燒結(jié)—酸溶法從粉煤灰中溶出鋁試驗(yàn)研究

胡小龍，陳 煒，孫志娟，王 強(qiáng)

(內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 冶金與材料工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

燃煤電廠廢棄物粉煤灰具有較高利用價(jià)值[1-6]。近年來，從粉煤灰中提取氧化鋁得到廣泛研究，但主要集中在提取工藝的改進(jìn)方面，關(guān)于如何進(jìn)一步提高鋁溶出率的研究相對較少。目前從粉煤灰中提取氧化鋁的方法，按主要添加劑的酸堿性可分為酸法[7-8]、堿法[9-13]。酸法中較常用的是硫酸浸出法，但此法需引入了助熔劑NH4F，NH4F受熱很容易揮發(fā)分解或與其他物質(zhì)反應(yīng)生成氟化物，氟化物對人體健康有很大危害，且H2SO4的大量使用也導(dǎo)致此法難以產(chǎn)業(yè)化；堿法中的石灰石燒結(jié)法由于石灰石的使用量過大，會造成能耗過高，氧化鋁提取后成渣量過大。

粉煤灰中Al2O3和SiO2主要以難溶于酸和堿的復(fù)鹽3Al2O3·2SiO2形式存在，斷開Si—Al鍵[14]可提高鋁溶出率。對打開Si—Al鍵已有大量研究，用強(qiáng)堿溶解細(xì)灰打開Si—Al鍵[15]；用CaF作助熔劑鹽酸溶出氧化鋁[16]；用高溫焙燒鈣鹽作助熔劑溶出氧化鋁[17]。本試驗(yàn)研究了采用助熔燒結(jié)—酸溶法從粉煤灰中溶出鋁，以期最大限度溶出鋁、提高氧化鋁產(chǎn)量。

1 試驗(yàn)原料、試劑與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用粉煤灰粒度300目，化學(xué)元素分析結(jié)果見表1，物相組成分析結(jié)果如圖1所示。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)48.7%，SiO2、Fe2O3含量相對較低，屬于典型的高鋁低硅低鐵型粉煤灰。主要晶相礦物為莫來石和少量剛玉，玻璃相主要為非晶態(tài)SiO2。

表1 粉煤灰樣品的化學(xué)元素分析結(jié)果

圖1 粉煤灰樣品的XRD分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試劑

試驗(yàn)設(shè)備：馬弗爐，精度可達(dá)0.01 g的電子天平，銀坩堝，電熱板。

試驗(yàn)試劑：無水乙醇，氫氧化鈉，乙二胺四乙酸二鈉，乙酸銨，冰乙酸，亞硝基紅鹽，硫酸銅，均為分析純,市售；鹽酸，工業(yè)級。

2 試驗(yàn)原理與方法

2.1 試驗(yàn)原理

粉煤灰中Al2O3和SiO2主要以難溶于酸和堿的復(fù)鹽3Al2O3·2SiO2形式存在。高溫下，3Al2O3·2SiO2中的Si—Al鍵斷開，釋放其中的Al2O3和SiO2，與NaOH反應(yīng)生成易與酸反應(yīng)的硅酸鈉和偏鋁酸鈉。主要化學(xué)反應(yīng)式為

焙燒產(chǎn)物與鹽酸反應(yīng)可被溶解，化學(xué)反應(yīng)式為：

另外，工業(yè)上NaOH可循環(huán)利用，一般由脫硅產(chǎn)生的碳酸鈉母液加生石灰苛化實(shí)現(xiàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 粉煤灰焙燒

準(zhǔn)確稱取適量粉煤灰于銀坩堝中，加無水乙醇潤濕，加NaOH混勻后置于馬弗爐中，逐漸升溫至一定溫度，并保持一定時(shí)間后取出，冷卻。

2.2.2 粉煤灰溶解

取一定量焙燒過的粉煤灰與一定量熱水及濃鹽酸攪拌混合，反應(yīng)一定時(shí)間后過濾，分析濾液中鋁質(zhì)量濃度，計(jì)算鋁浸出率。

2.2.3 鋁的測定

試樣中的鋁依據(jù)參考文獻(xiàn)[18]測定。移取20 mL粉煤灰溶液于錐形瓶中，加入20 mL 0.035 mol/L EDTA溶液和20 mL乙酸-乙酸銨緩沖溶液，以水稀釋至100 mL，加熱煮沸3 min，冷卻至室溫。加2 mL 0.2%亞硝基紅鹽，以0.035 mol/L硫酸銅溶液進(jìn)行滴定，溶液由黃色經(jīng)翠綠突變?yōu)椴菥G色為終點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 助熔劑加入量對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入助溶劑NaOH，逐漸升溫至900 ℃并保持1 h，冷卻后用30 mL濃鹽酸溶解。NaOH加入量對鋁溶出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯弘SNaOH加入量增加，燒結(jié)后粉煤灰鋁溶出率提高；NaOH加入量增至5 g，即NaOH與粉煤灰質(zhì)量比為10/1時(shí)，鋁溶出率達(dá)最大。

圖2 NaOH加入量對鋁溶出率的影響

3.2 焙燒溫度對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，逐漸升溫并保持1 h，冷卻后用30 mL濃鹽酸溶解。焙燒溫度對鋁溶出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，隨溫度升高，鋁溶出率提高；溫度為300 ℃時(shí)，鋁溶出率達(dá)97.4%，溶出效果較好。

圖3 焙燒溫度對鋁溶出率的影響

3.3 焙燒時(shí)間對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，升溫至270 ℃并保持不同時(shí)間，之后冷卻，用30 mL濃鹽酸溶解。焙燒溫度對鋁溶出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 焙燒時(shí)間對鋁溶出率的影響

由圖4看出：焙燒時(shí)間對粉煤灰鋁溶出率影響較大；焙燒30 min，鋁溶出率達(dá)95.8%；再繼續(xù)焙燒，鋁溶出率變化不大。

3.4 鹽酸用量對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，逐漸升溫至270 ℃并保持30 min，冷卻后用濃鹽酸溶解。鹽酸用量對鋁溶出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，鹽酸用量對粉煤灰鋁溶出率影響很大：隨鹽酸用量增加，鋁溶出率提高；鹽酸用量為25 mL時(shí)，鋁溶出率達(dá)97.4%。

圖5 鹽酸用量對鋁溶出率的影響

4 結(jié)論

準(zhǔn)格爾煤礦粉煤灰為典型高鋁粉煤灰，可替代鋁礬土作為冶煉鋁的原料，與NaOH混合焙燒后用鹽酸浸出，可將其中的鋁轉(zhuǎn)入溶液。在NaOH與粉煤灰質(zhì)量比10/1、270 ℃下焙燒30 min后用濃鹽酸25 mL溶解，鋁溶出率達(dá)97%，溶出效果較好。