[发明专利]从含水介质中去除铝氧化物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂盐和/或镁盐用于使含水介质中存在的铝氧化物沉淀的用途。

背景技术

用于由铝土矿生产纯氧化铝的方法(拜耳法)在过去的100年中没有显著变化。可以将拜耳法考虑为三步：(1)浸取，(2)沉淀和(3)煅烧。

在浸取步骤中，通过将铝土矿中的含铝矿物(例如水铝氧(gibbsite)、水铝矿()和硬水铝石(diaspore))溶解于氢氧化钠的水溶液中而将它们从不溶性组分中选择性浸取：

(水铝氧)：Al(OH)₃+Na⁺+OH^-→Al(OH)₄^-+Na⁺

(水铝矿和硬水铝石)：AlO(OH)+Na⁺+OH^-+H₂O→Al(OH)₄^-+Na⁺

在进行拜耳法之前，将铝土矿矿石粉碎并研磨以降低颗粒尺寸，这提高与氢氧化钠接触的有效表面积。然后将破碎的铝土矿与工艺液合并并作为浆料输送到加热的压力浸煮器容器中。浸煮器容器中的条件(例如浓度、温度和压力)根据铝土矿矿石的性质进行设定。具有高的水铝氧含量的矿石通常在约140℃进行加工，而具有高的水铝矿含量的矿石的加工通常需要约200℃至约240℃的温度。压力由实际工艺条件过程中的蒸汽压力来限定。在240℃，压力为约35个大气压。

在浸取步骤后，不溶的铝土矿残渣必须通过沉淀与沉降相结合的工艺与含有溶解的氧化铝的浸液分离。浸液通常通过一系列过滤器然后转移到沉淀器而进行纯化。

含氧化铝的浸液中的氧化铝通过冷却以三氢氧化铝(水铝氧)的形式沉淀：

Al(OH)₄^-+Na⁺→Al(OH)₃+Na⁺+OH^-

水铝氧沉淀步骤基本上是浸取步骤的反转，不同之处在于通过反应条件仔细控制含水介质氧化铝产品的性质，所述反应条件包括加晶种和选择性成核、沉淀温度和冷却速率。在沉淀过程中对氢氧化钠进行再生以用于另外的氧化铝浸取。然后将纯化的晶体水铝氧(也称为水合物)与浸液分离并煅烧以形成用于铝熔炼工艺的氧化铝。

2Al(OH)₃→Al₂O₃+H₂O

作为冷战武器材料生产的结果，在美国能源部(DOE)的设施中产生了大量的放射性的且在化学方面有害的含水废料，其包括铝氧化物。这些废料储存于各地的储罐中，例如华盛顿州的DOE汉福德场地。目前，DOE汉福德场地在大约177个地下罐中储存了大约五千三百万加仑的放射性含水废料。该废料必须在汉福德废料罐处理和固定厂(Hanford Waste TankTreatment and Immobilization Plant，WTP)中进行加工以使放射性废料成分固定(玻璃化)。

在汉福德场地的一个加工问题涉及含水废料中铝氧化物(例如氧化铝)的存在，它形成损害废料的转移和加工的浆料。超过4400公吨的钠盐存在于该含水废料中，并且还需要约30000公吨的氢氧化钠形式的钠来浸取(即溶解)不溶的氧化铝浆料。该额外量的钠盐延长了WTP的处理进度并提高了玻璃体积。此外，可溶的氧化铝可通过在WTP操作中使用的多个过程(例如过滤、离子交换、冷却、稀释和/或中和)任意之一过程中形成无定形凝胶而将WTP工艺装置堵塞。

发明人已发现，向含有铝氧化物的含水介质中加入锂盐和/或镁盐导致形成低溶解度的铝酸锂络合物(lithium-aluminate complex)和/或铝酸镁络合物(magnesium-aluminate complex)，其提供将可溶的氧化铝与含水介质分离的快速且有效的方法。该新方法很适合用于解决哈福德场地存在的含水废料问题。分离的铝酸锂络合物和铝酸镁络合物可以有利地在玻璃化的低活性废料(LAW)的生产中用作成玻璃材料。

使用锂盐和/或镁盐从含水介质中去除铝氧化物至少具有如下优点：(1)沉淀的铝酸锂络合物或铝酸镁络合物的单程产率大于改良的拜耳法；(2)本文所述的通过锂和/或镁去除铝氧化物不需要加晶种或晶种再循环；以及(3)铝酸锂络合物和铝酸镁络合物的沉淀形成大晶体，它可以容易地、有利地与含水介质分离并净化。

发明内容