勃姆石高溫煅燒相變及溶出活性研究

2020-05-16 05:55:22吳永峰

世界有色金屬 2020年4期

關鍵詞：實驗

吳永峰

（神華準能資源綜合開發有限公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

準格爾礦區的煤炭含有超常富集的勃姆石[1]，經燃煤電廠煅燒后得到高鋁粉煤灰。高鋁粉煤灰已經作為一種潛在的鋁土礦替代資源受到越來越多人的關注。如果將這部分粉煤灰中的鋁提取出來，不僅可以緩解粉煤灰對環境污染等問題，同時還可以緩解國內鋁土資源不足的現狀，具有很大的現實意義。

在煤炭煅燒過程中，因煅燒溫度的不同，勃姆石會分解生成氧化鋁，氧化鋁會隨煅燒溫度的變化發生物相的轉變，氧化鋁也會與煤炭中的其他礦物成分共同作用生成新的礦物，進而影響了粉煤灰中氧化鋁的活性。

因此，本論文研究了煤炭煅燒過程中勃姆石的高溫相變及煅燒產物提鋁活性的關系，找到了使煤炭中勃姆石具有最高鋁活性的煅燒條件。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品和藥品

準格爾礦區原煤，濃鹽酸、二甲酚橙、醋酸鋅、冰醋酸、乙二胺四乙酸、醋酸銨、氟化鉀等化學試劑，化學試劑純度為分析純。

1.2 實驗儀器

實驗用品及儀器主要有高鋁坩堝、反應釜、干燥箱、循環水式真空泵、箱式電阻爐、NEXUS 670智能型傅立葉變換紅外光譜儀、Rigaku D/max 2500 X射線衍射儀。

1.3 實驗步驟

1.3.1 不同溫度煅燒樣品的制備

將塊狀的準格爾礦區原煤粉碎，研磨至200目，稱取20g煤樣于高鋁坩堝中，放入箱式電阻爐中加熱，升溫至預設實驗溫度，實驗焙燒溫度分別設定為300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1300℃，煅燒時間2小時，以保證煤粉能充分燃燒，最后樣品隨爐冷卻至室溫，得到不同煅燒溫度下的樣品。一部分樣品進行X射線物相分析和紅外光譜分析，一部分樣品作為進行鋁溶出實驗的原料備用。

1.3.2 煤系勃姆石的鋁活性實驗

稱取灰分5g，量取濃鹽酸20ml、去離子水10ml放入反應釜中，將反應釜放入烘箱中，并逐步升溫至120℃，在此反應溫度下進行反應2小時，并定期對反應釜進行手動搖動，防止樣品沉底。

反應結束后對反應液進行抽濾，將濾得的溶液定容到250ml的容量瓶中，測試溶液中的鋁含量；同時將濾得的殘渣轉移到燒杯中，放入烘箱中烘干，稱取殘渣的質量。

重復以上試驗步驟，分別完成300℃-1300℃煅燒樣品的鋁活性溶出實驗。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射分析

從圖1可以看出，原煤勃姆石在15°左右有很尖銳的峰，在300℃此峰仍然存在，但是在400℃就消失了。這說明了勃姆石在溫度400℃發生了相轉變。從400℃開始在40°、47°相繼出現了新峰，這證明了有新相生成[2]。在700℃時，40°的新峰消失，說明此相又開始向新相轉變。

從圖2可以看出，800℃到900℃時，25°峰先出現后消失；而900℃后，37°峰逐漸尖銳，說明相的轉變在逐漸進行，直到1100°C轉化完畢。

圖1 原煤及300℃-700℃煅燒后灰的XRD圖

從圖3可以看出，當溫度達到1200°C時，主要物相已轉變為α氧化鋁相。

2.2 紅外光譜測試分析

1080 cm-1左右為Al-O四面體片和Al-O八面體片鍵震動頻率范圍，800 cm-1左右為四配位Al-O鍵震動范圍，從煅燒樣品紅外光譜圖4、5可以看出，Al-O四面體片和Al-O八面體片[3-4]鍵隨溫度的升高逐漸消失，其中700°C是一個過渡溫度，也就是說700°C以后這兩個鍵開始消失。這說明了700°C開始發生相的轉變。在1200°C 500 cm-1左右形成一個很尖銳的峰值。這是三方Al-O鍵，說明此溫度下開始生成了α-氧化鋁。

2.3 熱重及差熱結果分析

此實驗采用500℃煅燒樣品進行差熱測試。從TG和DTA曲線圖可以看出：開始升溫的階段（低于200℃）有一部分質量損失，這個損失是樣品吸收的水。到高溫階段質量基本沒有變化，說明煤在500℃就可以煅燒充分，基本可以除去所有的有機質。同時，可以看到在680℃、900℃及1100℃左右有很明顯的放熱峰，說明在此對應溫度下發生了相轉變[5]，這與前面的XRD、IR測試結果相匹配。

2.4 煅燒樣品鋁活性實驗結果討論

煤系勃姆石煅燒溫度的不同，直接影響煅燒樣品中鋁的物相狀態，進行影響鋁的溶出活性。從圖7不同煅燒溫度樣品溶出活性曲線圖可以看出，850℃之前，鋁的溶出活性相對保持在較高的水平上，并且在700℃達到最高。而隨著煅燒溫度的繼續升高，鋁的活性出現斷崖式的下降，這主要是由于氧化鋁物相轉化為穩定的α氧化鋁相，在此酸溶條件下無法溶出。