从铝土矿残留物中获得有价值物质的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于从铝土矿残留物中获得有价值物质的方法，该残留物可以通过拜耳-方法获得。本发明进一步地涉及方法实施的装置和获得的有价值物质的应用。
【背景技术】
[0002]在铝酸盐-生产(铝-熔化装置的准备阶段)中借助于拜耳-方法铝以铝酸钠的形式借助于氢氧化钠溶液从精研磨的铝土矿中提炼出来。从铝土矿残留物中分离的铝酸钠溶液在放入晶核后产生纯氢氧化铝(水铝矿)，接着煅烧成氧化铝，最后通过电解获得金属铝。剩余的铝土矿残留物，也可以被成为“铝土矿残留物”(BR)，从化学角度看主要由氧化铁或氢氧化铁，二氧化钛，氧化铝残留物，硅酸盐，氧化钙，氧化钠和残留的氢氧化钠溶液构成。因为通过(三价)氧化铁引起的红色，这种铝土矿残留物也被成为赤泥(“红泥”)。
[0003]每生产一吨铝，会根据所应用的铝土矿的质量产生不能避免的I至3吨铝土矿残留物的副产品。因此每年产生多达数百万吨的铝土矿残留物，这和已经存在的数量一起意味着严重的环境-和处理问题。主要问题在于由于氢氧化钠溶液成分，使铝土矿残留物产生pH值在13至14的碱性。除此之外，有毒的铝离子和含铁的化合物一起对地下水产生很大的危害，额外增加了符合环保要求的填埋的难度。
[0004]铝土矿残留物的处理因此主要通过储藏进行密封的填埋。在填埋的地面产生的氢氧化钠溶液在某些填埋中被收集起来，返回到拜耳-工艺中。通常氢氧化钠溶液很容易被回收，作为污水被处理，或最坏的情况下甚至不受控的被排掉。这种储藏形式非常昂贵而且成本很高，因为需要很大的填埋面积和填埋装置，以及铝土矿残留物的运输产生的高费用。此外通过填埋产生的长期费用很难计算，意味着额外的经济问题，因为至少在欧洲必须对以后的处理形成延缓。目前现存的铝土矿残留物的填埋量是25亿吨。每年还将产生大约
0.8-1.2亿吨铝土矿残留物。
[0005]填埋的费用可以减少，当直到现在作为废品的铝土矿残留物转化成可利用的回收物，或用来获得有价值物质。人们对特别是含铁部分的分离非常感兴趣。每种方法的目标应该是，获得的回收物不需要昂贵的再加工被进一步利用或销售。
[0006]从拜耳方法进行大规模技术使用的开始阶段，从来没有缺少试验，该实验把有价值的成分像铁，钛，钒或稀土从铝土矿残留物中提取出来，投入到新的应用中。像以前一样，铝土矿残留物主要以泥状物填埋在池塘中，或部分排入到板框式压滤机中，以矿石(堆)的形式堆积起来，这也被成为“尾矿干堆”。
[0007]在简单的湿化学过程中用于分离高价值的铁矿的方法到目前为止还不被人们所知。然而氧化铁和氢氧化铁在铝土矿残留物中以多于50%的矿物构成，湿化学方法的提取含铁化合物人们非常感兴趣。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于，获得一种方法，该方法使铝土矿残留物中的至少一部分含铁的成分通过湿化学分离出有价值物质成为可能。本发明的进一步的目的是获得实施这种方法的装置。
[0009]为了达到根据本发明目的，通过根据权利要求1的从铝土矿残留物中获得有价值物质的方法以及通过根据权利要求18的实施这种方法的装置。适合本发明进一步构成的有利结构在从属权利要求中给出，可以看出，其中方法的有利结构作为装置的有利结构。
[0010]本发明的第一方面涉及从由拜耳方法产生的铝土矿残留物中获得有价值物质的方法。根据本发明，通过湿化学使铝土矿残留物的部分含铁的成分的分离成为可能，该方法至少包括下列步骤，a)准备铝土矿残留物的水性悬浮物，b)调节悬浮物的pH值在7.2和12.2之间，c)至少部分悬浮的铝土矿残留物的聚集物被分散和d)将所得混合物分离成富含铁的馏分和至少另外，优选的富含硅酸盐的馏份。作为替代的可以看出，该方法接下来由这些步骤构成。销土矿残留物(赤泥)中很高的含量由大约20nm至10nm直径大小的非常小的微粒构成，显示了胶体的特性。胶体是复杂的系统，其中像铝土矿残留物的情况，不同的聚集的微粒在液体，即氢氧化钠水溶液中悬浮/分散。微粒之间作用有静电和空间结合力，在正常情况下能避免单个矿物质微粒或矿物馏分很容易的相互分离，除此之外还会影响微粒的化学活动性。此外铝土矿残留物还包含很高百分比范围的沸石，该沸石能够以离子交换的方式起作用，例如能够避免拜耳分解中产生的残留氢氧化钠溶液的很容易的被冲洗。独特的情况下铝土矿残留物的悬浮物类似非牛顿流体的性质，显示了触变性的特性。不同的矿物质粒子，例如硅酸盐成分和铁矿物质的聚集物通过重力或借助于磁场避免了众所周知的很容易的分离，因为纳米级的含铁的微粒通过机械的，离子的和静电力紧紧地与其他矿物质成分连接在一起。很容易的分离的前提是理想状况下的球型微粒，能够实现相应的排斥力。然而铝土矿残留物中的微粒没有球型微粒，因为硅酸盐通常由片状构成，其他矿物质成分的构成杂乱无章，没有规则的几何尺寸。因此改变表面的化学材料很难进入。此外静电力可以根据微粒的几何尺寸和组成形成不同的强度。粘土微粒在所用情况下带有负电荷。
[0011 ] 这种悬浮物中矿物质组分的分离因此首先需要消除聚集的矿物质成分之间的结合力，也被称为分散。此外必须保证的是，被分散的某些矿物质的胶体微粒不会再以不期望的情况与其他类型的微粒再次聚集，那样的话最后将重新回到初始状态。另一方面，相同或类似化学成分的矿物质微粒混杂在一起，便于形成大的，非胶体的聚集物，然后以简单的方式将丰富的含有有价值物质的馏分分离出来。
[0012]根据本发明的方法基于这样的认识，技术上简单可行的，具有可扩展性的和湿化学的分离至少要考虑铝土矿残留物中的部分含铁的矿物质相具有这种铝土矿残留物的胶体特性。微粒的表面电荷合乎自然地可以是正电荷或负电荷。微粒的相互作用力取决于悬浮物的离子强度。本发明利用了这种有利的情况，铝土矿残留物悬浮物的矿物质微粒的表面电荷能够与PH值相关的进行改变。每种矿物质种类具有在某一 pH值的平衡的表面电荷，也就是说正电荷和负电荷相平衡，微粒总的来说是电中性。相应的pH值可以表示为等电点或等电点(PZC)。为了使铝土矿残留物中的含铁化合物尽可能定性的与残留的矿物质成分相分离，因此必须使其具有的表面电荷首先被中和，或者相互相反的被交换。因此，根据本发明的方法的步骤b)需要首先调节铝土矿残留物悬浮物的pH值在7.2至11.4之间。7.2至12.2之间的pH值在本发明的框架内可以理解为7.2，7.3，7.4，7.5，7.6，7.7，7.8，7.9，8.0，8.1，8.2，8.3，8.4，8.5，8.6，8.7，8.8，8.9，9.0，9.1，9.2，9.3，9.4，9.5，9.6，9.7，9.8，
9.9，10.0，10.1，10.2，10.3，10.4，10.5，10.6，10.7，10.8，10.9，11.0，11.1，11.2，11.3，11.4,11.5,11.6,11.7,11.8,11.9,12.0,12.1 和 12.2，以及相应的中间值，例如 9.40，9.41,9.42,9.43,9.44,9.45,9.46,9.47,9.48,9.49,9.50 等。因此提供的铝土矿残留物悬浮物的含铁的微粒的表面电荷这样被调节，使矿物质聚合物完全有可能被分散。当PH值高于12.2或低于7.2时，微粒不再被分散，而是在悬浮物或胶状物中形成更大的聚集物。当PH值调节为“等电点”区域的值时，即表面电荷的改变之后，特别是在富含铁的矿物质成分中，在接下来的步骤c)中，相应的至少部分悬浮的铝土矿残留物的矿物质聚集物被分散，和所得混合物最后在步骤d)中被分离成富含铁的馏分和至少另外馏份。另外馏分优选地是富含硅酸盐的馏分。分散的步骤不限于确定的方法。有利的实施是通过使用转速特别快的搅拌器，也被成为搅拌机，超声波发生器或其他合适的气穴发生措施。在所有情况下分散以在悬浮物中产生气穴为基础，微粒的分离通过微粒的击打所作用的机械力。本发明进一步地以有利的情况利用了富含铁的矿物质成分相对于其他的矿物质成分的大的密度差别。氧化铁和氢氧化铁具有大于5g/cm3的密度，而硅酸盐和钛的化合物的密度只有2.6g/cm3甚至更少。这样导致了，分散的含铁的微粒至少主要的与不含铁的微粒分离开来，与其他含铁的微粒重新形成聚集物。因此产生的富含铁的馏分沉降到底部，通过重力从至少另外相应的少铁的或富含硅酸盐的馏分中单独分离出来，在水状的介质中悬浮的或分散的残留。富含铁的馏分因此可以特别容易的作为有价值物质从另外馏分中分离出来。通过分离，铁含量达到55%或更多的可冶炼的铁矿作为第一种有价值物质被获得。这样特别的有利，因为冶炼铁工业所用的含铁的原料产品的含铁量大约50%至55%。实际的铁矿产量是波动的，自然依赖于已知的铝土矿残留物的具体成分的界限，当然在以前填埋的铝土矿残留物中经常占所使用的铝土矿残留物的整个干燥质量的至少45%或更多。百分比数据在本发明的框架内基本上可以理解为如果没有其他指明的话，指的是质量百分比数据。另外馏分含有作为有价值物质或有价值物质的混合物，包含硅酸盐材料(即不同粘土的混合物)，例如直接用作肥料或土壤改良剂，或者进一步地被加工。因此，铝土矿残留物的加工至少产生两种不同的有价值物质。根据本发明的方法在技术上特别容易实施和因此带来容易的可扩展性。因此根据本发明的方法例如直接实施在拜耳方法之后，产生的铝土矿残留物被进一步引入或导入根据本发明的相应的装置中实施。
[0013]本发明的有利结构可以看出，步骤a)中固体和液体的比例在1:2至1:5之间，特别是悬浮物中的比例调节成1:2.5，和/或步骤a)中应用的铝土矿残留物具有20%至40%的含水量，其中铝土矿残留物优选地被一次或多次冲洗。固体和液体的1:2至1:5之间的比例可以理解为特别是下列比例，1:2.0，1:2.1，1:2.2，1:2.3，1:2.4，1:2.5，1:2.6，1:2.7，1:2.8，1:2.9，1:3.0，1:3.1，1:3.2，1:3.3，1:3.4，1:3.5，1:3.6，1:3.7，1:3.8，1:3.9，1:4.0，1:4.1，1:4.2，1:4.3，1:4.4，1:4.5，1:4.6，1:4.7，1:4.8，1:4.9 和 1:5.0，以及相应的中间值。提到的比例范围一方面有可能使铝土矿残留物很好的被处理，另一方面必须避免步骤d)中不需要的大量的液体被处理。1:2.5的比例示出了特别有利的比例。铝土矿残留物的含水量在20%至40%之间，也就是说具有下列含水量，20%, 21%, 22%, 23%,24 %, 25 %, 26 %, 27 %, 28 %, 29 %, 30 %, 31 %, 32 %, 33 %, 34 %, 35 %, 36 %, 37 %, 38 %,39%或40%，步骤a)中加入的水量可以有利的被减少。除此之外，通过拜耳方法获得的铝土矿残留物通常已经具有28至35%的含水量，因此可以直接被应用。通过铝土矿残留物被一次或多次冲洗，能够特别为拜耳方法回收氢氧化钠溶液，铝土矿残留物的PH值根据需要被调节。可替代的或额外的可以看出，悬浮物的密度被调节成1.05g/cm3至1.35g/cm3之间，特别是1.07g/cm3至1.30g/cm3之间。1.05g/cm3至1.35g/cm3之间的密度在本发明的框架内可以理解为下列密度，1.05g/cm3，1.06g/cm3，