活化－酸浸法提取粉煤灰中氧化鋁的溶出規律研究

孫秀君

（唐山學院 環境與化學工程系，河北 唐山063000）

粉煤灰又稱飛灰，是燃煤電廠產生的一種工業廢棄物。目前，粉煤灰主要應用在建材［1］、建筑、交通和土壤改良等方面，只有少部分用于環保［2］和化工［3－4］工業。這些對粉煤灰的利用屬于低附加值的利用。粉煤灰中富含二氧化硅（SiO2）和氧化鋁（Al2O3），其中 Al2O3含量可以達到30%～40%，將粉煤灰中的Al2O3加以回收利用，可代替鋁土礦成為一種很好的氧化鋁資源［5］。國內外從粉煤灰中提取氧化鋁的工藝主要有活化燒結法和酸浸取法［6－7］。本文擬應用活化－酸浸法從粉煤灰中提取Al2O3，對其溶出規律進行研究。

1 樣品及實驗方法

1．1 藥劑、樣品及儀器

藥劑：碳 酸 鈉 （Na2CO3）、碳 酸 鉀 （K2CO3）和 硫 酸（H2SO4）均為分析純。

實驗所用樣品為內蒙古某燃煤電廠粉煤灰，粉煤灰樣品屬于高鋁低鈣粉煤灰，活性較小。其化學組成見表1。

表1 高鋁粉煤灰樣品的化學成分分析結果 %

主要儀器：SX2－2．5－10馬弗爐、DHG－9070A電熱恒溫鼓風干燥箱、722型可見光光度計、PHS－25精密數顯酸度計、Mettler AE／100分析天平、HH－4型數顯恒溫水浴鍋、SHB－3型循環水真空泵。

1．2 實驗原理

1．2．1 煅燒活化工藝

Na2CO3與K2CO3按比例1∶1混合，其主要反應為：

Na2CO3→Na2O＋CO2↑，K2CO3→K2O＋CO2↑；

Na2O＋SiO2→Na2SiO3，K2O＋SiO2→K2SiO3；

3Na2O＋4SiO2＋3Al2O3·2SiO2→3（Na2O·Al2O3·2SiO2）；

3K2O＋4SiO2＋3Al2O3·2SiO2→3（K2O·Al2O3·2SiO2）。

1．2．2 酸溶出工藝

選用H2SO4為活性鋁鹽的溶出劑，在一定溫度下溶出鋁鹽，使活化后粉煤灰中的Al2O3以液相形式溶出。主要反應為：

1．3 分析方法

粉煤灰中各成分的測定采用GBT1574－2007煤灰成分分析方法。

2 實驗結果及分析

2．1 煅燒活化溫度對Al2 O3溶出率的影響

實驗條件：Na2CO3與K2CO3混合物∶粉煤灰＝2∶1，H2SO4濃度為0．6 mol／L，保溫時間為45 min，水浴溫度為80℃。

采用5個煅燒活化溫度水平進行實驗，所得的Al2O3溶出率結果見圖1。

圖1 Al2 O3溶出率隨活化溫度的變化情況

由圖1可知，Al2O3溶出率在一定溫度范圍內隨著煅燒活化溫度的升高而增大。但煅燒活化溫度為750℃時Al2O3溶出率達到最大，超過750℃后Al2O3溶出率會有所下降，這是因為溫度過高會發生燒結反應，影響粉煤灰的活化，所以最佳活化溫度為750℃，此時Al2O3溶出率為96．22%。

2．2 Na2 CO3和K2 CO3混合物與粉煤灰的比例對Al2 O3溶出率的影響

實驗條件：煅燒活化溫度750℃，硫酸濃度為0．6 mol／L，保溫時間為45 min，水浴溫度為80℃。

采用6種不同的Na2CO3和K2CO3混合物與粉煤灰的比例進行水平實驗，所得的Al2O3溶出率結果見圖2。

圖2 Al2 O3溶出率隨Na2 CO3／K2 CO3：粉煤灰的變化情況

由圖2可知，Al2O3溶出率隨著Na2CO3和K2CO3混合物與粉煤灰比例的增加先增大后減小，在比例為2∶1時達到最大，超過2∶1時Al2O3溶出率有所下降。這是因為隨著堿液濃度的增大使得粉煤灰的反應活性變大，反應比較充分，Al2O3溶出率逐漸變大，但當Na2CO3／K2CO3的含量進一步增大時，Al2O3引發二次沉淀生成水合硅鋁酸鈉，使得Al2O3溶出率有所降低，所以Na2CO3和K2CO3混合物與粉煤灰的比例選取2∶1。

2．3 保溫時間對Al2 O3溶出率的影響

實驗條件：煅燒活化溫度為750℃，Na2CO3和K2CO3與粉煤灰的比例為2∶1，H2SO4濃度為0．6 mol／L，水浴溫度為80℃。

馬弗爐內達到活化溫度后采用5種不同的保溫時間進行水平實驗，所得的Al2O3溶出率結果見圖3。

圖3 不同保溫時間對Al2 O3溶出率的影響

由圖3可知，Al2O3溶出率隨著保溫時間增長會有所提高，當保溫時間超過45 min時，Al2O3溶出率基本不再提高。這是因為隨著保溫時間的延長，體系中Al2O3溶出反應處于平衡，Al2O3的溶出與生成硅鋁酸鈉的量基本相當，所以Al2O3的溶出率不會隨著保溫時間的延長有明顯的增加。

2．4 H 2 SO4濃度對Al2 O3溶出率的影響

實驗條件：煅燒活化溫度750℃，Na2CO3和K2CO3與粉煤灰的比例為2∶1，達到活化溫度后保溫時間為45 min，水浴溫度為80℃。

采用5種不同的H2SO4濃度進行水平實驗，所得的Al2O3溶出率結果見圖4。

由圖4可知，Al2O3溶出率隨著H2SO4濃度的增大而逐漸增大，H2SO4濃度為0．6 mol／L時，Al2O3溶出率最大，當H2SO4濃度繼續增大時Al2O3溶出率變化不大。這是因為粉煤灰的活化主要發生在加堿煅燒階段，H2SO4濃度對于粉煤灰的活化作用不大。所以溶出劑H2SO4的最佳濃度為0．6 mol／L。

圖4 H2 SO4濃度對Al2 O3溶出率的影響

2．5 酸浸水浴溫度對Al2 O3溶出率的影響

實驗條件：煅燒活化溫度750℃，Na2CO3和K2CO3混合物與粉煤灰的比例為2∶1，達到活化溫度后保溫時間為45 min，H2SO4濃度為0．6 mol／L。

采用5種不同的酸浸水浴溫度進行水平實驗，所得的Al2O3溶出率結果見圖5。

圖5 酸浸水浴溫度對Al2 O3溶出率的影響

由圖5可知，酸浸水浴溫度為80℃時，Al2O3溶出率最大，當超過80℃時Al2O3溶出率增加變緩，本著節能環保的原則，選擇最佳水浴溫度為80℃，此時Al2O3溶出率為98．36%。

3 結論

（1）粉煤灰高附加值利用是當前粉煤灰資源化研究的新方向。

（2）采用活化－酸浸工藝對粉煤灰中的Al2O3溶出規律進行研究，得出最佳工藝條件為：熱處理溫度為750℃，Na2CO3和K2CO3混合物與粉煤灰的比例為2∶1，熱處理保溫時間為45 min，H2SO4濃度為0．6 mol／L，酸浸水浴溶出溫度為80℃，Al2O3的溶出率為98．36%。

（3）活化－酸浸法提取粉煤灰中的Al2O3為提高粉煤灰的附加值開辟了一條新的技術途徑，該方法技術理論成熟、工藝簡單易行、溶出率較高，具有較好的應用前景。

［1］ Blanco F，Gatcia M P，Ayala J．Variation in fly ash properties with milling and acid leaching［J］．Fuel，2005，84（1）：89－96．

［2］ 石磊．粉煤灰的綜合利用現狀與展望［J］．再生資源研究，2006（2）：41－44．

［3］ 劉云穎．粉煤灰提取氧化鋁研究現狀［J］．無機鹽工業，2007，39（10）：16－18．

［4］ 余超，方榮利．精細化利用粉煤灰制備超細氧化鋁［J］．無機鹽工業，2005，37（12）：47－49．

［5］ 孫秀君，舒新前．酸浸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律的研究［J］．無機鹽工業，2013，45（11）：44－46．

［6］ 趙俊梅，張金山，李小雪．粉煤灰硫酸化焙燒提取硫酸鋁的試驗研究［J］．輕金屬，2014（1）：14－16．

［7］ 李思瓊，陳杰．粉煤灰提氧化鋁工藝研究進展［J］．輕金屬，2013（11）：25－26．