粉煤灰鹽酸浸出液酸分法結(jié)晶氯化鋁的試驗(yàn)優(yōu)化

謝振山，李軍旗，陳朝軼，徐本軍，伍宇敏

(1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省冶金工程與過(guò)程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

粉煤灰鹽酸浸出液酸分法結(jié)晶氯化鋁的試驗(yàn)優(yōu)化

謝振山1,2，李軍旗1,2，陳朝軼1,2，徐本軍1,2，伍宇敏1,2

(1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省冶金工程與過(guò)程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

研究了采用酸分法，通過(guò)向凈化后的粉煤灰鹽酸浸出液中通入HCl氣體結(jié)晶AlCl3·6H2O。試驗(yàn)結(jié)果表明：各因素對(duì)氯化鋁結(jié)晶率的影響主次順序?yàn)镠Cl氣體通入速率>HCl氣體通入量>結(jié)晶溫度>靜置時(shí)間；在HCl通入速率60 mL/min、HCl通入量24.27 L、結(jié)晶溫度20 ℃、靜置時(shí)間3 h條件下，氯化鋁結(jié)晶率達(dá)90.25%；降低HCl通入速率和增大通入量均有利于結(jié)晶率提高，當(dāng)HCl氣體通入速率低于45 mL/min時(shí)，會(huì)發(fā)生倒吸，反之會(huì)導(dǎo)致返溶；結(jié)晶產(chǎn)物AlCl3·6H2O占98.7%，雜質(zhì)主要為CaCl2·4H2O、MgCl2·2H2O、FeClO。

粉煤灰；酸分法；結(jié)晶氯化鋁；同離子效應(yīng)；工藝；優(yōu)化

我國(guó)粉煤灰排放量巨大，其主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO，占比達(dá)80%以上[1-2]。目前，粉煤灰利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且對(duì)環(huán)境有不利影響。采用酸法從高鋁粉煤灰中提取Al2O3是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[3-9]。現(xiàn)有研究多采用蒸發(fā)濃縮結(jié)晶法，但該法能耗高，結(jié)晶率低[10-12]，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。因此，提高氯化鋁結(jié)晶率、降低能耗是目前的研究重點(diǎn)。根據(jù)同離子效應(yīng)，向粉煤灰鹽酸浸出液凈化后的氯化鋁精液中通入HCl氣體，可提高氯化鋁結(jié)晶率，獲得純度較高的結(jié)晶氯化鋁[13-14]。在前期單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究確定優(yōu)化條件，并對(duì)氯化鋁結(jié)晶產(chǎn)物進(jìn)行物相表征。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

試驗(yàn)用粉煤灰取自某火電廠，經(jīng)鹽酸浸出、除雜得到氯化鋁精液，其主要離子組成見(jiàn)表1。HCl氣體為工業(yè)級(jí)，其他試劑均為分析純。

試驗(yàn)設(shè)備有X射線衍射儀，原子吸收光譜儀，水浴鍋，真空抽濾機(jī)，恒溫干燥箱等。

表1 氯化鋁精液主要成分 g/L

1.2 試驗(yàn)方法

將活化粉煤灰與鹽酸混合，在中低壓條件下進(jìn)行浸出，獲得氯化鋁粗液，粗液除雜得氯化鋁精液。再向氯化鋁精液通入過(guò)量HCl，結(jié)晶析出氯化鋁(AlCl3·6H2O)。反應(yīng)方程式如下:

(1)

(2)

采用L9(34)正交試驗(yàn)方案確定影響氯化鋁結(jié)晶的主要因素和最佳條件，并對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，然后對(duì)主要因素進(jìn)行優(yōu)化。

量取100 mL氯化鋁溶液，在水浴鍋中加熱，向溶液中通入HCl氣體，待溶液達(dá)到飽和后，氯化鋁開(kāi)始結(jié)晶析出；連續(xù)通入HCl氣體，之后靜置一段時(shí)間，過(guò)濾，測(cè)定酸分濾液體積后送分析；將結(jié)晶產(chǎn)物在恒溫烘箱中于90 ℃下烘干，稱(chēng)量后用EDTA容量法分析測(cè)定酸分濾液中Al3+質(zhì)量濃度，計(jì)算氯化鋁結(jié)晶率。用XRD對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

氯化鋁結(jié)晶率(η)為氯化鋁溶液和酸分濾液中Al3+質(zhì)量濃度之差與氯化鋁溶液中Al3+質(zhì)量濃度的比值：

(3)

式中：V0為氯化鋁溶液體積，L；ρ0為氯化鋁溶液中Al3+質(zhì)量濃度，g/L；V為酸分濾液體積，L；ρ為酸分濾液中Al3+質(zhì)量濃度，g/L。

氯化鋁純度為氯化鋁晶體中實(shí)際測(cè)得的Al3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)與理論Al3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值：

(4)

式中：w為理論Al3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；VS(Al)為氯化鋁晶體溶解液體積，L；ρS(Al)為氯化鋁晶體溶解液中Al3+質(zhì)量濃度，g/L；mS(Al)為氯化鋁晶體質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)條件及結(jié)果

表2表明：影響氯化鋁結(jié)晶率因素的主次順序?yàn)镠Cl氣體通入速率>HCl氣體通入量>結(jié)晶溫度>靜置時(shí)間；最佳工藝條件為B1A3D3C1：HCl通入量24.27 L，通入速率60 mL/min,靜置時(shí)間3 h，結(jié)晶溫度20 ℃。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得

η=48.69+2.283xA-0.251 2xB

-0.089xC+1.15xD。

(5)

從式(5)看出，氯化鋁結(jié)晶率與HCl氣體通入量、靜置時(shí)間正相關(guān)，與HCl氣體通入速率和結(jié)晶溫度負(fù)相關(guān)，其中主要影響因素為氣體通入量。

通過(guò)擬合方程對(duì)結(jié)晶條件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，最優(yōu)條件下的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯?，氯化鋁晶體的平均結(jié)晶率為90.25%，擬合公式結(jié)晶率計(jì)算值為90.69%，符合性較好。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)中氯化鋁晶體結(jié)晶率及主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

驗(yàn)證試驗(yàn)獲得的氯化鋁結(jié)晶產(chǎn)品為白色顆粒，表觀形貌規(guī)則、完整，結(jié)晶度較高。XRD分析結(jié)果(圖2)表明:結(jié)晶產(chǎn)物主要是AlCl3·6H2O，也有CaCl2·4H2O、MgCl2·2H2O、FeClO等雜質(zhì)；MgCl2·2H2O、FeClO峰強(qiáng)度較高且峰位置與氯化鋁結(jié)晶峰重疊，說(shuō)明這2種雜質(zhì)結(jié)晶性較好，易吸附在氯化鋁晶體表面。結(jié)合表1和表3數(shù)據(jù)，說(shuō)明去除氯化鋁粗液中的雜質(zhì)離子對(duì)提高產(chǎn)品結(jié)晶純度是必要的。

圖2 氯化鋁結(jié)晶產(chǎn)品的XRD圖譜

2.2 工藝優(yōu)化

降低HCl氣體通入速率和提高HCl氣體通入量均有利于氯化鋁結(jié)晶率提高。氣體通入速率低于45 mL/min，會(huì)導(dǎo)致溶液倒吸，反之，溶液對(duì)HCl氣體的利用率會(huì)降低。氣體通入量不足必然導(dǎo)致鋁離子結(jié)晶析出不完全，通入量過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致返溶，使溶液中雜質(zhì)增多，降低氣體利用率。

在HCl通氣量24.27 L、室溫、靜置3 h條件下，HCl通入速率對(duì)氯化鋁結(jié)晶率和純度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 HCl通入速率對(duì)氯化鋁結(jié)晶率和純度的影響

由圖3看出:隨HCl通入速率增大，氯化鋁結(jié)晶率降低;HCl通入速率由45 mL/min增大到140 mL/min，氯化鋁結(jié)晶率從93.20%降至58.73%，純度從98.7%升至99.03%，說(shuō)明氣體通入速率對(duì)氯化鋁產(chǎn)量影響較大。HCl通入速率增大會(huì)導(dǎo)致氣體瞬時(shí)利用率降低，因此，HCl氣體通入速率應(yīng)在保證溶液一定過(guò)飽和度條件下盡可能低。

在HCl通入速率45 mL/min、室溫、靜置3 h條件下，HCl氣體通入量對(duì)氯化鋁結(jié)晶率和純度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 HCl通入量對(duì)氯化鋁結(jié)晶率和純度的影響

由圖4看出：隨HCl氣體通入量增大，氯化鋁結(jié)晶率提高，產(chǎn)品純度降低；氣體通入量由19.47 L提高到26.67 L，氯化鋁結(jié)晶率由82.33%提高到93.16%，純度由98.96%降至98.53%，表明提高氣體通入量有利于產(chǎn)品結(jié)晶率提高，但因溶液中的雜質(zhì)離子同時(shí)也更易參與反應(yīng)，使產(chǎn)品純度降低。

2.3 機(jī)制分析

氯化鋁溶液酸分析出氯化鋁時(shí)，發(fā)生溶解平衡反應(yīng)

(6)

溶解平衡時(shí)，溶液中各離子濃度滿(mǎn)足溶解度平衡公式

Ksp=α(Al3+)·α3(Cl-)·α6(H2O)=

c(Al3+)·γ(Al3+)·c3(Cl-)·γ(Cl-)·α6(H2O)。

(7)

式中：Ksp為氯化鋁溶度積；α(Al3+)、α(Cl-)、α(H2O)為溶液中Al3+、Cl-、H2O有效濃度，mol/L；c(Al3+)、c(Cl-)為溶液中Al3+、Cl-濃度，mol/L；γ(Al3+)、γ(Cl-)為溶液中Al3+、Cl-的活度系數(shù)。

通入HCl氣體后，AlCl3溶液中Cl-濃度增大,根據(jù)同離子效應(yīng)，反應(yīng)(6)向左移動(dòng)；相同條件下，平衡常數(shù)Ksp不變，由式(7)可知，Cl-濃度增大使Al3+濃度減小，即AlCl3·6H2O溶解度降低，易于結(jié)晶析出。雜質(zhì)溶解度隨Cl-濃度增大而減小并析出。

靜置時(shí)間延長(zhǎng)可使雜質(zhì)吸附在氯化鋁晶體表面而降低產(chǎn)品純度。XRD分析結(jié)果表明，Cl-濃度增大及反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)可使FeClO、CaCl2·4H2O、MgCl2·2H2O等雜質(zhì)結(jié)晶或吸附在氯化鋁晶體表面，降低氯化鋁純度。增大HCl氣體通入量或減緩HCl通入速率，溶液中Cl-濃度增大，HCl濃度趨近飽和，AlCl3·6H2O結(jié)晶析出。Cl-濃度降低對(duì)氯化鋁結(jié)晶率下降影響最大。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，溫度升高對(duì)AlCl3·6H2O溶解度影響不大，但會(huì)使HCl氣體溶解度和利用率下降，從而降低氯化鋁結(jié)晶率。靜置時(shí)間延長(zhǎng)2 h后出現(xiàn)微弱的反溶現(xiàn)象，但對(duì)結(jié)晶氯化鋁純度影響不大。

3 結(jié)論

采用酸分法結(jié)晶析出氯化鋁是可行的。HCl通入速率和通入量對(duì)氯化鋁結(jié)晶率影響較大，適宜條件下，氯化鋁平均結(jié)晶率為90.25%，純度為98.68%，含少量CaCl2·4H2O、MgCl2·2H2O、FeClO雜質(zhì)。

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Crystallization of Aluminum Chloride From Hydrochloric Acid Leaching Solution of Fly Ash

XIE Zhenshan1,2,LI Junqi1,2,CHEN Chaoyi1,2,XU Benjun1,2,WU Yumin1,2

(1.CollegeofMaterialsandMetallurgy，GuizhouUniversity，Guiyang550025,China;2.GuizhouProvinceKeyLaboratoryofMetallurgicalEngineeringandProcessEnergySaving,Guiyang550025,China)

Crystallization of AlCl3·6H2O from purified hydrochloric acid leaching solution of fly ash by bubbled into hydrogen chloride gas was researched.The results show that the order of influencing factors on crystallization of aluminum chloride is HCl gas aeration rate>HCl gas amount of inlet aeration>crystallization temperature>standing time.The reducing HCl gas aeration rate and increasing amount of inlet aeration are favorable for crystallization of AlCl3·6H2O.Low aeration rate is more conducive to crystallize AlCl3·6H2O.HCl gas may reverse flow when it aeration rate is less than 45 mL/min，but AlCl3·6H2O crystal may re-dissolute when HCl gas aeration rate is greater than 45 mL/min.Under the conditions of HCl gas amount of inlet aeration of 24.27 L，aeration rate of 45 mL/min，standing time of 3 h and crystallization temperature of 20 ℃,the crystallization rate of AlCl3·6H2O is 90.25%,its purity is 98.7% with minor impurities CaCl2·4H2O，MgCl2·2H2O and FeClO.

fly ash；acid leaching;crystallization of aluminum chloride；same ion effect；process；optimization.

2017-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474079，51574095，51664005)；貴州冶金資源綜合利用工程研究中心項(xiàng)目(黔教合KY字(2015)334號(hào))；高硫鋁土礦一步脫硫及硫?qū)υO(shè)備材質(zhì)的腐蝕研究項(xiàng)目(黔科合LH字[2014]7609)。

謝振山(1993-)，男，湖南衡東人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橘Y源綜合利用。

李軍旗(1962-)，男，江西安福人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橘Y源綜合利用。E-mail：jyli@gzu.edu.cn。

TF803.2

A

1009-2617(2017)04-0316-04

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.04.015