过程中的中间产物，铝酸钠溶液从 制成到分解析出氢氧化铝要经过赤泥沉降、脱硅、 净化等多道工序，在此期间要尽量保持铝酸钠溶液 的稳定性，尽量避免析出氢氧化铝； 分解工序时，则要降低铝酸钠溶液的稳定性，使铝 酸钠溶液较快地析出氢氧化铝。
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拜耳法生产氧化铝 的基本流程
溶出
稀释
晶种分解
蒸发
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拜耳循环的巧妙之处——变换浓度和温度，铝酸钠溶 液吐新纳故，氢氧化钠闭路循环！
高温高碱条件下，将铝土矿中的氧化铝溶出； 低温低碱条件下，溶出的铝以氢氧化铝的形式析出。
热法生产氧化铝
在电炉中熔炼铝矿石和碳的混合物，使矿石中的氧化 铁、氧化硅、氧化钛等杂质还原，形成硅铁合金。而 氧化铝则呈熔融状态的炉渣而上浮，由于密度不同而 分离，所得氧化铝渣再用碱法处理从中提取氧化铝。
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本章重点讲授：
氧 化 铝 熔 盐 电 解 生 产 铝
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1.铝的性质和用途
银白色，常用金属中密度较小，导电、导热、延展性和反 光性能较好的金属； 化学活性强，与氧、硫、碳、卤素及多种酸碱有较大反应 趋势（热力学），但由于表面存在有致密氧化膜，又具有 良好的抗腐蚀能力（动力学）； 常温下稳定的氧化态为 +3 ，具有两性金属的特性，氧化铝 既溶于酸，又溶于强碱； 铝元素能损害人的脑细胞。根据世界卫生组织的评估，规 定铝的每日摄入量为0～0.6mg/kg。
拜耳法生产氧化铝
Vs
碱石灰烧结法生产氧化铝
Vs
选矿-拜耳法生产氧化铝
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5.拜耳法生产氧化铝
拜耳法由四个主要工序构成了一个封闭的拜耳法循环
铝土矿的 高温溶出
分解母液的 蒸发与苛化
铝酸钠溶液的 性质
矿浆的 稀释和过滤
铝酸钠溶液 的晶种分解
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碳酸盐：
高碱浓度下，发生反苛化作用，造成苛性钠浓度降低： CaCO3+2NaOH ＝ Ca(OH)2+Na2CO3
蒸发母液析出 Na2CO3· H2O ，继而用过量石灰苛化， 在95℃以上，发生苛化反应，重新得到NaOH溶液：
Ca(OH)2+Na2CO3 ＝ CaCO3+2NaOH
铝酸钠溶液的晶种分解（简称种分）
晶种分解是向铝酸钠溶液中加入晶种，充分搅拌，控 制分解条件，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝。 目的：获得质量良好的氢氧化铝产品（纯度和形貌要 求），同时得到苛性比值较高的种分母液。
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氢氧化铝结晶形成的机理
（1）氢氧化铝晶体的长大 整个种分作业中，均存在着晶种的直接长大过程。晶 种长大是氧化铝直接从溶液中析出的唯一途径，因而也是 直接影响产出率的唯一过程。 （2）次生晶核的形成 晶种分解时，在一定条件下会产生大量新的晶核。这 种产生于晶种表面而后脱落进入溶液的很细小的晶核称为 “次生晶核”，这种现象称为“次生成核”或“繁殖成 核”。
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我国铝产量不断增加，占全球总产量的比值逐年上升
19.8%
2003至2013年我国和世界铝生产量
44.1%
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我国铝消费量是世界上最多、增速最快的国家
2006至2013 年中国和美国以及世界铝总消费量比较图
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优点：适合处理高硅低铁铝矿
缺点：需要昂贵的耐酸设备，酸的回收比较复杂， 从铝盐溶液中除铁也较困难等。
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