影響煤矸石中氧化鋁浸出效果的因素探索

徐 巖，彭德強，劉靜宇，徐德永

(1.黑龍江科技大學 礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江工業學院，黑龍江 雞西 158100)

煤矸石是煤炭生產和洗選加工過程中產生的固體廢棄物，一般每生產1 t原煤就有0.15～0.20 t煤矸石產生。僅2012年我國煤矸石產量就達6.20億t，約占全國工業固廢產量的40%[1-2]。由于大量煤矸石的露天堆放，已形成2 600余座煤矸石山，累積堆存量在50億t以上，占地面積為20余萬畝，這已成為我國積存量和年產量最大、占用地最多的一種工業廢棄物[3]。此外，由于煤矸石的成分、堆積方式及堆積地形等原因，全國約有1/3的煤矸石山發生自燃。因此，煤矸石的大量堆放帶來了非常嚴重的社會、環境及經濟問題[4]。

豐富的化學成分和礦物組成使煤矸石具有資源特性，2015年全國的煤矸石產量為8億t，利用量達到6.10億t，利用率在75%以上[5]。目前，我國在煤矸石綜合利用方面取得一些顯著成效，開發伴生鋁資源的新途徑——高鋁粉煤灰提取氧化鋁技術研發成功并在逐步實現產業化[6]。與世界其他國家相比，我國煤矸石中高嶺石含量豐富(10%～67%)，石英含量(15%～35%)處于中等水平，而高嶺石活性易于激發的特點，為其進一步資源化轉化提供了便利。但目前利用煤矸石生產化工產品仍處于研究階段，尚未形成較有規模的生產模式[7]。

根據國家產業結構政策，實現煤矸石的資源化處理、無害化利用是進一步解決由其帶來的社會、環境及經濟等問題的必要途徑[8]。為了實現雞西礦區煤矸石的資源化、無害化利用，探索以煤矸石為鋁源，采用硫酸作為酸浸劑，與活化煤矸石進行反應，以提取其中的氧化鋁；基于此進一步制備矸石基無機絮凝劑，并將其應用在煤泥水處理之中。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試驗試劑包括硫酸和氧化鈣，均為分析純。試驗儀器包括EP150×250型顎式破碎機，GL-1型密封式煤樣粉碎機，MD100-2型電子天平，KSW-5-12A型馬弗爐。

1.2 試樣性質

試樣來自雞西礦區，屬于選后煤矸石。依據GB T/214—1996《煤中全硫測定方法》、GB/T 212—2001《煤的工業分析方法》對試樣的組分進行分析，其主要化學成分見表1。

表1 煤矸石的化學成分

1.3 試驗方案

將定量的煤矸石試樣破碎至粒度<0.2 mm，并將細粒煤矸石試樣置于坩堝；加入一定量的CaO，將坩堝移入馬弗爐內；在850 ℃溫度下焙燒2 h，再取出采用冰水快速冷卻；采用密封袋將活化煤矸石試樣密封，并保存在干燥箱內備用[9-10]。

為了探索不同因素對氧化鋁浸出效果的影響規律，以浸取率作為評價指標，分別選取硫酸濃度、酸浸溫度、酸浸時間、液固比四個影響因素，在四個單因素試驗的基礎上，通過四因素四水平的正交試驗確定氧化鋁的最佳浸出方案。

2 試驗結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 硫酸濃度對浸取率的影響

在酸浸時間為1.50 h、酸浸溫度為100 ℃、液固比為4∶l的條件下，探索硫酸濃度(30%、40%、50%、65%、80%、98%)對氧化鋁浸出效果的影響規律，結果如圖1所示。

圖1 硫酸濃度與浸取率的關系曲線

由圖1可知：隨著硫酸濃度的增加，浸取率呈現出先增大后減小的趨勢；在硫酸濃度為80%時，浸取率有最大值26.50%。這是因為煤系固體廢棄物中的鐵氧化物含量較高，在硫酸濃度大于80%時，隨著濃度的持續增加，硫酸的氧化性增強；在浸出過程中鐵氧化物與濃硫酸發生反應，并生成致密物覆蓋在其表面，進而阻礙濃硫酸與其中的鋁繼續反應[11-14]。

2.1.2 酸浸溫度對浸取率的影響

在硫酸濃度為80%、酸浸時間為1.50 h、液固比為4∶l的條件下，探索酸浸溫度(40、60、80、100、120、140 ℃)對氧化鋁浸出效果的影響規律，結果如圖2所示。

圖2 酸浸溫度與浸取率的關系曲線

由圖2可知：隨著酸浸溫度的升高，氧化鋁的浸取率逐漸增大，這是因為溫度升高使浸出速度加快，故浸取率提高；當酸浸溫度升高到120 ℃后，繼續升高溫度，氧化鋁的浸取率無顯著變化。

2.1.3 酸浸時間對浸取率的影響

在硫酸濃度為80%、酸浸溫度為120 ℃、液固比為4∶1的條件下，探索酸浸時間(1、2、3、4、5、6 h)對氧化鋁浸出效果的影響規律，結果如圖3所示。

圖3 酸浸時間與浸取率的關系曲線

由圖3可知：隨著酸浸時間的延長，浸取率呈現出先增大后減小的趨勢。在浸出反應的前2 h內，浸出速度較快；酸浸2 h后浸出速度下降，酸浸3 h后浸出過程基本結束；再增加酸浸時間，浸取率幾乎不再變化[14]。

2.1.4 液固比對浸取率的影響

在硫酸濃度為80%、酸浸溫度為120 ℃、酸浸時間為3 h時，探索液固比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)對氧化鋁浸出效果的影響規律，結果如圖4所示。

圖4 液固比與浸取率的關系曲線

由圖4可知:當液固比在5∶1以上時，浸出率達到最大值29.20%；當液固比小于3∶1時，浸出率偏低，且過濾困難；當選擇液固比為5∶1時，其中的硫酸損失嚴重。從浸取率和過濾條件考慮，在液固比為4∶1時，兩者都比較理想。

2.2 四因素四水平正交試驗

為了確定氧化鋁浸出的最佳條件，通過正交試驗研究不同因素同時作用時，氧化鋁浸取率的變化規律及各因素的影響主次順序[15-16]。硫酸濃度、酸浸溫度、酸浸時間、液固比為四個影響因素，設計出的正交試驗因素水平表見表2。

試驗結果及其分析見表3、表4。由表4可知：極差順序為R液固比>R硫酸濃度>R酸浸溫度>R酸浸時間，說明影響氧化鋁浸取率的最主要因素是液固比，硫酸濃度次之，酸浸溫度的影響較小，酸浸時間的影響最小。綜合分析，氧化鋁的最佳浸出條件為液固比2∶1、硫酸濃度80%、酸浸溫度120 ℃、酸浸時間2.50 h，此時氧化鋁的浸取率為37.11%。

表2 因素水平表

表3 正交試驗結果

表4 試驗結果分析

3 結論

(1)以雞西礦區的煤矸石為研究對象，在活化處理的基礎上，通過酸浸處理提取其中的氧化鋁具有可行性。

(2)在液固比2∶1、硫酸濃度80%、酸浸溫度120 ℃、酸浸時間2.50 h的條件下，氧化鋁的浸出效果最好，浸出率為37.11%。

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