林楨楠

（遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧 阜新123000）

煤炭在全世界的探明總儲量約1.0×1012t，是世界上儲量最豐富，分布最為廣泛的化石燃料。煤炭是世界各國，尤其是發(fā)展中國家電力產(chǎn)業(yè)的主要燃料。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對能源需求將持續(xù)增長，煤炭在火力發(fā)電行業(yè)中仍然占據(jù)著重要地位。據(jù)預測到2030 年我國能源消耗所占比例將達到44%。由于煤炭在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的固體廢棄物粉煤灰，因此，對粉煤灰進行系統(tǒng)研究與綜合利用，是關(guān)系環(huán)境保護與電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大問題[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仍存在以下問題：首先，對化學組成較為復雜的粉煤灰的再利用多未經(jīng)處理，直接利用，導致合成的產(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，從Fe3+浸出率的角度對活化后的粉煤灰進行酸浸研究，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 實驗部分

1.1 實驗原料

粉煤灰取自某發(fā)電廠，其組成見表1。

表1 粉煤灰的化學成分Tab.1 Components of ash coal

1.2 實驗方法

稱取一定量粉煤灰樣品研磨并過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間，過濾，利用鄰菲羅啉分光光度法和返回滴定法分別測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度、酸類型、酸浸反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對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，過濾，測定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，見圖1。

圖1 酸類型對鐵、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，當焙燒后粉煤灰及酸用量相同時，酸浸對于Fe3+的浸出率影響較大，HCl 對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)的進一步發(fā)生，導致Fe3+浸出率降低。

2.2 顆粒細度的影響

稱取焙燒后的粉煤灰研磨至一定程度后分別過40、60、80、100、120、140 目和16 篩，得到不同顆粒細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，過濾，測定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，結(jié)果見圖2。

圖2 顆粒細度對鐵、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，當顆粒細度在40～100 目時，F(xiàn)e3+和Al3+的浸出率都隨粒徑的減小而大幅度提高，當高于100 目時，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，當顆粒尺寸較大時，顆粒內(nèi)部難于被酸溶解，因而離子浸出率較低；而當顆粒尺寸很小時，顆粒細度對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，顆粒細度在120 目時為最佳條件。

2.3 酸濃度

稱取焙燒后的粉煤灰研磨后過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，過濾，測定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，結(jié)果見圖3。

圖3 酸濃度對鐵、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，而當酸濃度達到8mol·L-1時，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，焙燒產(chǎn)物還沒來得及與酸發(fā)生反應(yīng)就被SiO2顆粒包覆起來，阻止了反應(yīng)進行。因此，為了節(jié)約實驗成本，選擇鹽酸的濃度為6mol·L-1，此時Fe3+浸出率為82.16%，Al3+浸出率為75.34%。

2.4 反應(yīng)時間和溫度

稱取焙燒后的粉煤灰研磨后過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，過濾，測定濾液中Fe3+和Al3+的濃度，結(jié)果分別見圖4、5。

圖4 反應(yīng)溫度和時間對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)溫度和時間對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Fe3+浸出率最大，達到94.8%。然而，由圖5 所示，當反應(yīng)溫度在25～55℃時，溫度升高Al3+浸出率大幅提高；當反應(yīng)溫度高于70℃時，溫度對于Al3+浸出率影響較小，且當反應(yīng)時間大于60min 時，溫度對離子浸出率的影響極小，這是因為當溫度較高、反應(yīng)時間較長時，由于鹽酸易揮發(fā)導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，將焙燒后的粉煤灰研磨至顆粒細度為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，當反應(yīng)溫度為75℃，反應(yīng)時間120min 時Fe3+、Al3+浸出率可達到最佳條件，此時，F(xiàn)e3+浸出率為92.95%，Al3+浸出率為94.56%。

（3）將粉煤灰進行堿熔焙燒、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。

［1] 劉興德，牛福生，倪文.粉煤灰的資源化利用現(xiàn)狀及研究進展［J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2005，（1）：12-15.

［2] 蘇昊林.燒制CAS 系粉煤灰建筑微晶玻璃試驗研究［D].大連理工大學，2011.

［3] 易龍生，王浩，王鑫，彭杰.粉煤灰建材資源化的研究進展［J].硅酸鹽通報，2012,31（1）:88-91.

［4] Seidel A,Slusznv A,Shelef G,Zimmels Y.Variation in fly ash properties with milling and acid leaching［J].Fuel，2005,84（1）：89-96.

［5] 任俊英，董曄.粉煤灰在煤化工行業(yè)的應(yīng)用及資源化發(fā)展策略研究［J].煤炭技術(shù)，2013,32（11）:231-232.

［6] 姚哲，張再勇.大摻量粉煤灰制備環(huán)保水泥的試驗與探討［J].粉煤灰綜合利用，2011,（2）:30-36.

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