酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律的研究

朱福星

（神華準能資源綜合開發有限公司氧化鋁中試廠，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

國外利用粉煤灰提取氧化鋁的研究起步較早，早在20世紀50年代，波蘭克拉科夫礦冶學院格日麥克教授以高鋁煤矸石或高鋁粉煤灰（Al2O3＞30%）為主要原料，采用石灰石煅燒法，從中提取氧化鋁并利用其殘渣生產硅酸鹽水泥，取得了一些研究成果，并于1960年在波蘭獲得兩項專利。美國采用Ames法（石灰燒結法），年處理粉煤灰30萬噸，Al2O3提取率為80%。美國橡樹嶺國家實驗室已完成DAL法（酸浸法）從粉煤灰中提取各種金屬、殘渣作填料的研究。此外美國還將粉煤灰摻入鋁中，提高鋁的產量，降低成本、增加硬度、改善可加工性及提高耐磨性。近些年來國外有關這方面的報道較少，較新的研究成果是Park等采用明礬中間體法從粉煤灰中提取了氧化鋁。

粉煤灰作為燃煤電廠的主要廢棄物，排放量不斷的增加對人們日常生活造成一定影響，其大量堆積不但污染環境，還占用了大量土地，對這些工業固體廢棄物的開發利用成為人們關注的重點，經過多年的發展，我國在粉煤灰中各種物質提取的技術有了一定的提高，同時也取得了一些初步成果，但因受到多種因素的影響，粉煤灰的綜合利用還存在利用率低、開發利用形式單一等問題，因此對于粉煤灰的綜合利用方面還需要進行深入研究。

我國從粉煤灰中提取氧化鋁的研究同樣可以追溯到20世紀50年代，至1980年，安徽冶金科研所和合肥水泥研究所提出用石灰石燒結-碳酸鈉溶出工藝從粉煤灰中提取氧化鋁、其硅鈣渣用作水泥原料的工藝路線，于1982年2月通過專家鑒定。寧夏自治區建材研究院在90年前后展開了堿-石灰燒結法從粉煤灰中提取氧化鋁的研究，其特點之一就是先對粉煤灰進行脫硅處理之后再采用堿-石灰燒結法從中提取氧化鋁。內蒙古蒙西集團和中國科學院長春應用化學研究所合作，已經進行了將近10年的研究，目前已經獲得了一套石灰石燒結法提取氧化鋁并聯產水泥的技術路線，該項目2006年初通過批準，現已開始投資興建年產40萬噸氧化鋁的生產線。此外，東北大學在山西也展開了類似的研究，目前也已取得階段性成果。從粉煤灰中提取氧化鋁的方法按主要添加劑的酸堿性來說可分為酸法、堿法以及酸堿混合法。因此，針對酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律進行研究是具有現實意義的，本文通過試驗方法展開具體規律研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

試驗所用粉煤灰選自燃煤電廠，其具體組成成分包括：二氧化硅為42.28%、三氧化二鋁為38%、氧化鈣為1.30%、氧化鎂為1.12%、偏鈦酸鋇為0.697%、三氧化二鐵5.77%以及燒失量為8.98%，總量記為99.15%。粉煤灰的主要組成成分為二氧化硅以及三氧化二鋁，其他元素所占比例極小。在粉煤灰中除含有大量呈針狀或棒狀形態的莫來石晶體外，還含有較多的呈球形的鋁硅酸鹽玻璃體。

1.2 試驗流程

實驗用粉煤灰中的氧化鋁含量要求達到50%左右，選用高鋁粉煤灰，實驗樣品粉煤灰顆粒主要由不規則的多孔碎屑體和表面比較光滑、球形度較好的石英組成，首先，制作粉煤灰球，將粉煤灰的直徑磨至70μm。在粉煤灰球制作過程中必須將粉煤灰球有勃結的區域用角磨機打磨平整，避免由于表面粗糙影響酸浸效果。完成以上操作后，將制備好的粉煤灰球放置于溫度為(25士4)℃，濕度大概在50%左右的實驗室中。再對酸浸的時間長度、反應溫度、酸浸濃度以及氟化鈉與灰的質量比等影響因素進行具體設定。當液固比在20：1的條件下.加入較高濃度的硫酸，并且加入適當的助溶劑對粉煤灰中的莫來石和鋁硅酸鹽玻璃相進行酸浸，將莫來石轉換為容易分解的物質，直至反應完全后過濾.并結合《國標法》中的測定標準，測定硫酸溶液中的鋁含量。

2 試驗結果

2.1 溶出劑的選擇

酸法溶出是用粉煤灰與酸進行接觸將鋁溶出，并對溶出液體進行有效處理得到氧化鋁，而由于粉煤灰結構與其他含氧化鋁物質有所差異，因其結構特殊，在與酸性物質結合時內部結構緊密，氧化鋁為非活性體，若想要提高氧化鋁的浸出率，采取辦法提高粉煤灰中氧化鋁的活性。為研究酸法提取粉煤灰中氧化鋁的溶出規律，改變傳統酸浸法中的溶出劑，將鹽酸改為硫酸。

考慮到鹽酸中的鋁和氯很難融合在一起形成穩定的組合，而且酸法提取粉煤灰中氧化鋁需要在高溫下進行，鹽酸具有高溫下極易揮發的特點，因此，不考慮鹽酸作為溶出劑的首選。而硫酸溶出劑不同于鹽酸具有很好的穩定性以及極強的反應活性，應用于酸法提取粉煤灰中氧化鋁中，還能夠在一定程度上起到活化粉煤灰的作用。為此，本文選用硫酸作為溶出劑，通過硫酸自身特性破壞莫來石的結構，從而最大限度的提高酸法提取粉煤灰中氧化鋁的溶出率。在利用酸法對粉煤灰進行溶出時，如果使用濃酸，因其具有較強的揮發性，加入粉煤灰中所產生的氣體會對環境造成污染，在進行實驗研究過程中應注意硫酸溶出劑的使用濃度，以減少對環境所產生的壓力。

2.2 反應溫度對氧化鋁溶出率的影響

本次試驗的固定條件包括：選取濃度為6.5mol/L的硫酸溶出劑、配比為0的助溶劑，將液固比控制在20:1，將反應時間設置為3小時。

本文設計的整體試驗堅持低能耗的原則，因此，采用10個試驗水平溫度均低于90℃的反應溫度進行以每10℃為節點的單因素分析。試驗結果為：當反應溫度為10℃時，氧化鋁的溶出率為2.12%；當反應溫度為20℃時，氧化鋁的溶出率為2.97%；當反應溫度為30℃時，氧化鋁的溶出率為3.17%；當反應溫度為40℃時，氧化鋁的溶出率為3.82%；當反應溫度為50℃時，氧化鋁的溶出率為4.61%；當反應溫度為60℃時，氧化鋁的溶出率為5.37%；當反應溫度為70℃時，氧化鋁的溶出率為6.02%；當反應溫度為80℃時，氧化鋁的溶出率為6.98%；當反應溫度為90℃時，氧化鋁的溶出率為7.56%。根據試驗結果可以看出氧化鋁的溶出率隨著反應溫度的上升而增大，因此，反應溫度與氧化鋁的溶出率之間呈正比例增長的關系，尤其是當反應溫度在60℃～90℃之間時，氧化鋁的溶出率增長迅速，且始終為上升趨勢。綜上所述，本文根據反應溫度對氧化鋁溶出率的影響，建議采用溶出劑的沸騰溫度作為反應溫度的最高值。

2.3 硫酸濃度對氧化鋁溶出率的影響

結合以往對硫酸的理論分析，高濃度硫酸自身具有極強氧化性。這就意味著，使用硫酸作為溶出劑必然會產生十分強烈的化學反應，不但能夠得到更高的氧化鋁溶出率，而且能夠在很大程度上縮短酸法提取粉煤灰中氧化鋁的溶出周期。本次試驗設定助溶劑與粉煤灰質量比也就是助溶劑的配比為0.15，將液固比控制在20:1，將反應時間設置為3小時。在相同的反應溫度下，研究硫酸濃度對氧化鋁溶出率的影響。采用10個硫酸濃度，最高不超過20mol/L進行以每2mol/L為節點進行單因素分析。試驗結果為：當硫酸濃度為2mol/L時，氧化鋁的溶出率為20.17%；當硫酸濃度為4mol/L時，氧化鋁的溶出率為28.63%；當硫酸濃度為6mol/L時，氧化鋁的溶出率為34.52%；當硫酸濃度為8mol/L時，氧化鋁的溶出率為46.19%；當硫酸濃度為10mol/L時，氧化鋁的溶出率為60.11%；當硫酸濃度為12mol/L時，氧化鋁的溶出率為65.17%；當硫酸濃度為14mol/L時，氧化鋁的溶出率為67.78%；當硫酸濃度為16mol/L時，氧化鋁的溶出率為63.15%；當硫酸濃度為18mol/L時，氧化鋁的溶出率為60.07%；當硫酸濃度為20mol/L時，氧化鋁的溶出率為15.13%。根據試驗結果可以看出氧化鋁的溶出率在硫酸濃度小于16mol/L時，一直呈上升趨勢；在硫酸濃度大于16mol/L時，一直呈下降趨勢，尤其是在硫酸濃度為20mol/L時，氧化鋁的溶出率降至最低，且低于當硫酸濃度為2mol/L時的氧化鋁溶出率。出現此現象的主要原因為當硫酸濃度大于18mol/L時，硫酸溶液中幾乎已經沒有鋁的存在了。綜上所述，本文根據硫酸濃度對氧化鋁溶出率的影響，建議采用硫酸濃度的最佳濃度為16mol/L。

2.4 助溶劑配比對氧化鋁溶出率的影響

酸法提取氧化鋁的過程中，氧化鋁的提取率往往受多種因素的影響，如在粉煤灰中加入硫酸的配比是反應能否順利進行的關鍵，要提高粉煤灰中氧化鋁的含量，氟化鈉的比值對鋁溶出率也有較大影響，比值越大，鋁溶出率越高。在明確硫酸濃度對氧化鋁溶出率影響的基礎上，選用16mol/L的硫酸溶出劑以及反應溫度為沸騰溫度的條件下，將液固比控制在20:1，將反應時間設置為3小時，研究助溶劑配比對氧化鋁溶出率的影響?？紤]到動力學和燒結溫度問題，適當加大助溶劑的配比，根據氧化鋁溶出過程的原理，采用10種助溶劑配比，最高不超過0.20進行以每0.02為節點進行單因素分析。試驗結果為：當助溶劑配比為0.02時，氧化鋁的溶出率為78.17%；當助溶劑配比為0.04時，氧化鋁的溶出率為78.56%；當助溶劑配比為0.06時，氧化鋁的溶出率為78.35%；當助溶劑配比為0.08時，氧化鋁的溶出率為78.15%；當助溶劑配比為0.10時，氧化鋁的溶出率為78.21%；當助溶劑配比為0.12時，氧化鋁的溶出率為77.97%；當助溶劑配比為0.14時，氧化鋁的溶出率為78.02%；當助溶劑配比為0.16時，氧化鋁的溶出率為78.77%；當助溶劑配比為0.18時，氧化鋁的溶出率為78.63%；當助溶劑配比為0.20時，氧化鋁的溶出率為78.01%。根據試驗結果可以看出助溶劑配比對氧化鋁溶出率的影響不大，幾乎為零。

因此，在酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出過程中，可以不添加助溶劑。這樣一來，能夠在節約成本的同時，盡可能的減少了對環境的污染。

2.5 酸浸時間對氧化鋁溶出率的影響

選用16mol/L的硫酸溶出劑以及反應溫度為沸騰溫度的條件下，將液固比控制在20:1，且不添加助溶劑，將反應時間設置為3小時，研究酸浸時間對氧化鋁溶出率的影響。采用10個酸浸時間，最長不超過3小時進行以每18min為節點進行單因素分析。試驗結果為：當酸浸時間為18min時，氧化鋁的溶出率為40.07%；當酸浸時間為36min時，氧化鋁的溶出率為45.61%；當酸浸時間為54min時，氧化鋁的溶出率為50.03%；當酸浸時間為72min時，氧化鋁的溶出率為54.72%；當酸浸時間為90min時，氧化鋁的溶出率為59.97%；當酸浸時間為108min時，氧化鋁的溶出率為62.17%；當酸浸時間為126min時，氧化鋁的溶出率為68.47%；當酸浸時間為144min時，氧化鋁的溶出率為80.21%；當酸浸時間為162min時，氧化鋁的溶出率為80.69%；當酸浸時間為180min時，氧化鋁的溶出率為80.01%。根據試驗結果可以看出氧化鋁的溶出率隨著酸浸時間的增長而增大，因此，酸浸時間與氧化鋁的溶出率之間呈正比例增長的關系。當酸浸時間在144min-180min之間，氧化鋁的溶出率變化不大，基本達到最大值。綜上所述，酸浸時間選取在162min左右即可。

3 試驗討論

從粉煤灰中提取高氧化鋁源于波蘭，是一種將粉煤灰研磨焙燒活化后，與硫酸溶液加熱反應，浸出的氧化鋁，用熱水煮溶后，濃縮冷卻析出硫酸鋁結晶，升溫脫水得到無水硫酸鋁，繼續升溫分解得到Al2O3，并進一步制備得到冶金級氧化鋁。

該項技術的缺陷很大，首先高鋁粉煤灰的供應量本身是一種限制，目前在我國中西部、內蒙地區這種粉煤灰有此類粉煤灰，其次，高鋁粉煤灰制鋁的成本較傳統工藝高，雖利用了粉煤灰解決鋁業開采問題，但同時增加了其他能源和資源的浪費，此類項目的主要意義不在于經濟性，而是國家安全戰略性，目前單純從經濟效益方面來評定，屬于高投入少產出，不具備市場競爭力，但高鋁粉煤灰提取氧化鋁是全球發展的戰略性項目，在未來科技學平和人員研發水平的提高，一定會解決目前的瓶頸。本文通過提出的試驗，以粉煤灰球作為此次試驗研究的對象，分析酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律，通過此次試驗研究，可知試驗中不同變量與氧化鋁溶出率之間存在一定的可尋找規律，經過一系列的研究得知，以下五點規律，分別為：

（1）溶出劑的選擇為硫酸；

（2）當反應溫度達到沸騰溫度時，氧化鋁溶出率最高；

（3）當硫酸濃度為16mol/L時，氧化鋁溶出率最高；

（4）助溶劑配比對氧化鋁溶出率的影響幾乎為零；

（5）當酸浸時間選取在162min左右，氧化鋁溶出率最高。

總而言之，通過本文提出的酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律的研究不但可以提升氧化鋁的溶出率，還能夠降低成本、減少環境污染。

4 結語

綜上所述，本文開展了酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律的研究，針對反應溫度、硫酸濃度、助溶劑配比以及酸浸時間四個自變量，研究與氧化鋁溶出率之間潛在的規律，并得出結論：溶出劑的選擇為硫酸，當反應溫度達到沸騰溫度時，氧化鋁溶出率最高；硫酸濃度為16mol/L時，氧化鋁溶出率最高；助溶劑配比對氧化鋁溶出率的影響幾乎為零；酸浸時間選取在162min左右，氧化鋁溶出率最高。因此，研究酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律對氧化鋁溶出存在一定積極作用，可提升氧化鋁的溶出率。在粉煤灰提鋁行業的發展中，我們應當致力于降低反應溫度和減少廢渣的排放量，尋找合適的煅燒工藝，降低反應過程能耗，建立產量更高、能耗和廢棄物排放量更少的工業化生產路線，實現粉煤灰中氧化鋁的高效提取。

盡管本文的研究已經趨近于完善，但在后期的研究中仍存在一些不足有待解決，有必要加大酸法提取粉煤灰中氧化鋁的研究力度。截至目前，國內外針對酸法提取粉煤灰中氧化鋁溶出規律的研究仍存在一些問題，缺少專業性極強的配套試驗研究裝置，因此在后期的行業市場調研過程中，可通過進行粉煤灰的優化設計，進一步對酸法提取粉煤灰中氧化鋁提出深入研究。