粉煤灰鋁鐵分離實驗研究

肖景波，吳怡然，陳居玲，夏嬌彬

（1.南陽東方應用化工研究所，河南南陽473000；2.西安電子科技大學）

粉煤灰鋁鐵分離實驗研究

肖景波1，吳怡然2，陳居玲1，夏嬌彬1

（1.南陽東方應用化工研究所，河南南陽473000；2.西安電子科技大學）

粉煤灰中含有鋁、鐵等有價元素。在以濕法冶金工藝對其進行精細化、高值化綜合利用時，實現鋁、鐵的有效分離是制得合格化合物的基本前堤。首先采用硫酸分解粉煤灰制得含鋁、鐵硫酸鹽的酸浸出液，再將酸浸出液中Fe3+還原為Fe2+，然后以氨沉淀其中的鋁。 對鋁、鐵分離工藝進行了深入研究。相關研究結果證明，在優化工藝條件下，鋁沉淀率達到98.59%，鐵共沉淀率被控制在1.24%，鋁沉淀物中TFe質量分數為0.074%，鋁、鐵分離效果良好。

粉煤灰；鋁、鐵分離；濕法冶金

粉煤灰含有硅、鋁、鐵、鈣、碳等有價元素，采用濕法冶金工藝對其進行綜合利用制備高附加值化合物，如氧化鋁、冰晶石、氟化鋁、氫氧化鋁［1-5］、氧化鐵紅、高純氧化鐵、水玻璃、白炭黑［6］、人造沸石［7］、鎵、鍺［8-9］等是近來年研究和關注的熱點。而要實現對粉煤灰高附加值化綜合利用，除了需要將其中的有價元素分解、浸出，還要進行有效分離，如硅與鋁、鐵、鈣的分離，鋁與鐵的分離等，這是所制得化合物是否符合工業要求的最基本影響因素。為了解決粉煤灰綜合利用中各有價元素的分離問題，實驗對粉煤灰中鋁、鐵元素的分離工藝進行了研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

以硫酸分解粉煤灰使其中的鋁、鐵元素溶出，經過濾實現鋁、鐵與硅的分離并收得含鋁、鐵硫酸鹽的酸浸出液。然后對酸浸出液中的鋁、鐵進行分離。根據Al（OH）3、Fe（OH）3和Fe（OH）2溶度積常數及鋁、鐵在酸浸液中的濃度，計算鋁、鐵沉淀pH區間，得出Fe（OH）3沉淀區間為1.94～3.20；Fe（OH）2沉淀區間為7.06～8.95；Al（OH）3沉淀區間為3.69～4.89。

Al（OH）3開始沉淀與Fe（OH）3沉淀完全pH接近，受相關因素影響，分離過程二者共沉淀機率較高，鐵、鋁分離困難。而Al（OH）3與Fe（OH）2沉淀pH距離較大，二者容易分離，因此可考慮將酸浸液中Fe3+還原為Fe2+，再采用先沉鋁后沉鐵的方法對鋁、鐵進行分離。鋁、鐵分離效果取決于沉鋁過程鐵離子共沉淀的控制狀態。

為控制鋁沉淀過程中由局部堿性過強造成的鐵共沉淀，確保反應的均衡性、穩定性，實驗以堿性較弱的氨水為pH調節劑，以水為反應底液，采用氨水與還原后酸浸出液并流滴加的方法進行鋁、鐵分離實驗，并對反應終點pH、并流滴加速度、氨水濃度（稀釋比例）、反應溫度、反應時間等因素對鋁、鐵分離效果的影響進行了考察。

1.2 分析方法

鋁：EDTA返滴定法；鐵：重鉻酸鉀容量法；鎂：EDTA容量法。

2 實驗結果與討論

2.1 反應終點pH對鋁、鐵分離效果的影響

將還原后酸浸液與1+25稀氨水以并流方式加入底液中，控制加料溫度為95℃，加料時間為60 min，保溫時間為10 min。考察反應終點pH對鋁、鐵分離效果的影響，見圖1。鋁沉淀率隨著pH升高而升高，在pH=5.0時達97.3%，繼續提升pH鋁沉淀率升幅趨緩。鐵沉淀率在pH=5.0以下時變化不眀顯，但5.0以上則突升，pH=5.3時鐵共沉淀率高達25.7%。這是因為隨著反應終點pH升高，與Fe2+開始沉淀pH接近，鐵共沉淀率上升。實驗發現，反應終點pH在5.0以上時，隨著反應進行鋁沉淀物逐漸顯淺黃色，而在pH小于5.0時始終為灰白色。這是由少量Fe2+共沉淀所致。氫氧化亞鐵為淺綠色，極易被空氣氧化為深紅色的氫氧化鐵，而這種現象使鋁沉淀顯淺黃色。在pH小于5.0時，與Fe2+沉淀pH距離加大，幾乎無氫氧化亞鐵生成，所得沉淀物為氫氧化鋁，因此始終顯灰白色?；瘜W分析結果證明，反應終點pH在5.0以上時，Fe2+沉淀率上升，所得沉淀物主要化學組成為鋁，同時含有一定量鐵，鋁、鐵分離效果不佳。因此，控制反應過程及終點pH在5.0以下，可以有效控制Fe2+共沉淀。

圖1 反應終點pH對鋁、鐵分離效果的影響

2.2 氨水稀釋比例對鋁、鐵分離效果的影響

將還原后酸浸液與稀氨水以并流方式加入底液?？刂萍恿蠝囟葹?5℃，加料時間為60 min，反應終點pH略小于5.0，保溫時間為10 min。考察氨水稀釋比例對鋁、鐵分離效果的影響，見圖2。氨水稀釋比例在1∶20～1∶40時鋁沉淀率在98%左右，但在1∶50時下降至85%；鐵共沉淀率在1∶10～1∶20時逐漸變低，1∶20～1∶40時變化不大，繼續增加氨水稀釋比例鐵共沉淀率升高，在1∶50時達7.90%。隨著氨水稀釋比例增大，反應料液體積增大，鋁離子濃度降低，鋁沉淀的pH隨之增大。在氨水稀釋比例為1∶10～1∶40時，鋁沉淀完全pH在5.0以下，鋁沉淀率變化不大，氨水稀釋比例為1∶50時，鋁沉淀完全pH升至5.2，在實驗pH小于5.0條件下，鋁沉淀率下降。因此，確定氨水最佳稀釋比例為1∶20，在此條件下鋁沉淀率為98.65%，鐵共沉淀率為1.87%。

圖2 氨水稀釋比例對鋁、鐵分離效果的影響

2.3 反應溫度對鋁、鐵分離效果的影響

將底液升溫至一定溫度后將1+20稀氨水和還原后酸浸液并流加入底液，控制加料時間為60 min，反應終點pH略小于5.0，保溫時間為10 min?？疾旆磻獪囟葘︿X、鐵沉淀率的影響，見圖3。隨著反應溫度升高，反應速率加快，在相同時間、pH條件下，鋁沉淀率呈上升趨勢，鐵共沉淀率則呈下降趨勢。反應溫度為65～85℃，鋁沉淀率上升，鐵共沉淀率逐漸下降，85℃以后鋁沉淀率增勢走平，鐵共沉淀率降勢趨緩。因此適宜的反應溫度為85℃，此時鋁沉淀率為98.60%，鐵共沉淀率為1.26%。

圖3 反應溫度對鋁、鐵沉淀率的影響

2.4 并流加料時間對鋁、鐵分離效果的影響

將底液升溫至85℃后將1+20稀氨水和還原后酸浸液并流加入底液，控制反應溫度為85℃，反應終點pH略小于5.0，保溫時間為10 min。加料時間對鋁、鐵沉淀率的影響見圖4。影響鐵共沉淀率的因素主要有3個，一是鋁沉淀過程受堿濃度、滴加速度、攪拌速度等因素影響所致的反應體系局部堿性過強，由此造成的氫氧化亞鐵沉淀；二是反應過程反應體系與空氣接觸，部分Fe2+被逐漸氧化為Fe3+所致的氫氧化鐵沉淀；三是所生成氫氧化鋁對鐵離子的化學吸附。并流時間延長，會增大二、三因素的影響，使體系中Fe2+被氧化、吸附的機率增大，造成鐵沉淀率上升。從圖4看出，并流時間對鋁沉淀率的影響不大，實驗條件下鋁沉淀率為97.5%～98.5%；鐵共沉淀率則隨并流時間的延長逐漸增大，但在30～60 min時最小，在1.26%左右，在此條件下鋁、鐵分離效果較好。因此確定并流加料時間為30 min。在此條件下，鋁沉淀率為98.59%，鐵共沉淀率為1.24%。

圖4 并流加料時間對鋁、鐵沉淀率的影響

2.5 陳化時間對鋁、鐵分離效果的影響

將底液升溫至85℃后將1+20的稀氨水和還原后酸浸液并流加入到底液中，并流時間為30 min，控制并流反應過程及反應終點pH略小于5.0，調整加料完畢后保溫陳化時間并于陳化結束后過濾。考察陳化時間對鋁、鐵沉淀率的影響，見圖5。從圖5看出，并流加料結束，pH穩定到5.0后不做陳化處理立即分離，鋁沉淀不完全，沉淀率僅為89.52%。在做陳化處理條件下，隨陳化時間延長鋁沉淀率上升，在陳化時間為10 min時為98.59%，再延長陳化時間鋁沉淀率變化不大。鐵共沉淀率則隨陳化時間延長逐漸升高。此外，實驗發現鋁沉淀物隨著反應時間的延長外觀由灰白色逐漸變為淺黃色，且隨著時間的延長顏色加深。因此，確定最佳陳化時間為10 min，此時鋁沉淀率為98.59%，鐵共沉淀率為1.24%。

圖5 陳化時間對鋁、鐵沉淀率的影響

3 結論

以硫酸分解粉煤灰制得含鋁、鐵硫酸鹽的酸浸出液，對其中的鐵做價態調整后對鋁、鐵進行分離。實驗確定最佳工藝條件：并流反應過程及反應終點pH略小于5.0、氨水濃度（稀釋比例）為1∶20、反應溫度（底液溫度）為85℃、并流加料時間為30 min、并流結束后保溫陳化時間為10 min。在優化工藝條件下，鋁沉淀率為98.59%，鐵共沉淀率為1.24%。所得鋁沉淀物中w［Al（OH）3］=66.67%，w（TFe）=0.074%，鋁、鐵分離效果良好。

［1］ 桂強，方榮利，陽勇福.生態化利用粉煤灰制備納米氫氧化鋁［J］.粉煤灰，2004（2）：20-22.

［2］ 李來時，翟玉春，秦晉國，等.以粉煤灰為原料制備高純氧化鋁［J］.化工學報，2006（9）：2189-2193.

［3］ 石振武.酸浸法提取粉煤灰中氧化鋁的研究新進展［J］.廣東化工，2013，40（5）：62-63.

［4］ 黃杰明.非高溫法提取粉煤灰中鋁和硅的試驗研究［J］.電力環境保護，2002，18（2）：28-29.

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［6］ 王平，李遼沙.粉煤灰制備白炭黑的探索性研究［J］.中國資源綜合利用，2004（7）：25-27.

［7］ 童軍杰，房靖華，劉永梅，等.粉煤灰制取沸石分子篩的新進展［J］.太原科技，2003（2）：6-9.

［8］ 范麗君，梁杰，石玉橋，等.粉煤灰中鎵的浸出試驗研究［J］.粉煤灰，2012（2）：10-12.

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聯系方式：nypengmei@126.com

Experimental investigation on separation of aluminum and iron in fly ash

Xiao Jingbo1，Wu Yiran2，Chen Juling1，Xia Jiaobin1
（1.Nanyang Oriental Applied Chemical Research Institute，Nanyang 473000，China；
2.Xi′an Electronic Science and Technology University）

The fly ash contains aluminum，iron，and other valuable elements.When making the related refined and high-value comprehensive utilization by the wet metallurgical process，achieving effective separation of aluminum and iron is the basic premise for producing qualified products.Aluminum-and-iron-sulfate contained acid leaching solution was firstly prepared through the decomposition of fly ash by sulfuric acid，then Fe3+in the acid leaching solution was reduced to Fe2+.Subsequently，aluminum was deposited by ammonia precipitation method.The aluminum and iron separation process was intensively investigated.The corresponding results confirmed that under the optimized conditions，the precipitation rate of aluminum reached 98.59%，the Fe coprecipitation rate was controlled at 1.24%，and the TFe mass fraction in aluminum deposits was 0.074%，indicating the good separation effect by this process.

fly ash；aluminum and iron separation；wet metallurgical process

TQ138.11

A

1006-4990（2017）01-0046-03

2016-07-22

肖景波（1962— ），男，高級工程師，專業從事濕法冶金工藝及工業廢棄物綜合利用研究，已發表論文10余篇。