對(duì)活化后粉煤灰鐵鋁元素浸出率影響因素研究

林楨楠

（遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧 阜新123000）

煤炭在全世界的探明總儲(chǔ)量約1.0×1012t，是世界上儲(chǔ)量最豐富，分布最為廣泛的化石燃料。煤炭是世界各國(guó)，尤其是發(fā)展中國(guó)家電力產(chǎn)業(yè)的主要燃料。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)能源需求將持續(xù)增長(zhǎng)，煤炭在火力發(fā)電行業(yè)中仍然占據(jù)著重要地位。據(jù)預(yù)測(cè)到2030 年我國(guó)能源消耗所占比例將達(dá)到44%。由于煤炭在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物粉煤灰，因此，對(duì)粉煤灰進(jìn)行系統(tǒng)研究與綜合利用，是關(guān)系環(huán)境保護(hù)與電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題[1]。

目前，粉煤灰已被應(yīng)用于建筑[2]、建材[3]、農(nóng)業(yè)[4]、化工[5]、環(huán)保[6]、高性能陶瓷材料[7]等眾多領(lǐng)域，但粉煤灰綜合利用在我國(guó)仍存在以下問(wèn)題：首先，對(duì)化學(xué)組成較為復(fù)雜的粉煤灰的再利用多未經(jīng)處理，直接利用，導(dǎo)致合成的產(chǎn)品含有較多雜質(zhì)元素，局限了其應(yīng)用范圍；其次，對(duì)粉煤灰堿熔后產(chǎn)物中各元素的浸出率低，有用組分提取量小，使粉煤灰的整體利用率降低。本文根據(jù)所用粉煤灰的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從Fe3+浸出率的角度對(duì)活化后的粉煤灰進(jìn)行酸浸研究，得到了最佳浸漬條件，極大的提高了粉煤灰中各元素的浸出率，取得了較滿意的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

粉煤灰取自某發(fā)電廠，其組成見(jiàn)表1。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分Tab.1 Components of ash coal

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定量粉煤灰樣品研磨并過(guò)60 目篩篩選，與去離子水在40℃下充分混合并攪拌20min，冷卻至室溫，過(guò)濾得到濾渣，烘干。與NaHCO3充分混合均勻后在馬弗爐中焙燒一定時(shí)間，冷卻至室溫得到焙燒樣品。將焙燒樣品研磨至一定的粒徑大小后，用稀釋后的不同濃度不同類型的酸溶液浸漬一段時(shí)間，過(guò)濾，利用鄰菲羅啉分光光度法和返回滴定法分別測(cè)定濾液中鐵離子和鋁離子的濃度的變化情況。

2 結(jié)果與討論

本文以浸取液中Fe3+浸出率的變化，研究了焙燒樣品研磨后的顆粒細(xì)度、酸類型、酸浸反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)粉煤灰元素浸出率的影響。

2.1 酸種類的影響

將研磨至粒徑為100 目的焙燒后粉煤灰樣品分別與4mol·L-1稀HCl、稀H2SO4和稀HNO3以相同比例充分混合，在40℃下攪拌20min 后，冷卻，過(guò)濾，測(cè)定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，見(jiàn)圖1。

圖1 酸類型對(duì)鐵、鋁元素浸出率的影響Fig.1 Effect of acid type on the leaching rate of iron,aluminum

由圖1 可知，當(dāng)焙燒后粉煤灰及酸用量相同時(shí)，酸浸對(duì)于Fe3+的浸出率影響較大，HCl 對(duì)Fe3+的最大浸出率為60.12%，Al3+的最大浸出率為43.20%，HNO4稍低，HNO3的浸出率較低，F(xiàn)e3+浸出率為43.29%，Al3+浸出率為35.46%。其原因是由于HNO3與HCl、H2SO4相比具有較強(qiáng)的氧化性能，可在焙燒后粉煤灰顆粒表面形成一層致密的氧化膜，從而阻止了反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，導(dǎo)致Fe3+浸出率降低。

2.2 顆粒細(xì)度的影響

稱取焙燒后的粉煤灰研磨至一定程度后分別過(guò)40、60、80、100、120、140 目和16 篩，得到不同顆粒細(xì)度的焙燒后粉煤灰樣品。分別用等量的4mol·L-1稀HCl 在40℃下攪拌，反應(yīng)20min 后，冷卻，過(guò)濾，測(cè)定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 顆粒細(xì)度對(duì)鐵、鋁元素浸出率的影響Fig.2 Effect of particle size on the leaching rate of iron,aluminum

由圖2 可知，當(dāng)顆粒細(xì)度在40～100 目時(shí)，F(xiàn)e3+和Al3+的浸出率都隨粒徑的減小而大幅度提高，當(dāng)高于100 目時(shí)，浸出率小幅提高，大于120 目后浸出率不再變化。由于與堿焙燒后的粉煤灰中主要為霞石，當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)，顆粒內(nèi)部難于被酸溶解，因而離子浸出率較低；而當(dāng)顆粒尺寸很小時(shí)，顆粒細(xì)度對(duì)于離子浸出率的影響已經(jīng)很小。因此，從提高離子浸出率和節(jié)約原料的角度考慮，顆粒細(xì)度在120 目時(shí)為最佳條件。

2.3 酸濃度

稱取焙燒后的粉煤灰研磨后過(guò)120 目篩，得到的焙燒后粉煤灰樣品分別用2、4、6 和8mol·L-1的HCl 在40℃下攪拌，反應(yīng)20min 后，冷卻，過(guò)濾，測(cè)定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 酸濃度對(duì)鐵、鋁元素浸出率的影響Fig.3 Effect of acid concentration on the leachingrate of iron,aluminum

由圖3 所示，酸濃度對(duì)Fe3+、Al3+浸出率有較大影響，隨著酸濃度的增大，離子浸出率升高，而當(dāng)酸濃度達(dá)到8mol·L-1時(shí)，F(xiàn)e3+、Al3+的浸出率的提高效果降低。這是由于高濃度的酸能夠加速硅酸形成絮狀的水合SiO2，水合SiO2比較容易從溶液體系中沉淀出來(lái)，焙燒產(chǎn)物還沒(méi)來(lái)得及與酸發(fā)生反應(yīng)就被SiO2顆粒包覆起來(lái)，阻止了反應(yīng)進(jìn)行。因此，為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，選擇鹽酸的濃度為6mol·L-1，此時(shí)Fe3+浸出率為82.16%，Al3+浸出率為75.34%。

2.4 反應(yīng)時(shí)間和溫度

稱取焙燒后的粉煤灰研磨后過(guò)120 目篩，得到的焙燒后粉煤灰樣品用6mol·L-1的HCl 分別在25、40、55、70、85℃下 攪 拌，反應(yīng)20、40、60、80、100、120min 后，冷卻，過(guò)濾，測(cè)定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，結(jié)果分別見(jiàn)圖4、5。

圖4 反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)鐵元素浸出率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature and time onthe leaching rate of iron

圖5 反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)鋁元素浸出率的影響Fig.5 Effect of reaction temperature and time onthe leaching rate of aluminum

由圖4 可知，隨著溫度的升高，F(xiàn)e3+浸出率明顯提高，在85℃反應(yīng)120min 時(shí)Fe3+浸出率最大，達(dá)到94.8%。然而，由圖5 所示，當(dāng)反應(yīng)溫度在25～55℃時(shí)，溫度升高Al3+浸出率大幅提高；當(dāng)反應(yīng)溫度高于70℃時(shí)，溫度對(duì)于Al3+浸出率影響較小，且當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于60min 時(shí)，溫度對(duì)離子浸出率的影響極小，這是因?yàn)楫?dāng)溫度較高、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于鹽酸易揮發(fā)導(dǎo)致溶液中酸濃度降低，影響了浸出率。因此，從提高硅鋁浸出率、節(jié)約原料、降低成本的角度考慮，選取反應(yīng)溫度75℃，反應(yīng)時(shí)間120min 為最佳反應(yīng)條件。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)粉煤灰的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將焙燒后的粉煤灰研磨至顆粒細(xì)度為120 目，用6mol·L-1HCl 浸漬可有效提高Fe3+、Al3+浸出率，

（2）結(jié)合節(jié)約原料、降低成本的角度，當(dāng)反應(yīng)溫度為75℃，反應(yīng)時(shí)間120min 時(shí)Fe3+、Al3+浸出率可達(dá)到最佳條件，此時(shí)，F(xiàn)e3+浸出率為92.95%，Al3+浸出率為94.56%。

（3）將粉煤灰進(jìn)行堿熔焙燒、酸浸，可有效提高粉煤灰中Fe3+、Al3+浸出率，有利于提高粉煤灰中的利用率。

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