拜耳法是目前主要的氧化铝生产工艺。近年来,随着我国氧化铝产量的迅速增加,国内可用于氧化铝生产的铝土矿,尤其是高品位铝土矿已频临枯竭,铝土矿资源难以满足拜耳法工艺对原料品位的要求。同时,氧化铝工业排放了大量的高碱性赤泥,由于没有有效的大规模、低成本处理方法,赤泥只能就地堆存,占用大量的土地,带来严重的环境危害。拜耳法生产氧化铝工艺中,铝土矿中的含硅相在溶出过程形成不溶性的水合铝硅酸钠,导致赤泥中含碱。同时,当铝土矿品位下降、氧化硅含量高时,造成氧化铝和苛性碱损失增大,因而不适用于拜耳法生产工艺。基于此,本文提出了一种钙化—碳化法处理中低品位铝土矿及赤泥的全湿法新工艺。该工艺改变了拜耳法赤泥中钠、铝、硅的结合方式,使中低品位铝土矿能够用于氧化铝生产,同时,产生的低碱赤泥能够用于水泥等建材工业。本文主要针对该工艺的钙化转型、碳化分解两个核心反应过程进行详细研究,揭示其反应机理,为我国氧化铝生产和拜耳法赤泥处理技术的发展提供参考。(1)利用同系线性规律推算了钙化过程产物水化石榴石的标准吉布斯自由能,进而分析了铝土矿、赤泥在钙化转型和碳化分解过程中的热力学行为。结果表明,在323～573 K温度范围内,铝土矿的钙化反应倾向于生成硅饱和系数(x)大的水化石榴石,当x>0.5时,反应能够正向进行;当x>1.5时,温度升高对钙化反应有利。在298～473 K温度范围内,赤泥的钙化反应均可进行,升高温度不利于赤泥的钙化转型。在323～573 K碳化温度范围内,随着x增大,水化石榴石的稳定性逐渐增加,当x≥2.5时,碳化分解反应不能正向进行。随着碳化过程CO2压力增大,碳化反应的AG略微减小,从热力学角度出发,CO2压力对水化石榴石的碳化分解过程影响较小。(2)以纯物质合成的水合铝酸钙和水化石榴石为原料,对钙化转型和碳化分解过程的宏观反应动力学进行了研究。铝土矿的钙化反应是H2SiO42-络离子替代水合铝酸钙中由OH-组成的[OH]44-四面体的过程,可用有固体产物层生成的未反应核模型描述。结果表明,当温度低于140℃时,反应的主要限制环节为化学反应过程;温度高于140℃时,限制环节转变为化学反应和固体产物层扩散共同控制,且后者所占比例随温度的升高而增大。在不同温度下合成了 x分别为0.27、0.36、0.70和0.73的水化石榴石。水化石榴石碳化分解的宏观动力学过程可分为两个阶段,其分界点位于碳化时间20～30 min之间。第1阶段的表观速率明显高于第2阶段。两个阶段可分别用R3和D3动力学机理函数进行描述。四个水化石榴石碳化反应的第1和第2阶段的表观活化能分别在41.96～81.64 kJ/mol和14.80～34.84kJ/mol之间,第1阶段碳化反应速率受界面化学反应控制,第2阶段受界面化学反应和扩散过程的混合控制。(3)钙化—碳化法处理三水铝石矿的实验研究表明:在CaO加入量50%、温度180℃、母液初始Na2Ok为140 g/L、αk为3.1的钙化条件下,以及碳化温度100 ℃、CO2压力1.0MPa、反应液固比7:1、碳化时间120min的碳化条件下,经过两次碳化,氧化铝的溶出率可至81.2%,赤泥中的Na20含量低至0.57%。最终赤泥的主要物相为方解石和文石型碳酸钙、赤铁矿,含硅相为无定型形态,XRD未能发现其衍射峰。(4)钙化—碳化法处理三水铝石溶出拜耳法赤泥的研究结果表明:在钙化温度12C℃、钙硅比1.5、反应时间120 min、液固比4:1的钙化条件下,以及碳化温度80℃、CO2压力1.2MPa、液固比5:1、反应时间120min的碳化条件下,赤泥中氧化铝的回收率可至75.66%。处理后赤泥Na20含量均小于0.5 wt%,符合水泥工业对原料碱含量的要求。(5)利用实验室自主设计的新型叠管式搅拌溶出反应器、射流式碳化反应器,进行了 200 L规模的扩大实验。结果表明,铝硅比为4.24的三水铝石矿经过处理后,二次碳化渣的铝硅比为0.89,渣中Na2O含量为1.01%。拜耳法赤泥经过处理后,铝硅比和Na2O含量分别由1.47和10.27 wt%降低至0.76和0.35 wt%,氧化铝和氧化钠的回收率分别为48.3%和96.6%。