燒結—酸溶法從粉煤灰中溶出鋁試驗研究

胡小龍，陳 煒，孫志娟，王 強

(內蒙古機電職業技術學院 冶金與材料工程系，內蒙古 呼和浩特 010070)

燃煤電廠廢棄物粉煤灰具有較高利用價值[1-6]。近年來，從粉煤灰中提取氧化鋁得到廣泛研究，但主要集中在提取工藝的改進方面，關于如何進一步提高鋁溶出率的研究相對較少。目前從粉煤灰中提取氧化鋁的方法，按主要添加劑的酸堿性可分為酸法[7-8]、堿法[9-13]。酸法中較常用的是硫酸浸出法，但此法需引入了助熔劑NH4F，NH4F受熱很容易揮發分解或與其他物質反應生成氟化物，氟化物對人體健康有很大危害，且H2SO4的大量使用也導致此法難以產業化；堿法中的石灰石燒結法由于石灰石的使用量過大，會造成能耗過高，氧化鋁提取后成渣量過大。

粉煤灰中Al2O3和SiO2主要以難溶于酸和堿的復鹽3Al2O3·2SiO2形式存在，斷開Si—Al鍵[14]可提高鋁溶出率。對打開Si—Al鍵已有大量研究，用強堿溶解細灰打開Si—Al鍵[15]；用CaF作助熔劑鹽酸溶出氧化鋁[16]；用高溫焙燒鈣鹽作助熔劑溶出氧化鋁[17]。本試驗研究了采用助熔燒結—酸溶法從粉煤灰中溶出鋁，以期最大限度溶出鋁、提高氧化鋁產量。

1 試驗原料、試劑與設備

1.1 試驗原料

試驗所用粉煤灰粒度300目，化學元素分析結果見表1，物相組成分析結果如圖1所示。Al2O3質量分數達48.7%，SiO2、Fe2O3含量相對較低，屬于典型的高鋁低硅低鐵型粉煤灰。主要晶相礦物為莫來石和少量剛玉，玻璃相主要為非晶態SiO2。

表1 粉煤灰樣品的化學元素分析結果

圖1 粉煤灰樣品的XRD分析結果

1.2 試驗設備與試劑

試驗設備：馬弗爐，精度可達0.01 g的電子天平，銀坩堝，電熱板。

試驗試劑：無水乙醇，氫氧化鈉，乙二胺四乙酸二鈉，乙酸銨，冰乙酸，亞硝基紅鹽，硫酸銅，均為分析純,市售；鹽酸，工業級。

2 試驗原理與方法

2.1 試驗原理

粉煤灰中Al2O3和SiO2主要以難溶于酸和堿的復鹽3Al2O3·2SiO2形式存在。高溫下，3Al2O3·2SiO2中的Si—Al鍵斷開，釋放其中的Al2O3和SiO2，與NaOH反應生成易與酸反應的硅酸鈉和偏鋁酸鈉。主要化學反應式為

焙燒產物與鹽酸反應可被溶解，化學反應式為：

另外，工業上NaOH可循環利用，一般由脫硅產生的碳酸鈉母液加生石灰苛化實現。

2.2 試驗方法

2.2.1 粉煤灰焙燒

準確稱取適量粉煤灰于銀坩堝中，加無水乙醇潤濕，加NaOH混勻后置于馬弗爐中，逐漸升溫至一定溫度，并保持一定時間后取出，冷卻。

2.2.2 粉煤灰溶解

取一定量焙燒過的粉煤灰與一定量熱水及濃鹽酸攪拌混合，反應一定時間后過濾，分析濾液中鋁質量濃度，計算鋁浸出率。

2.2.3 鋁的測定

試樣中的鋁依據參考文獻[18]測定。移取20 mL粉煤灰溶液于錐形瓶中，加入20 mL 0.035 mol/L EDTA溶液和20 mL乙酸-乙酸銨緩沖溶液，以水稀釋至100 mL，加熱煮沸3 min，冷卻至室溫。加2 mL 0.2%亞硝基紅鹽，以0.035 mol/L硫酸銅溶液進行滴定，溶液由黃色經翠綠突變為草綠色為終點。

3 試驗結果與討論

3.1 助熔劑加入量對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入助溶劑NaOH，逐漸升溫至900 ℃并保持1 h，冷卻后用30 mL濃鹽酸溶解。NaOH加入量對鋁溶出率的影響試驗結果如圖2所示。可以看出：隨NaOH加入量增加，燒結后粉煤灰鋁溶出率提高；NaOH加入量增至5 g，即NaOH與粉煤灰質量比為10/1時，鋁溶出率達最大。

圖2 NaOH加入量對鋁溶出率的影響

3.2 焙燒溫度對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，逐漸升溫并保持1 h，冷卻后用30 mL濃鹽酸溶解。焙燒溫度對鋁溶出率的影響試驗結果如圖3所示。可以看出，隨溫度升高，鋁溶出率提高；溫度為300 ℃時，鋁溶出率達97.4%，溶出效果較好。

圖3 焙燒溫度對鋁溶出率的影響

3.3 焙燒時間對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，升溫至270 ℃并保持不同時間，之后冷卻，用30 mL濃鹽酸溶解。焙燒溫度對鋁溶出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 焙燒時間對鋁溶出率的影響

由圖4看出：焙燒時間對粉煤灰鋁溶出率影響較大；焙燒30 min，鋁溶出率達95.8%；再繼續焙燒，鋁溶出率變化不大。

3.4 鹽酸用量對鋁溶出率的影響

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，逐漸升溫至270 ℃并保持30 min，冷卻后用濃鹽酸溶解。鹽酸用量對鋁溶出率的影響試驗結果如圖5所示?？梢钥闯?，鹽酸用量對粉煤灰鋁溶出率影響很大：隨鹽酸用量增加，鋁溶出率提高；鹽酸用量為25 mL時，鋁溶出率達97.4%。

圖5 鹽酸用量對鋁溶出率的影響

4 結論

準格爾煤礦粉煤灰為典型高鋁粉煤灰，可替代鋁礬土作為冶煉鋁的原料，與NaOH混合焙燒后用鹽酸浸出，可將其中的鋁轉入溶液。在NaOH與粉煤灰質量比10/1、270 ℃下焙燒30 min后用濃鹽酸25 mL溶解，鋁溶出率達97%，溶出效果較好。