正交試驗法對粉煤灰除雜質預處理的研究

吳連鳳，王明華，凌江華，張曉艷，翟玉春

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

正交試驗法對粉煤灰除雜質預處理的研究

吳連鳳，王明華，凌江華，張曉艷，翟玉春

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

粉煤灰是一種工業廢渣，其中的主要成分SiO2和Al2O3是構成分子篩的主要物質，使用粉煤灰制備分子篩可以降低環境污染和生產成本.為了保證制備出的分子篩的純度，要對粉煤灰進行除雜質預處理.本文在用鹽酸浸取粉煤灰中鈣鐵等雜質的同時盡量減少Al2O3的損失.通過正交試驗的方法，選取溫度、時間、鹽酸濃度為實驗因素.經實驗研究得到，在65℃，3 h，3 mol/L的條件下效果最好，可使CaO、Fe2O3、SO3的質量分數分別降到1.72%、2.04%和0.18%，同時Al2O3損失量少，n(SiO2)/n(Al2O3)比實驗前增加了0.47.

粉煤灰;鹽酸;除雜質

粉煤灰是燃煤熱發電廠和集中供熱的鍋爐煤粉燃燒后形成的一種工業廢渣，其礦物組成復雜，包括無定形態和結晶相兩種［1］，主要成分是SiO2和Al2O3，同時含有一些Fe2O3、MgO、CaO、SO3等雜質.無定形態主要是鋁硅玻璃體及未燃盡的細小炭粒，占粉煤灰總量的50% ～80%，主要是SiO2和Al2O3形成的固熔體，大多數形成空心微珠.結晶相包括石英、莫來石、鈣長石、磁鐵礦、黃鐵礦等，且粉煤灰中的結晶相通常被玻璃相包裹［2］.

生產分子篩一般采用堿、硅鋁酸鈉鹽合成，原材料價格較貴.而粉煤灰中的主要成分SiO2和Al2O3恰好是合成分子篩的主要原料［3］.用粉煤灰合成分子篩的研究，從Holler和Wrisching［4］開始至今已有20多年的歷史，科學研究者從前期處理到工藝技術不斷改進.在粉煤灰的除雜質處理上，已有采用物理磁性除鐵、化學酸浸［5］、高溫焙燒等方法.本文根據所用粉煤灰高鈣的特點，從除鐵鈣的角度對粉煤灰進行預處理的研究，采用物理與化學結合的方法除雜質，取得較滿意的結果.

1 實驗原料與方法

1.1 實驗原料

粉煤灰取自某發電廠，主要化學成分見表1，此粉煤灰中的硅鋁含量都較高，若將鈣鐵雜質除去，將有較高綜合利用價值.鹽酸采用分析純，實驗室自行稀釋配制，實驗用水為去離子水.

表1 粉煤灰的化學成分(質量分數)Table 1 Composition mass fraction of the fly ash %

1.2 實驗方法

粉煤灰經研磨至粒徑0.05 mm篩選后，充分與水混合，用磁選機磁選除鐵后，過濾得到濾渣，烘干.再將處理過的粉煤灰進行酸浸除鐵鈣等雜質，采用正交試驗方法，選取時間，溫度，鹽酸濃度為3個因素進行試驗，選取一組空白列，選擇四因素三水平的正交表設計實驗.實驗中將粉煤灰與鹽酸按比例放入燒杯中密封，在磁力攪拌器上攪拌加速反應.反應結束后取出過濾，濾餅洗至中性，烘干研磨成粉末，利用XRF分析渣中元素含量.由于鹽酸本身易揮發，在反應溫度和鹽酸濃度的選擇中，都不宜過高.

2 結果與討論

本文通過四因素三水平(如表2所示)測定處理后的粉煤灰中元素含量，由于考慮交互作用，選取一組空列.實驗發現反應時間和反應溫度影響較大，且因素之間存在交互作用，綜合考察選擇A3B1C3組合較合適，即溫度為65℃，時間3 h，鹽酸濃度3 mol/L.

表2 正交試驗設計表Table 2 orthogonal experimental design table

表2 正交試驗設計表Table 2 orthogonal experimental design table

平123 A反應溫度因素 水/℃ 25 45 65 B反應時間/h 3 5 7 C鹽酸濃度/(mol·L－1)123

2.1 反應溫度、時間及鹽酸濃度對CaO含量的影響

粉煤灰預處理反應過程中，反應的時間、溫度及鹽酸濃度都對CaO含量有一定的影響，表3是對其影響的實驗結果分析.

表3中Ki表示任一列上水平數為i的實驗結果之和，ki表示任一列上水平數為i的實驗結果平均值.從表3的實驗結果分析中可以看出，正交試驗中空列的極差最大，這說明在除鈣的三因素中可能存在著交互作用.除去空列的影響，各因素從主到次的順序為A(溫度)，B(時間)，C(濃度).從表中鈣含量可看出，酸浸對鈣的除去有很明顯的效果，因為粉煤灰中鈣的主要存在形式是CaO，其中的游離CaO與鹽酸反應生成CaCl2可溶物，通過過濾除掉大部分.

表3 CaO含量(質量分數)實驗結果分析Table 3 CaO mass fraction from analysis of experimental results %

圖1 CaO含量(質量分數)趨勢圖Fig.1 The trend graph of CaO content

2.2 反應溫度、時間及鹽酸濃度對Fe2O3含量的影響

粉煤灰預處理反應過程中，反應的時間、溫度及鹽酸濃度都對Fe2O3含量有一定的影響，表4是實驗結果分析.

表4 Fe2O3含量(質量分數)實驗結果分析Table 4 Fe2O3mass fraction from analysis of experimental results %

表4中Ki表示任一列上水平數為i的實驗結果之和，ki表示任一列上水平數為i的實驗結果平均值.

圖2 Fe2O3含量(質量分數)趨勢圖Fig.2 The trend graph for content of Fe2O3

從表4的實驗結果分析中可以看出，正交試驗中空列的極差最大，這說明以上3個因素可能存在交互作用.從表4和圖2中可以看出，各因素從主到次的順序為C(濃度)，A(溫度)，B(時間).粉煤灰中鐵主要存在于結晶相中，以Fe2O3的形式存在，在酸性環境下與鹽酸反應生成FeCl3.FeCl3是強酸弱堿鹽，在水溶液中會發生水解反應:

Fe(OH)3是難溶物質，過濾時存在于濾渣中，影響整體的除鐵效果.因此，在過濾過程中應該先在弱酸性的條件下洗滌，用弱酸將FeCl3和CaCl2洗凈后，再用蒸餾水洗滌濾渣至中性.在實驗過程中，洗滌是很重要的過程，否則會有很多雜質殘留在濾餅中，對處理后的灰中的 CaO和Fe2O3含量也會有影響.

2.3 反應溫度、時間及鹽酸濃度對Al2O3含量的影響

粉煤灰的活性主要來自活性SiO2(玻璃體SiO2)和活性Al2O3(玻璃體Al2O3)，在一定堿性條件下的水化作用［6］.Al2O3是兩性氧化物，灰中的游離Al2O3會與鹽酸反應，在除去鈣鐵雜質的同時也會除去一部分Al2O3，為保證粉煤灰的活性盡量大，因此要控制Al2O3的含量損失盡量少.實驗結果見表5，表5中Ki表示任一列上水平數為i的實驗結果之和，ki表示任一列上水平數為i的實驗結果平均值.

從實驗結果分析可以看出，各因素從主到次的順序為A(溫度)，B(時間)，C(濃度).在酸性環境下，Al2O3的含量有所損失，但損失不多，大部分剩余在灰中，n(SiO2)/n(Al2O3)比實驗前增加了0.47.這可能是因為Al2O3主要存在于玻璃相中，在粉煤燃燒的過程中，由于CO、CO2、SO2和水蒸氣的存在，在玻璃化過程中，這些顆粒可能與這些氣體發生二次反應，使得硅鋁酸鹽發生聚合和解聚.由于條件不同，玻璃相的性質有很大的區別，玻璃相中的Al2O3不似游離的Al2O3可以很容易的與鹽酸反應，因此會有大量剩余.但是隨條件的變化，Al2O3損失量不同，因此，在選擇最佳方案時，不僅要考慮除雜效果，還要綜合考量Al2O3的剩余量.

表5 Al2O3含量(質量分數)實驗結果分析Table 5 Al2O3mass fraction from analysis of experimental results %

圖3 Al2O3含量(質量分數)趨勢圖Fig.3 The trend graph for content of Al2O3

2.4 反應溫度、時間及鹽酸濃度對SO3含量的影響

實驗用粉煤灰有高鈣高硫的特點，在實驗處理鈣鐵的同時也將SO3除去大部分，實驗結果分析見表6和趨勢圖4，表6中Ki表示任一列上水平數為i的實驗結果之和，ki表示任一列上水平數為i的實驗結果平均值.

表6 SO3含量(質量分數)實驗結果分析Table 6 SO3mass fraction from analysis of experimental results %

圖4 SO3含量(質量分數)趨勢圖Fig.4 The trend graph for content of SO3

從實驗結果分析可以看出，各因素從主到次的順序為B(時間)，A(溫度)，C(濃度).粉煤灰中的硫通常以硫酸鹽或者硫化物的形式存在.當以硫酸鹽的形式存在時，例如 CaSO4，Na2SO4，K2SO4等，鈉鹽鉀鹽是可溶物，可溶解于水中;硫酸鈣微溶于水，但是在酸中有一定的溶解度，且隨溫度升高溶解度增加，因此在酸浸的情況下部分硫酸鹽可溶于酸中而被除去.當硫以硫化物的形式存在時，硫化物會與鹽酸反應生成氯化物溶解在酸中.因此，酸浸還可以將雜質硫除去.硫元素對粉煤灰后期應用的影響不大，而且本實驗重點除鈣鐵雜質，因此對硫的影響因素只作參考，不作重點考慮.

2.5 綜合的優化方案

因素A:對于前兩個和最后一個指標都是取A3好，而且對于Al2O3含量，A因素是最主要的因素，在確定水平時應重點考慮;對于Al2O3含量從趨勢圖可以看出A取A1，A3時Al2O3含量相差不大，而在CaO含量的趨勢圖中看出A1與A2和A3的相差較大，所以根據多數傾向和A因素對不同指標的重要程度，選取A3.

因素B:在3個因素中，B因素都屬于次要因素，在前兩個指標中都是取B3好，對于Al2O3含量和SO3含量取B1好，而Al2O3含量中的B1與B3相差較多，在CaO含量和Fe2O3含量兩個因素中B1與B3相差不多，也本著降低消耗的原則，選取B1.

因素C:對于前兩個指標都是取C3好，而對于Al2O3含量，C因素的極差最小，也就是影響最小，從趨勢圖看相差不大，所以選取C3.

綜合上述的分析，優化方案為A3B1C3，即溫度為65℃，時間為2 h，鹽酸濃度為3 mol/L，采用此方案除雜后各成分如表7所示.

表7 除雜質后粉煤灰的化學成分(質量分數)Table 7 Composition of the fly ash after impurity remotion(mass fraction) %

3 結論

(1)粉煤灰的物理除雜法，只能利用鐵的磁性性質除去一部分鐵，并不能將鈣鎂等其他金屬除去.

(2)由于CaO和Fe2O3的空白列的極差最大，因此三因素中存在著不可忽略的交互作用.

(3)鹽酸酸浸的方法可以很好的除掉鈣鐵等金屬雜質，且較佳方案為65℃，3 h，3 mol/L，除雜質后w(CaO)為1.72%，w(Fe2O3)為2.04%，w(Al2O3)為33.07%，w(SO3)為0.18%.

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(Li Chuantong，HERBELL J－D.Modern solidwast comprehensive treatmenttechnology ［M］. Nanjing: Southeast university press，2008:347－348.)

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(Deng Yinsheng，Xing Xueling，Xu Fengzhang，et al.Coal solid waste utilization and disposal［M］.Beijing:Science publishing house of chinese enviroment，2008:30－32.)

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Study on removing impurity of fly ash by orthogonal test

Wu Lianfeng，Wang Minghua，Ling Jianghua，Zhang Xiaoyan，Zhai Yuchun

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Fly ash is a kind of industrial waste.The main ingredients are silica and alumina，and they are the main substance that forms molecular sieve.In order to ensure the purity of molecular sieve，the impurities of fly ash were removed by hydrochloric acid leaching.This paper selected temperature，time and hydrochloric acid concentration as experimental factors through orthogonal test.The optimized factors are 65℃，3 h，3 mol/L by experience.The calcium and iron were removed 1.72%and 2.04%respectively，and at the same time alumina loss was little，n(SiO2)/n(Al2O3)increasedly by 0.47 than before.

fly ash;hydrochloric acid;removing impurity

TQ 536.4

A

1671-6620(2013)01-0058-04

2012-11-05.

國家自然科學基金資助項目 (51074205).

吳連鳳 (1987—)，女，東北大學碩士研究生，E－mail:wuxiaodexiangzi@163.com;翟玉春 (1946—)，男，東北大學教授，博士生導師.