林偉，王培根，王震，李廣學(xué)，王安順，黃珍麗，施建林，董安周，段艷文（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001）

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粉煤灰焙燒-酸浸提取氧化鋁工藝

林偉，王培根，王震，李廣學(xué)，王安順，黃珍麗，施建林，董安周，段艷文
（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001）

摘要：采用酸浸法提取淮南某電廠粉煤灰中的Al2O3，通過單因素實(shí)驗(yàn)研究了Na2CO3混合焙燒活化工藝和H2SO4酸浸工藝中的各種因素對Al2O3浸出率的影響，確定了工藝最佳條件：焙燒灰堿比為1∶0.9，焙燒時間為2h，焙燒溫度為875℃；酸浸H2SO4濃度為3mol/L，酸浸溫度為90℃，酸浸時間為2h，液固比為4∶1，Al2O3浸出率可達(dá)95％。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；酸浸法；最佳條件

粉煤灰是燃煤電廠最主要的固體廢棄物，隨著燃煤發(fā)電量的持續(xù)增長，其排放量也急劇增加，已成為當(dāng)前世界上排放量最大的工業(yè)廢物之一[1-2]。大量粉煤灰堆積會帶來許多社會和環(huán)境問題，如占用土地，污染空氣、水源和土壤[3-5]。

目前國內(nèi)粉煤灰主要用于制磚、礦井填筑及制備水泥混凝土等方面[6-11]，利用價值低，無法實(shí)現(xiàn)粉煤灰的高附加值利用。粉煤灰中含有豐富的可提取物質(zhì)，如Al2O3、SiO2、Fe2O3及Ga、Ge、In等稀散金屬，其中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％～40％，可以作為很好的Al2O3資源。目前國內(nèi)外研究的Al2O3的提取方法有酸法[12]、堿法[13]、酸堿法[14]、硫酸銨燒結(jié)法[15]、石灰石燒結(jié)法[16]等。如果優(yōu)化提取工藝，從而提高Al2O3的浸出率，則可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料及試劑

粉煤灰樣品取自淮南某電廠，化學(xué)成分如表1所示。濃硫酸、碳酸鈉、乙二胺四乙酸（EDTA）、氨水、硝酸、百里酚藍(lán)、二甲基橙、氯化鋅、乙酸、乙酸鈉、去離子水，均為分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

取干燥后的粉煤灰進(jìn)行機(jī)械研磨，然后與磨細(xì)并過200目篩的Na2CO3混合均勻，放入馬弗爐中加熱至一定溫度并恒溫一段時間。燒結(jié)熟料冷卻并在研缽中磨細(xì)后，在三口燒瓶中與不同濃度H2SO4按不同比例混合攪拌浸出一定時間。抽濾后將濾渣水洗，再次抽濾分離。將濾液混合冷卻，得硫酸鋁粗液，采用EDTA絡(luò)合滴定法[17]分析其中Al2O3的含量，通過結(jié)晶、重結(jié)晶得到硫酸鋁晶體，進(jìn)而分解得到Al2O3。

2　結(jié)果與討論

2.1焙燒工藝

焙燒實(shí)驗(yàn)后，選擇H2SO4濃度為3mol/L，酸浸溫度為90℃，酸浸時間為2h，液固比為4∶1等酸浸條件，考查灰堿比、焙燒時間和焙燒溫度對Al2O3浸出率的影響。

2.1.1灰堿比

實(shí)驗(yàn)采用灰堿比（粉煤灰與Na2CO3的質(zhì)量比）為1∶0.8、1∶0.85、1∶0.9、1∶0.95、1∶1，焙燒時間為2h，焙燒溫度為875℃，得到不同灰堿比下Al2O3浸出率，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，Al2O3的浸出率隨著灰堿比的升高而增加，當(dāng)灰堿比達(dá)到1∶0.9后，Al2O3的浸出率基本維持平穩(wěn)。表明當(dāng)灰堿比達(dá)到1∶0.9時，粉煤灰中的莫來石和石英與Na2CO3反應(yīng)完全。因此，灰堿比選擇1∶0.9。

2.1.2焙燒時間

實(shí)驗(yàn)采用灰堿比為1∶0.9，焙燒時間為0.5、1、1.5、2、2.5h，焙燒溫度為875℃，得到不同焙燒時間下Al2O3浸出率的變化結(jié)果見圖2。

由圖2可知，焙燒時間在2h以內(nèi)，Al2O3浸出率逐漸增加，2h以后浸出率出現(xiàn)降低趨勢。說明粉煤灰中莫來石在高溫下反應(yīng)活性更強(qiáng)，與Na2CO3優(yōu)先反應(yīng)。而隨著時間繼續(xù)增加，石英繼續(xù)反應(yīng)，造成酸解中生成更多的硅酸吸附鋁離子共沉[18]。因此，焙燒時間選擇2h。

2.1.3焙燒溫度

將粉煤灰與Na2CO3按1∶0.9的比例混合均勻，對混合樣品進(jìn)行TG- DTA分析，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，混合樣品在溫度達(dá)到500℃左右時，失水后樣品開始緩慢失重，并伴隨著吸熱，這是因?yàn)榉勖夯抑蟹蔷B(tài)Al2O3和SiO2與Na2CO3開始反應(yīng)。當(dāng)溫度達(dá)到800℃時，莫來石開始參與反應(yīng)，其反應(yīng)較為劇烈，因此失重加快，并出現(xiàn)較為明顯的吸熱峰。由于混合樣品易于團(tuán)聚，且Na2CO3分解較為劇烈，因此對DTA曲線擾動較大。TG曲線在875℃之后趨于平緩，說明反應(yīng)基本結(jié)束。因此焙燒溫度選擇800℃～900℃。

實(shí)驗(yàn)采用灰堿比為1∶0.9，焙燒時間為2h，焙燒溫度為800℃、825℃、850℃、875℃、900℃，得到不同焙燒溫度下Al2O3浸出率的變化結(jié)果見圖4。

由圖4可知，當(dāng)溫度升高至875℃并繼續(xù)升溫后，Al2O3浸出率增加趨勢已不再明顯。由于莫來石比石英需要更高的活化溫度，高溫下莫來石優(yōu)先反應(yīng)使得Al2O3浸出率增加。繼續(xù)升溫使得殘留的少量莫來石得到活化，但考慮成本，焙燒溫度選擇875℃。

2.1.4燒結(jié)熟料的表征

圖5右為灰堿比為1∶0.9時，混合物料在875℃下焙燒2h后燒結(jié)熟料的XRD圖，對比原料粉煤灰的XRD圖（圖5左）可知，燒結(jié)熟料中15°～30°間無明顯“饅頭峰”，石英峰基本消失；同時基本無莫來石峰和Na2CO3峰，說明粉煤灰中的硅鋁大部分以霞石相形式存在，且Na2CO3沒有過量。

2.2H2SO4酸浸工藝

H2SO4酸浸實(shí)驗(yàn)時，選擇灰堿比1∶0.9，焙燒時間為2h，焙燒溫度為875℃，考查H2SO4濃度、酸浸溫度、酸浸時間和液固比對Al2O3浸出率的影響。

2.2.1H2SO4濃度的影響

燒結(jié)熟料與濃度為1、2、3、4、5、6mol/L的H2SO4在酸浸溫度為90℃，液固比為4∶1的條件下恒溫酸浸2h，得到不同H2SO4濃度下Al2O3浸出率的變化結(jié)果見圖6。

由圖6可知，當(dāng)H2SO4的濃度高于2～3mol/L時，Al2O3浸出率的增加已經(jīng)不再明顯，當(dāng)濃度超過5mol/L時，浸出率反而開始降低。這可能是由于當(dāng)H2SO4濃度過高時，酸與燒結(jié)熟料反應(yīng)生成的硅酸容易聚合，在溶液體系中吸附其它物質(zhì)，從而影響硅鋁分離效果，造成浸出率降低。因此，H2SO4濃度選擇3mol/L為宜。

2.2.2酸浸時間的影響

燒結(jié)熟料與3mol/L的H2SO4在酸浸溫度為90℃，液固比為4∶1的條件下恒溫酸浸1、1.5、2、2.5、3h，得到不同酸浸時間下Al2O3浸出率的變化結(jié)果見圖7。

由圖7可知，Al2O3浸出率隨酸浸時間的增加而增大，當(dāng)酸浸時間達(dá)到2h時，Al2O3浸出率為92.4％。繼續(xù)增加酸浸時間，反應(yīng)逐漸完全，H2SO4濃度降低，Al2O3的浸出率基本維持穩(wěn)定，同時也會增加能耗。因此，Al2O3酸浸時間選擇2h為宜。

2.2.3酸浸溫度的影響

燒結(jié)熟料與3mol/L的H2SO4在液固比為4∶1的條件下，以酸浸溫度為60℃、70℃、80℃、90℃、100℃恒溫酸浸2h，得到不同酸浸溫度下Al2O3浸出率的變化結(jié)果見圖8。

由圖8可知，在90℃內(nèi)Al2O3浸出率隨酸浸溫度的增加而增大。在80℃～90℃之間Al2O3的浸出率達(dá)到最高。但當(dāng)酸浸溫度達(dá)到100℃時，由于水分開始加速蒸發(fā)，H2SO4濃度增高，導(dǎo)致液固體系粘度升高，傳質(zhì)效率減弱，且難以攪拌，進(jìn)而使Al2O3的浸出率降低。因此，酸浸溫度選擇90℃較為合適。

2.2.4液固比的影響

燒結(jié)熟料與3mol/L的H2SO4在液固比為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1的條件下，在90℃下恒溫酸浸，得到不同液固比下Al2O3浸出率的變化結(jié)果見圖9。

由圖9可知，當(dāng)液固比達(dá)到4∶1時，Al2O3的浸出率已基本達(dá)到最大。這是因?yàn)楫?dāng)液固比越小，固液混合物的粘度越高，在浸出界面溶液已經(jīng)趨于飽和，因此對酸浸反應(yīng)的進(jìn)行起到了阻礙作用。但傳質(zhì)速率會隨著液固比的增大而得到改善，溶質(zhì)固液界面處向外擴(kuò)散的速率得到提高。繼續(xù)增加液固比已無法提高固液界面飽和度，從而Al2O3浸出率基本維持平穩(wěn)。因此，液固比選擇4∶1為宜。

3　結(jié)論

（1）采用Na2CO3焙燒活化可有效破壞粉煤灰中的莫來石、玻璃體結(jié)構(gòu)，使粉煤灰得到完全活化。并得到最佳工藝參數(shù)為：灰堿比為1∶0.9，煅燒時間為2h，煅燒溫度為875℃。

（2）采用H2SO4酸浸的最佳工藝參數(shù)為：H2SO4濃度3mol/L，酸浸溫度90℃，酸浸時間2h，液固比為4∶1，Al2O3浸出率可達(dá)95％。

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Process of Coal Fly Ash Roasting and Acid Leaching

LIN Wei，WANG Pei-gen，WANG Zhen，LI Guang-xue，WANG An-shun，HUANG Zhen-li，SHI Jian-lin，DONG An-zhou，DUAN Yan-wen
（School of Chemical Engineering，Anhui Universityof Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract:Al2O3was extraced from fly ash of Huainan power plant by acid leaching method. Through single factor experiment to study the effect of Na2CO3mixed roasting activation process and H2SO4acid leaching of various factors on the leaching rate of Al2O3. The optimum condition of the process were determined: the gray base ratio is 1∶0.9，the calcination time is 2h，the calcination temperature is 875℃. The concentration of H2SO4is 3mol/L，the acid leaching temperature is 90℃，the acid leachingtime is 2h，the liquid tosolid ratiois 4∶1，the Al2O3dissolution rate can reach 95％.

Key words:flyash；acid leachingmethod；optimumcondition

作者簡介：林偉（1990-），女，畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，在讀研究生，研究方向：粉煤灰提取氧化鋁和白炭黑、粉煤灰制備分子篩，15855439209，425223199@qq.com；通訊聯(lián)系人：李廣學(xué)（1966-），男，博士，教授，研究方向：精細(xì)化工，18905543213，gxli@aust.edu.cn。

收稿日期：2015- 11- 23

中圖分類號：TQ110.7+

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008- 553X（2016）02- 0026- 04

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.008