Question

【題目】由黏土(主要成分Al2O3·2SiO2·2H2O，含少量Fe2O3、CaO、MgO等雜質)與磷肥生產的含氟廢氣生產冰晶石Na3AlF6的工藝流程如下：

請回答下列問題：

(1) 冰晶石在電解Al2O3制鋁中的作用是______，需定期更換石墨______(填“陽”或“陰”)極。

(2) 不用98%硫酸進行“反應1”的可能原因是______。

A．不易發生離子反應，造成浸出率下降

B．反應速率太快太劇烈，造成了操作危險

C．產生較多酸性廢液，也提高了原料成本

(3) 保持其他條件不變，反應1的鋁浸出率在不同溫度下隨時間變化如圖所示。“反應1”的最佳溫度與時間分別是______℃、______min。

(4) “除雜”步驟產生的“濾渣”中含有BaSO4、CaSO4、S等難溶物，寫出產生S的離子方程式______。

(5) 若按“黏土濾液溶液”來制備Al2(SO4)3·18H2O，該方案的原料利用率比原方案更______ (填“高”或“低”)。

(6) “反應2”所得“濾液”中含氟物質主要為______ (寫化學式)。

(7) 已知Ka(HF)= 6.4×10-4，Al3++ 6F-AlF的K=1.0×1019，欲使平衡時c(AlF)/c(Al3+)≥10，且調節并維持濾液pH=5.5，則其中HF平衡濃度應不低于______mol/L(保留2位有效數字，100.5≈ 3.2)。

Answer 1

【答案】助熔劑 陽 AC 70 90 BaS+2Fe3++SO=BaSO4+2Fe2++S 低 NH4F 5.0×10-6

【解析】

黏土中加入硫酸，Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO與硫酸反應生成Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、CaSO4、MgSO4，SiO2不反應，加入BaS將Fe3+還原為Fe2+，同時生成硫酸鋇沉淀和硫單質，過濾除去沉淀BaSO4、CaSO4、S、SiO2等難溶物，濾液中主要含Al2(SO4)3、FeSO4、MgSO4，再濃縮結晶得到Al2(SO4)3·18H2O；含氟廢氣SiF4、HF與飽和氯化鈉溶液和氨水反應，主要生成NH4F和Na2SiF6，濾液NH4F中加入Al2(SO4)3·18H2O，調節pH值，再通過轉變后得到冰晶石Na3AlF6。

(1) 電解Al2O3，由于Al2O3熔點高，為節約能源，加入冰晶石能降低Al2O3的熔點，以便Al2O3能熔化后電解，所以作用是助熔劑；電解時陽極上O2-失電子發生氧化反應生成O2，陽極材料石墨與該極上生成的O2反應被消耗，所以需定期更換石墨陽極；

(2) 98%硫酸濃度太高，水較少，使得離子反應不易發生，造成浸出率下降，同時硫酸過量產生了較多酸性廢液，也提高了原料成本，所以答案選AC；

(3) 根據圖知，時間越長浸出率越高，溫度越高，浸出率越高，但浸出90min后，浸出率變化不大，70℃和90℃浸出率變化不大，且時間過長、溫度過高導致成本較大，所以最佳溫度是70℃，時間是90min；

(4) “除雜”步驟加入BaS將Fe3+還原為Fe2+，同時生成硫酸鋇沉淀和硫單質，離子方程式為BaS+2Fe3++SO=BaSO4+2Fe2++S；

(5) 該方案中，還生成了硫酸鈉，原子利用率更低；

(6) 含氟廢氣SiF4、HF與飽和氯化鈉溶液和氨水反應，主要生成NH4F和Na2SiF6，“濾液”中含氟物質主要為NH4F；

(7) 根據Al3++ 6F-AlF的K=1.0×1019，得，已知c(AlF)/c(Al3+)≥10，得c(F-)≥1.0×10-3，由pH=5.5，得c(H+)=10-5.5mol/L =3.2×10-5mol/L，根據Ka(HF)= 6.4×10-4，，代入c(F-)≥1.0×10-3mol/L和c(H+)=3.2×10-5mol/L，得mol/L。