低溫堿溶法提取粉煤灰中二氧化硅和氧化鋁的實驗研究

李超陽，徐浩洋，胡光勝，廉尚斌，胡瓦提，顧宏新

(昌吉學(xué)院 化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系，新疆 昌吉 831100)

低溫堿溶法提取粉煤灰中二氧化硅和氧化鋁的實驗研究

李超陽，徐浩洋，胡光勝，廉尚斌，胡瓦提，顧宏新*

(昌吉學(xué)院 化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系，新疆 昌吉 831100)

粉煤灰是排放量最大的固體廢物，它的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3。采用堿溶法提取粉煤灰中的SiO2和Al2O3，實驗發(fā)現(xiàn)堿溶液的濃度、用量及反應(yīng)時間等因素直接影響SiO2和Al2O3的提取率，在優(yōu)化實驗條件下可提取出近30%的SiO2，而Al2O3的溶出量小于3%。脫硅后的灰渣鋁含量明顯升高，同時可得到純度較高的SiO2，有一定的實用價值。

粉煤灰；二氧化硅；氧化鋁；堿溶法提取

粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤鍋爐排放出的固體廢棄物,是目前世界上排放量最大的固體廢棄物之一。粉煤灰的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，約占總量的60%～90%[1]，此外還含有少量的Fe2O3、CaO、MgO等氧化物和未燃盡的炭。據(jù)統(tǒng)計，2015年我國粉煤灰年排放量高達(dá)5.8億噸[1]，粉煤灰累計堆存量已高達(dá)數(shù)十億噸，占用大量的土地，產(chǎn)生較大的環(huán)境問題。目前粉煤灰的利用主要用于建材和筑路工程等方面上，基本上屬于低附加值的利用[2-3]。

粉煤灰中含有大量的SiO2和 Al2O3,近年來利用粉煤灰中的硅和鋁制取高附加值的產(chǎn)品已成為粉煤灰綜合利用研究的重點[4]。用堿處理法可以對粉煤灰中的二氧化硅進(jìn)行選擇性提取，可有效提高粉煤灰中鋁和硅的比例，減少提取氧化鋁過程硅渣的產(chǎn)生量，也可實現(xiàn)粉煤灰中硅資源的利用。針對我國粉煤灰的不同特點 , 陸勝等[5]采用石灰燒結(jié)自粉化提取粉煤灰中的鋁 ,硅則以硅酸鈣的形式沉淀；鄔國棟、薄春麗等[6-8]提出了低溫堿溶液浸出方法 ,粉煤灰中的鋁和硅在密閉容器內(nèi)被堿溶液溶出 ,然后采用碳化、酸溶使硅和鋁分離。目前，用堿處理法從粉煤灰提取氧化硅和氧化鋁的方法主要有石灰燒結(jié)法、碳酸鈉堿熔法、氫氧化鈉堿熔法和低溫氫氧化鈉堿溶法[1-4]。

近年來隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，新疆煤電煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已成為振興新疆經(jīng)濟的支柱。隨之而來的環(huán)境問題也不容忽視，每年將會排放大量的粉煤灰。新疆準(zhǔn)東煤田是我國最大的整裝煤田，其煤質(zhì)具有高堿高鐵和低鋁的特點[9]，燃煤排放的粉煤灰有其自身的特性和利用價值。研究開發(fā)當(dāng)?shù)胤勖夯业木C合利用技術(shù)對實現(xiàn)資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 實驗用品

粉煤灰(華電昌吉熱電廠，粒度<100目)，氫氧化鈉、硫酸、鹽酸、氨水均為分析純，磁力攪拌器，X射線熒光分析儀(島津EDX-GP)

1.2 實驗方法

將5.0g粉煤灰樣品分別與不同濃度和不同用量的氫氧化鈉溶液混合，加熱攪拌反應(yīng)一定的時間后，過濾不溶物；濾液加熱后用硫酸酸化至pH值小于1，可生成硅酸沉淀和鋁鹽溶液，過濾并洗滌沉淀，800℃干燥后稱重，計算SiO2提取率。再向鋁鹽濾液中加入過量氨水，使鋁轉(zhuǎn)化成氫氧化鋁沉淀。過濾并洗滌沉淀，得到氫氧化鋁。800℃干燥后生成Al2O3，稱重，根據(jù)Al2O3的質(zhì)量計算提取率。研究氫氧化鈉濃度、氫氧化鈉用量、反應(yīng)時間對提取率的影響。實驗流程見圖1。

圖1 實驗流程圖

2 結(jié)果和討論

2.1 粉煤灰成分及實驗產(chǎn)物的成分測定

經(jīng)X射線熒光分析檢測，粉煤灰樣品中各成分的含量見表1，與國內(nèi)其它地區(qū)粉煤灰相比，呈現(xiàn)高堿高鐵低鋁的特點。

表1 粉煤灰的化學(xué)組成 %

實驗產(chǎn)物在800℃下干燥后均為白色粉末狀顆粒，經(jīng)X射線熒光分析檢測，二氧化硅的純度為98.4% ，氧化鋁純度為96.3%，可用重量法計算二氧化硅和氧化鋁的提取率。

2.2 粉煤灰中二氧化硅和氧化鋁的提取及影響因素研究

2.2.1 堿濃度對二氧化硅和氧化鋁提取率的影響

用不同濃度的NaOH溶液按固液質(zhì)量比1：10的比例分別與粉煤灰在相同條件下反應(yīng)1h，研究堿濃度對二氧化硅和氧化鋁提取率的影響，結(jié)果如圖2所示。

(反應(yīng)溫度：90℃，固液質(zhì)量比：1:10，反應(yīng)時間：1h)

由圖2可以看出，堿濃度對二氧化硅提取率的影響較大，對氧化鋁的提取率的影響較小。堿濃度低于20%時，二氧化硅的提取率隨堿濃度增加而增大；堿濃度超過20%后，二氧化硅提取率隨堿濃度的增加而降低。這是由于堿溶液濃度高不僅可加快二氧化硅與堿液反應(yīng)速度，同時也會提高氧化鋁生成鋁酸鈉的速度，加速生成難溶的水合硅鋁酸鈉[7]，使溶液中硅酸鹽和鋁酸鹽的濃度降低，導(dǎo)致提取率下降。

2.2.2 堿的用量對二氧化硅和氧化鋁提取率的影響

用質(zhì)量濃度20%的NaOH溶液按不同的灰堿質(zhì)量比例分別與粉煤灰在相同條件下反應(yīng)1h，研究堿的用量對二氧化硅和氧化鋁提取率的影響，結(jié)果如圖3所示。

(反應(yīng)溫度：90℃，反應(yīng)時間：1h，堿濃度：20%)

由圖3可以看出，當(dāng)粉煤灰和堿液質(zhì)量比為1:5時，粉煤灰中的二氧化硅提取率可達(dá)到最大值，比值超過1:5時，提取率隨著堿用量的增大呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為粉煤灰中能被溶出的活性二氧化硅和氧化鋁的量是一定的，當(dāng)堿的用量較小時，溶出的活性二氧化硅和氧化鋁的量隨著堿用量的增大而增大，提取率上升；當(dāng)堿用量超過1：5的比例后，相對粉煤灰已經(jīng)過量，再增加堿的用量并不能提高硅和鋁的溶出量，隨著溶液中的硅酸鹽和鋁酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成難溶的水合硅鋁酸鈉，使二氧化硅和氧化鋁的提取率出現(xiàn)下降趨勢。因此確定適宜的堿用量為灰與堿液質(zhì)量比為1:5。

2.2.3 反應(yīng)時間對二氧化硅和氧化鋁提取率的影響

用相同質(zhì)量的相同濃度的NaOH溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%)在相同條件下分別與粉煤灰反應(yīng)不同時間，研究反應(yīng)時間對二氧化硅和氧化鋁提取率的影響，結(jié)果如圖4所示。

(反應(yīng)溫度：90℃，固液比：1:5，堿濃度：20%)

由圖4可以看出，反應(yīng)時間對二氧化硅的提取率影響較大，在1h內(nèi)反應(yīng)時間越長，二氧化硅提取率越大；反應(yīng)時間超過1h后,二氧化硅的提取率反而出現(xiàn)明顯降低的趨勢。主要原因是硅和鋁在堿溶液中的溶出的速度不同，在反應(yīng)進(jìn)行1h后，反應(yīng)物中能被溶出的非晶態(tài)的二氧化硅已大部分被溶出，生成硅酸鈉的速度開始降低，而溶出速度相對緩慢的鋁酸鈉的量不斷增加，它又與溶液中的硅酸鈉發(fā)生反應(yīng)形成了不溶性的硅鋁酸鈉，最終使溶液中硅酸鹽和鋁酸鹽的濃度不斷降低，導(dǎo)致二氧化硅提取率降低。同樣是這個原因，在硅酸鈉濃度相對較大的情況下溶液中的鋁酸鈉濃度不會增加，氧化鋁的提取率始終保持較低的水平。因此認(rèn)為在實驗條件下適宜的反應(yīng)時間為1h。

3 結(jié)論

(1)采用堿溶法可在溫和的條件下得到純度較高的二氧化硅，方法簡便，有一定的實用價值。采用堿溶處理后可溶出近30%的二氧化硅，而氧化鋁的溶出率很少，小于3. 0%。脫硅后的粉煤灰渣鋁含量明顯升高，可作為提取氧化鋁及合成沸石的原料。

(2) 實驗發(fā)現(xiàn)堿溶液的用量、堿溶液的濃度及反應(yīng)時間直接影響二氧化硅和氧化鋁的提取率。反應(yīng)過程中由于硅和鋁與堿的反應(yīng)速度不同，溶出的硅和鋁又容易相互作用生成難溶的硅鋁酸鹽，反應(yīng)條件需嚴(yán)格控制。

(3) 實驗確定如下條件為宜：在90℃下，粉煤灰與20%NaOH溶液加熱攪拌，粉煤灰和NaOH的固液質(zhì)量比為1:5，反應(yīng)時間1h。在此條件下，二氧化硅提取率最高可達(dá)到33.7%，氧化鋁的溶出率小于3 %。

[1] 蒲 維,梁 杰,雷澤明,等.粉煤灰提取氧化鋁現(xiàn)狀及工藝研究進(jìn)展[J].無機鹽工業(yè),2016,.327( 02):9-12.

[2] 馬 釗,王傳琴,李廣學(xué), 等.從粉煤灰中提取氧化鋁的研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工,2015,35(03):34-36，38.

[3] 荊 富,伊茂森,張忠溫, 等.粉煤灰提取白炭黑和氧化鋁的研究[J].中國工程科學(xué)2012,14(2)，96-106.

[4] 王占修,張秀全,丁建礎(chǔ).粉煤灰提取氧化物研究進(jìn)展[J].無機鹽工業(yè),2011,43(4):15-17.

[5] 陸 勝,方榮利,趙 紅.用石灰燒結(jié)自粉化法從粉煤灰中回收高純超細(xì)氧化鋁粉的研究[J].粉煤灰,2003(1):15-17.

[6] 鄔國棟,葉亞平,錢維蘭, 等..低溫堿溶粉煤灰中硅和鋁的溶出規(guī)律研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2006(1): 53-56.

[7] 薄春麗,鄭詩禮,馬淑花, 等.高鋁粉煤灰鋁硅化合物在稀堿溶液中的浸出行為[J].過程工程學(xué)報,2012(04):613-617.

[8] 丁宏婭,馬鴻文,高 飛,俞子儉.改良酸堿聯(lián)合法利用高鋁粉煤灰制備氧化鋁的實驗研究[J].礦物巖石地球化學(xué)通報,2006(04):348-352.

[9] 蘇國慶,姚 偉,何紅光.新疆準(zhǔn)東煤礦煤質(zhì)特性試驗研究[J].煤質(zhì)技術(shù),2015, 198( 04):39-41，44.

(本文文獻(xiàn)格式：李超陽，徐浩洋，胡光勝，等.低溫堿溶法提取粉煤灰中二氧化硅和氧化鋁的實驗研究[J].山東化工，2017，46(04)：36-38.)

Experimental Study on Leaching Silicon and Aluminum from Fly Ash in Alkaline Solution at Low Temperature

LiChaoyang,XuHaoyang,HuGuangsheng,LianShangbin,Huwati,GuHongxin*

(Department of Chemistry and Applied Chemistry, Changji College,Changji 831100, China)

Fly ash is one of the largest industrial waste resi-dues which main components are silicon and aluminum，The rules of dissolved silicon and aluminum from fly ash by alkaline solution at low temperature were studied. The factors of alkali concentration, leaching time and leaching temperature on fly ash were investigated. The results shows that silicon and aluminum in fly ash are leached by alkaline solution. On these conditions, the extraction rate of silica leached is reaching the levels of 30% and that of alumina Less than 3% respectively. The content of aluminum increased significantly and get high quality silica after desilication. Therefore, the comprehensive utilization of fly ash can brings immeasurable economic benefits.

fly ash; silica; alumina; alkali leaching

2016-12-30

昌吉學(xué)院2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201510997006)

李超陽(1993—)，河南人，昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系應(yīng)用化學(xué)專業(yè)2013級本科生；通訊作者： 顧宏新(1967—)，河南人，昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系，講師，研究方向：工業(yè)污染與廢物資源化利用。

X705，TQ09

A

1008-021X(2017)04-0036-03