钾长石是一种呈架状结构的铝硅酸盐,其含有大量的硅和铝。若仅作为钾资源开发利用,不仅经济效益低,而且生成的渣将造成环境的污染。本文以钾长石为研究对象,采用碳酸钠中温焙烧法进行处理,设计了一条综合利用硅、铝、钾和钠的工艺。系统深入地研究了硅、铝、钾、钠等有价元素在反应中的物相转变过程及走向,得到了钾长石中有价元素提取的理论及过程。研究的主要内容及结论如下:1.通过热力学分析,确定了碳酸钠焙烧法从钾长石中提取二氧化硅的可行性。确定了碳酸钠焙烧法提取二氧化硅的工艺,通过对焙烧和碱溶出两个工序单因素及正交实验,得到结论如下:在碱矿摩尔比1.2:1,反应温度875℃,反应时间80 min,矿物粒度74～89 μm的焙烧条件下,二氧化硅的提取率达到98.13%;在溶出温度95℃、溶出时间80 min、搅拌速度400 r/min、熟料粒度74～89 μm、氢氧化钠溶液浓度0.2 mol/L的碱溶出条件下,二氧化硅的溶出率达到99%。2.通过对碳酸钠中温焙烧过程的研究,发现焙烧过程符合1-(1-α)1/3=kt方程。由Arrhenius方程得到反应的表观活化能为188.13 kJ/mol。焙烧反应过程可描述为:1-(l-α)1/3 = 3.12×105×exp[-188130/(RT)]t3.通过对熟料溶出过程的研究,发现熟料溶出过程符合l-(l-α)1/3=kt方程。溶出过程分为溶出反应前期和反应后期两个阶段,由Arrhenius方程得到反应的表观活化能分别为15.24 kJ/mol,29.94 kJ/mol。溶出反应过程可描述为:反应前期:1-(1-α)1/3 = 7.074×exp[-15239/(RT)]t反应后期:1-(1-α)1/3 = 2.18××10-2×exp[-29940/(RT)]t4.对焙烧熟料碱溶后得到的硅酸钠溶液,采用分步碳分法制备超细二氧化硅。碳分条件:碳分终点pH值9.0,温度50℃,CO2流速6mL/min,搅拌速度600 r/min,加入体积比1:9乙醇和水的混合溶液。二氧化硅的沉淀率可达99.8%,二氧化硅粉体粒度200 nm,符合HG/T3065-1999标准。5.研究了硅酸钠溶液与氧化钙反应制备轻质硅酸钙产品的工艺。结果表明:在反应温度80℃,钙硅摩尔比1:1,反应时间40 min,搅拌速度500 r/min的条件下,二氧化硅的沉淀率可达99.28%。6.对碱溶渣采用酸化、水溶、沉铝、碱溶、碳分等工序处理,提取制备高纯氢氧化铝、氧化铝和氧化铁,达到铝和铁与钾、钠分离的目的。综合后的优化工艺参数为:在酸矿摩尔比2.4:1、硫酸质量分数90%、酸化时间5 min的酸化条件下,铝提取可达到94.36%。在水溶温度90℃、水溶时间10 min、液固比5.5:1、搅拌速度400 r/min的水溶条件下,铝溶出率可达到99.21%。在溶液终点pH值4.8、沉铝温度50℃、陈化时间40min、碳酸钠浓度300 g/L的沉铝条件下,铝沉淀率可达到99%。在溶液终点pH值14,碱溶温度80℃,碱溶时间30 min的碱溶条件下,铝溶出率达到99.42%,铁去除率达到99.63%。在溶液终点pH值9.0,碳分温度40℃,CO2流速选择6 mL/min的碳分条件下,铝沉淀率达到98.69%。7.利用沉铝后得到的酸性溶液制备硫酸钾、硫酸钠和硫化钠产品。采用分步结晶法制备硫酸钾和硫酸钠。结果表明:在结晶温度40℃,搅拌速度400r/min,结晶时间4 h的条件下,硫酸钾的结晶率可达88.17%;在结晶温度10℃,搅拌速度400 r/min,结晶时间8 h的条件下,硫酸钠的结晶率可达90.13%。采用煤炭、CO、H2还原法制备硫化钠产品。结果表明:煤炭还原法制备硫化钠,在硫酸钠与煤炭摩尔比1:8,反应温度700℃,反应时间5 h的条件下,硫酸钠的转化率可达82.13%;CO还原法制备硫化钠,在反应温度675℃,反应时间120min,料层厚度小于4 cm的条件下,硫酸钠的转化率可达93%;H2还原法制备硫化钠,在反应温度610℃,反应时间90 min,料层厚度小于2.5 cm的条件下,硫酸钠的转化率可达94.25%。本文以钾长石为研究对象,设计一条具有工业应用价值的从钾长石中提取硅、铝、钾、钠制备超细二氧化硅、高纯氢氧化铝、紧缺硫酸钾和硫化钠的工艺。整个过程无废渣、废气、废渣的排放,实现钾长石的高附加值绿色化综合利用。