Система AI2O3—Na20—Н2О
В производстве глинозема щелочными методами существенным является процесс получения алюминатного раствора при выщелачивании бокситов или полупродуктов их термической обработки. Не менее существенно и дальнейшее поведение полученного раствора в зависимости от концентрации и температурных перепадов, которым он подвергается в производственных условиях.
Ряд важных выводов о поведении алюминатных растворов в указанных процессах можно сделать на основании изучения системы AI2O3—Na20—Н2О, т. е. исследования растворимости гидроокиси алюминия в едком натре в зависимости от концентрации и температуры. Приведены пять изотерм системы AI2O3—Na20—Н2О для 30, 60, 95, 150 и 200°, что по существу охватывает весь диапазон температур растворов в производстве глинозема щелочными методами. Первые две изотермы получены Фрикке и Юкатисом , третья — С. М. Цирлиной и последние две в Унихиме.
Каждая изотерма представляет собой диаграмму насыщения раствора едкого натра гидратом окиси алюминия при данной температуре. Весьма характерна форма изотерм: все они состоят из двух ветвей, которые пересекаются в остром максимуме. Такая форма изотерм может быть истолкована следующим образом. Алюминат натрия как соль сильного основания и слабой кислоты в водном растворе претерпевает Гидролитическое расщепление с выделением в твердую фазу гидроокиси алюминия. Гидролиз, однако, прекращается, когда раствор достигнет равновесного состояния, что при данной температуре отвечает определенной концентрации в нем Na2O и Na2O и соответствует какой то точке на левой ветви изотермы. При увеличении в растворе концентрации Na2O степень гидролиза алюминатного раствора уменьшается, благодаря чему более высокой концентрации Na2O соответствует и более высокая концентрация AI2O3 в равновесном растворе, что и выражается в подъеме левой ветви изотермы.
Максимум изотермы отвечает тому моменту, когда получается раствор, равновесный по отношению одновременно гидроокиси и алюмината. При дальнейшем повышении концентрации в растворе из него начинается выделение (высаливание) твердого алюмината натрия, что приводит к резкому снижению содержания в растворе AI2O3. Правые ветви изотерм отвечают, следовательно, равновесным растворам алюмината натрия в едком натре.
Таким образом изотермы системы AI2O3—Na20—Н2О дают диаграмму насыщения, которая может быть разбита на три части.
Первая часть диаграммы, расположенная выше левых ветвей изотерм, представляет собой область пересыщенных (метастабильных) растворов гидроокиси алюминия в едком натре. Точки, лежащие на самой ветви, отвечают равновесным растворам гидраргиллита (для 30, 60 и 95°) или бемита (для 150 и 200°) в едком натре и показывают, что с увеличением концентрации щелочи растворимость в ней гидр аргиллита или бемита также увеличивается.
Растворы, отвечающие по своему составу первой области диаграммы, нестойки и будут подвергаться разложению с выделением гидроокиси алюминия, стремясь к равновесному составу, определяемому при данной температуре соответствующей изотермой.
Вторая часть диаграммы, заключенная внутри обеих ветвей изотерм, представляет собой область Ненасыщенных растворов гидроокиси алюминия в едком натре, которые являются стойкими при данной температуре.
Наконец, третья часть диаграммы, расположенная выше правых ветвей изотерм, представляет собой область пересыщенных растворов алюмината натрия в едком натре. Точки, расположенные на самой ветви, отвечают равновесным растворам водного метаалюмината Na2О • А12О3 • 2,5 Н2О(для 30, 60 и 95°) или водного ортоалюмината 3Na2О • А12Оз • 6Н2О (для 150 и 200°) в едком натре и показывают, что с увеличением концентрации щелочи растворимость в ней этих алюминатов уменьшается. Растворы, отвечающие по своему составу третьей области диаграммы, нестойки и будут выделять соответствующие алюминаты, стремясь к равновесному составу, определяемому при данной температуре соответствующей изотермой.
На практике приходится иметь дело с растворами, которым отвечают левые ветви изотерм и области, расположенные выше, и ниже их, т. е. первая и вторая.
Из диаграммы видно, что с повышением температуры высота острого максимума изотерм возрастает, другими словами, с повышением температуры могут быть получены равновесные (стойкие) растворы с более высокой максимальной концентрацией А12Оз. Далее, с увеличением температуры максимум изо¬терм перемещается вправо, в сторону увеличения концентрации Na2О, поэтому, чтобы получить растворы с максимальным содержанием А12Оз, нужно одновременно с повышением температуры увеличивать и концентрацию Na2О. Наконец, можно видеть, что с увеличением температуры область пересыщенных растворов гидроокиси алюминия в едком натре сокращается за счет выпрямлений левых ветвей изотерм; поэтому степень пересыщения данного раствора становится меньшей (т. е. он становится более стойким) с повышением температуры.
Пользуясь изотермами растворимости гидроокиси алюминия в едком натре, мы, таким образом можем для каждой из пяти температур определить, относится ли данный раствор к числу стойких (т. е. равновесных или ненасыщенных) или нестойких (пересыщенных), и вычислить степень пересыщения этого раствора. Изотермы растворимости дают нам возможность также предвидеть явления, вызываемые любым изменением концентрации в растворах, т. е. определить конечные состояния равновесия, к которому придут как пересыщенный раствор после его полного разложения, так и ненасыщенный раствор в присутствии его твердой фазы после его полного насыщения.