預(yù)脫硅-Na2CO3焙燒-酸浸工藝提取粉煤灰中的氧化鋁

祁光霞, 梁振凱, 雷雪飛, 孫應(yīng)龍, 徐 輝,4, 李 磊, 袁 超, 王 毅

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預(yù)脫硅-Na2CO3焙燒-酸浸工藝提取粉煤灰中的氧化鋁

祁光霞1,2, 梁振凱2,3, 雷雪飛2, 孫應(yīng)龍2, 徐 輝2,4, 李 磊2, 袁 超2, 王 毅2

(1. 北京工商大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系, 北京 100048; 2. 清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 北京 100084;3. 浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 浙江 杭州 310030; 4. 西北核技術(shù)研究所, 陜西 西安 710024)

通過(guò)“預(yù)脫硅-Na2CO3焙燒-酸浸”工藝實(shí)現(xiàn)從粉煤灰中高效回收氧化鋁。按照1:2固液質(zhì)量體積比(m/V)添加150 g×L-1的NaOH溶液于130℃預(yù)脫硅1 h，粉煤灰脫硅效率可達(dá)30.0%。脫硅粉煤灰按照1:0.7的Na2CO3與SiO2質(zhì)量比與Na2CO3混合并于900℃焙燒2 h，焙燒熟料再經(jīng)水洗和4 mol×L-1H2SO4浸出1 h，Al的浸提效率可達(dá)93.1%，尾渣量?jī)H為初始粉煤灰的20.4%。通過(guò)XRD譜圖體現(xiàn)的粉煤灰礦相變化揭示了Al的可能浸提機(jī)理。相較于工業(yè)上應(yīng)用的石灰石燒結(jié)和堿石灰燒結(jié)，以及在研究發(fā)展中的方法如加壓酸浸法，該工藝焙燒溫度低、尾渣量少、設(shè)備腐蝕小，因而具備實(shí)際工程化應(yīng)用前景。

廢物處理；資源化；回收；粉煤灰；Al2O3回收；焙燒

1 前 言

隨著我國(guó)燃煤電廠數(shù)量的增長(zhǎng)與規(guī)模的日益擴(kuò)大，燃煤副產(chǎn)物粉煤灰也越來(lái)越成為社會(huì)關(guān)注的問(wèn)題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2009年的粉煤灰產(chǎn)量相當(dāng)于城市生活垃圾總量的兩倍多，達(dá)3.75億噸，而2015年將達(dá)到5.8億噸，已成為我國(guó)最大的單一工業(yè)固體廢物來(lái)源[2]。我國(guó)粉煤灰的Al2O3含量在18.8%(wt)~55.0%(wt)[3]，對(duì)于Al2O3含量>30%(wt)的粉煤灰，若將其替代鋁土礦從中提取鋁資源，不但能夠解決其處理和資源化問(wèn)題，也將緩解我國(guó)由于日益增長(zhǎng)的氧化鋁需求帶來(lái)的鋁土礦進(jìn)口壓力，因而具有重要的環(huán)境和戰(zhàn)略意義。

目前從粉煤灰中提取氧化鋁的主流技術(shù)有石灰石燒結(jié)法、堿石灰燒結(jié)法、硫酸銨法等[2,4]。硫酸銨法需消耗大量硫酸銨，而且整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生大量的氨氣和難以循環(huán)使用的SO2，容易造成二次污染[5,6]。無(wú)論石灰石燒結(jié)和堿石灰燒結(jié)法，均存在配料系統(tǒng)復(fù)雜，燒結(jié)溫度高(1100~1400℃)，能耗大，尾渣量大(石灰石燒結(jié)法7~11噸尾渣/噸Al2O3，堿石灰燒結(jié)法4~6噸尾渣/噸Al2O3)，不能實(shí)現(xiàn)粉煤灰的有效減量化等問(wèn)題[2,7~9]。為有效減少石灰石、生石灰和Na2CO3等助溶劑的使用量及尾渣產(chǎn)生量，粉煤灰預(yù)脫硅去除無(wú)定形SiO2富集Al聯(lián)合燒結(jié)工藝逐漸引起重視[2,10]，在內(nèi)蒙古甚至建成了示范生產(chǎn)線。目前，也有關(guān)于直接酸浸法(主要為硫酸)浸提粉煤灰中Al的報(bào)道[11~15]，該方法產(chǎn)生的尾渣量少，但僅適用于流化床焚燒爐產(chǎn)生的粉煤灰，且Al的浸提效率較低，對(duì)設(shè)備抗腐蝕性、抗壓性要求也較高。無(wú)機(jī)鈉鹽(NaOH、Na2CO3、NaCl等)具有良好的化學(xué)反應(yīng)性，特別的，Na2CO3在700~900 oC能夠?qū)Ψ勖夯抑械姆€(wěn)定莫來(lái)石和惰性玻璃態(tài)物質(zhì)起到活化破解作用[16,17]。綜上所述，本文嘗試通過(guò)“預(yù)脫硅-Na2CO3焙燒-酸浸”工藝從粉煤灰中高效回收Al2O3。與以往報(bào)道的方法比較，該工藝的焙燒溫度低、配料體系簡(jiǎn)單、尾渣量低且可進(jìn)一步進(jìn)行建材化利用。

2 材料與方法

2.1 材料、試劑與儀器

試劑：Na2CO3，98%(wt)濃硫酸，均為分析純。

儀器：威海自控反應(yīng)釜：粉煤灰脫硅實(shí)驗(yàn)；天津中環(huán)SX-G0712X箱式馬弗爐： Na2CO3焙燒實(shí)驗(yàn)；北京普析通用儀器有限責(zé)任公司TU-1901型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)：粉煤灰中Si、Al、Fe、Ti、Ca元素測(cè)定(GB/T 1574-2007)；德國(guó)Bruker D8 advance X射線衍射分析儀：粉煤灰預(yù)脫硅、焙燒前后和酸浸前后的礦相鑒定。

原料：粉煤灰樣品取自內(nèi)蒙古某火電廠粉煤灰運(yùn)輸中轉(zhuǎn)站，連續(xù)4 d采集的粉煤灰樣品等量混合均勻后于105℃烘干至恒重后備用。該粉煤灰的SiO2、Al2O3總量占80%(wt)以上，CaO含量較低，屬于F類(表1)，其礦相主要有常溫下不溶于酸和堿、化學(xué)穩(wěn)定的莫來(lái)石(M)和剛玉(C)(圖1)。此外，在2=17~30°出現(xiàn)的較大衍射駝峰表明該粉煤灰存在大量的玻璃相成分。