不同種類煤矸石活化后鋁浸取率的研究

劉鵬浩

摘 要：煤炭是人類不可或缺的珍貴資源，在采煤過程中，必然會產生大量的煤矸石。然而，未經處理的煤矸石不僅會造成資源的浪費，還會危害土地資源、周邊大氣、地下水資源和環境安全。對于傳統的煤矸石，有效的利用途徑是回收其中少量煤炭用于鍋爐和電廠，也可當作制造建筑材料等。研究發現，煤矸石中含有相當可觀的鋁、鐵、硅、鎂和鈣等珍貴元素，并且鋁、硅含量最為突出。鋁在煤矸石中主要以高度惰性的高嶺石存在，在普通條件下很難發生化學反應，因此，要想提取、利用煤矸石中的鋁，就必須經過活化。不同地區煤礦所產生的煤矸石組分差異很大，所以，不同種類的煤矸石中鋁含量也各不相同，鋁含量是否會對鋁的提取產生顯著的影響呢？實驗表明，采取活化方法時，鋁的提取率受煤矸石中鋁含量的影響不大，即提取率與煤矸石來源無關。

關鍵詞：煤矸石；活化；鋁含量；鋁提取率

中圖分類號：TD849.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.004

文章編號：2095-6835（2015）15-0004-03

1 國內外研究現狀和研究方向

煤矸石是煤炭生產中的副產品之一，目前，煤炭排矸量占采煤量的10%～25%，因此，解決煤矸石堆積如山的問題是勢在必行的。通過查找和參閱有關煤矸石利用的國內外文獻和研究報告發現，現階段，對煤矸石中鋁的提取和影響提取效率因素的研究著重于單次煅燒和酸浸提取。

因為天然的煤矸石不能直接提取利用，所以，必須活化煤矸石，使有序的晶體轉變為活性比較高的半晶質或非晶質。經過高溫處理后，煤矸石中的高嶺石結晶相可以分解為無定形物質，具有較高的化學反應活性。活化煤矸石有多種方法，但是，綜合成本和效率等幾個因素，確定高溫煅燒為最佳的活化方式。然而，煅燒活化會受到諸多因素的影響，比如煤矸石粉顆粒大小、煅燒量和所選煅燒儀器、煅燒溫度和煅燒時間等。煅燒后進行酸浸提取時，又會受到反應酸的選取、酸濃度、加酸量、反應時間和反應溫度等因素的影響。通過實驗選定適宜顆粒大小的煤矸石進行煅燒，取一定量的煅燒后的煤灰與一定量的酸在適宜溫度下反應一定時間，而后過濾可從濾液中測定出鋁含量，濾液中即為所提取的鋁。

2 煤矸石的活化

我國超過70%的煤矸石以高嶺石礦為主，未經活化處理的煤矸石晶格能較高、活性較低、直接利用率低。目前，國內外主要采用高溫熱活化和機械球磨活化的方法將煤矸石中的高嶺石從穩定態變為介穩態。雖然煤矸石的化學成分與黏土很相似，同屬于CaO-SiO2-Al2O3系統，但是，煤矸石結構中的Si-O鍵和Al-O鍵結合能很大，結晶程度很高，使得顆粒內部本來不多的可溶性SiO2、Al2O3很難溶出，而其活性也很難發揮出來。

煅燒煤矸石的主要目的有2個：①除碳。由于煤矸石是夾在煤層中的，所以，必然含有一定的碳，但是，碳對水有極強的吸附作用。因此，對于未自燃過的煤矸石，必須通過煅燒除去碳后才可以利用。在煅燒的過程中，應著重控制煤矸石的燒失量。②利用高溫下各微粒產生劇烈的熱運動，脫去礦物中的結合水，使鈣、鐵、鎂等陽離子重新選擇填隙位置，組織鋁氧三角體和硅氧四面體充分地聚合成長鏈，從而形成大量的自由端的斷裂點，形成熱力學不穩定狀態玻璃相結構，以達到活化的目的。

3 實驗部分

3.1 實驗材料和設備

3.1.1 原材料

該實驗以長治市潞安集團5個不同礦區的煤矸石樣品為研究材料，而這5個煤礦分別為常村煤礦①、王莊煤礦②、余吾煤礦（原屯留煤礦）③、郭莊煤礦④和漳村煤礦⑤。在實驗研究和結果分析的過程中，均以數字記號來表示各煤礦的煤矸石。

3.1.2 實驗儀器和設備

顎式破碎機、小型中藥粉碎機（500 g裝）、行星式球磨機（QM-3SP2）、80目篩；電爐（DRZ-12）、分析天平（精確到0.000 1 g）、鎳坩堝（30 mL）、表面皿、盛水盤；馬弗爐（SGM28）、100 mL坩堝、天平；調溫型電熱套（MH-1000）、四口燒瓶（250 mL）、電動攪拌器（JB50-D）、真空泵（SHZ-D）、滴定裝置、pH指示儀（pHS-P1）。

3.1.3 試劑

用到的試劑主要有：質量分數為95%的乙醇（GB 679—65），分析純；氫氧化鈉（GB 629—77），分析純；1∶1的鹽酸，物質的量濃度不低于8 mol/L的濃鹽酸；質量分數為1%的明膠熱溶液（70～80 ℃），現用現配；1∶1的氨水；質量分數為1%的磺基水楊酸；物質的量濃度為0.025 mol/L的EDTA標準溶液；物質的量濃度為0.010 0 mol/L的EDTA標準溶液；醋酸-醋酸鈉緩沖溶液；PAN指示劑（0.1%）；物質的量濃度為0.025 mol/L的硫酸銅標準溶液。

3.2 研究方法

3.2.1 樣品制備

在實驗準備階段，前往潞安集團下屬的幾個煤礦選煤廠進行煤矸石取樣，分別在生產線上取到了各個礦區的煤矸石樣品，在潞安集團采集到8種樣品，而實驗室原有5種煤矸石，所以，制樣共13種煤矸石樣品。

取采集到的煤矸石樣品500 g左右放于顎式破碎機中初步破碎，將煤矸石破碎為粒徑比較小的碎塊，但是，球磨的物料粒徑需達到3 mm以下。于是，將顎式破碎機中破碎過的物料放于小型中藥破碎機中進一步破碎，破碎結束后得到粒徑小于1 mm以下的物料。如此便將破碎后的物料置于行星式球磨機中進行球磨，球磨時間2 h以上，待球磨結束后，將物料過80目篩，選取篩下物料作為實驗用樣品。

3.2.2 原煤矸石鋁含量測定

該實驗測定了①②③④⑤5種煤矸石樣品的鋁含量，具體的測定步驟是：①準確稱取0.5 g試樣于潔凈的30 mL鎳坩堝中，用幾滴質量分數為95%的乙醇試樣潤濕，再加入4 g分析純氫氧化鈉，蓋上蓋后，將坩堝置于電爐上，熔融15～20 min鐘后取出坩堝。②放入裝有冷蒸餾水的盤中急冷，待坩堝涼后，取出坩堝，擦凈坩堝外壁平放于25 mL的燒杯中，加入1 mL質量分數為95%的乙醇和適量的沸水，蓋上表面皿，等劇烈反應停止后倒出浸出物，將其放置于25 mL的燒杯中，以少量1∶1的鹽酸和剛煮沸的熱蒸餾水交替沖洗表面皿、坩堝和坩堝蓋三四次，使熔融物完全浸出。③向聚集浸出液的250 mL燒杯中加入物質的量濃度不低于8 mol/L的濃鹽酸20 mL，搖勻后，將燒杯置于電熱板上，慢慢蒸成帶黃色鹽粒。然后取下稍冷，加入物質的量濃度為8 mol/L的濃鹽酸20 mL，蓋上表面皿，加熱到約80 ℃，加入質量分數為1%的動物膠熱溶液（70～80 ℃）10 mL，劇烈攪拌1 min，保溫10 min，以便讓硅酸充分凝聚。④取下待稍冷，加熱水約50 mL，攪拌，使鹽類充分溶解。之后立即用中速定量濾紙向250 mL容量瓶中過濾，將沉淀用熱水洗除，再用戴橡皮頭的玻璃棒擦凈杯壁和杯底，用熱水洗至無氯離子為止（用質量分數為1%的硝酸銀檢驗）。將濾液冷卻到室溫，用水稀釋到刻度，此溶液連同濾紙和過濾物來分析煤矸石的各組分。⑤得到的濾液用3.2.5中的滴定方法滴定，從而測定出其中的鋁含量。