活化－酸浸法提取粉煤灰中氧化铝的溶出规律研究

孙秀君

（唐山学院 环境与化学工程系，河北 唐山063000）

粉煤灰又称飞灰，是燃煤电厂产生的一种工业废弃物。目前，粉煤灰主要应用在建材［1］、建筑、交通和土壤改良等方面，只有少部分用于环保［2］和化工［3－4］工业。这些对粉煤灰的利用属于低附加值的利用。粉煤灰中富含二氧化硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3），其中 Al2O3含量可以达到30%～40%，将粉煤灰中的Al2O3加以回收利用，可代替铝土矿成为一种很好的氧化铝资源［5］。国内外从粉煤灰中提取氧化铝的工艺主要有活化烧结法和酸浸取法［6－7］。本文拟应用活化－酸浸法从粉煤灰中提取Al2O3，对其溶出规律进行研究。

1 样品及实验方法

1．1 药剂、样品及仪器

药剂：碳 酸 钠 （Na2CO3）、碳 酸 钾 （K2CO3）和 硫 酸（H2SO4）均为分析纯。

实验所用样品为内蒙古某燃煤电厂粉煤灰，粉煤灰样品属于高铝低钙粉煤灰，活性较小。其化学组成见表1。

表1 高铝粉煤灰样品的化学成分分析结果 %

主要仪器：SX2－2．5－10马弗炉、DHG－9070A电热恒温鼓风干燥箱、722型可见光光度计、PHS－25精密数显酸度计、Mettler AE／100分析天平、HH－4型数显恒温水浴锅、SHB－3型循环水真空泵。

1．2 实验原理

1．2．1 煅烧活化工艺

Na2CO3与K2CO3按比例1∶1混合，其主要反应为：

Na2CO3→Na2O＋CO2↑，K2CO3→K2O＋CO2↑；

Na2O＋SiO2→Na2SiO3，K2O＋SiO2→K2SiO3；

3Na2O＋4SiO2＋3Al2O3·2SiO2→3（Na2O·Al2O3·2SiO2）；

3K2O＋4SiO2＋3Al2O3·2SiO2→3（K2O·Al2O3·2SiO2）。

1．2．2 酸溶出工艺

选用H2SO4为活性铝盐的溶出剂，在一定温度下溶出铝盐，使活化后粉煤灰中的Al2O3以液相形式溶出。主要反应为：

1．3 分析方法

粉煤灰中各成分的测定采用GBT1574－2007煤灰成分分析方法。

2 实验结果及分析

2．1 煅烧活化温度对Al2 O3溶出率的影响

实验条件：Na2CO3与K2CO3混合物∶粉煤灰＝2∶1，H2SO4浓度为0．6 mol／L，保温时间为45 min，水浴温度为80℃。

采用5个煅烧活化温度水平进行实验，所得的Al2O3溶出率结果见图1。

图1 Al2 O3溶出率随活化温度的变化情况

由图1可知，Al2O3溶出率在一定温度范围内随着煅烧活化温度的升高而增大。但煅烧活化温度为750℃时Al2O3溶出率达到最大，超过750℃后Al2O3溶出率会有所下降，这是因为温度过高会发生烧结反应，影响粉煤灰的活化，所以最佳活化温度为750℃，此时Al2O3溶出率为96．22%。

2．2 Na2 CO3和K2 CO3混合物与粉煤灰的比例对Al2 O3溶出率的影响

实验条件：煅烧活化温度750℃，硫酸浓度为0．6 mol／L，保温时间为45 min，水浴温度为80℃。

采用6种不同的Na2CO3和K2CO3混合物与粉煤灰的比例进行水平实验，所得的Al2O3溶出率结果见图2。

图2 Al2 O3溶出率随Na2 CO3／K2 CO3：粉煤灰的变化情况

由图2可知，Al2O3溶出率随着Na2CO3和K2CO3混合物与粉煤灰比例的增加先增大后减小，在比例为2∶1时达到最大，超过2∶1时Al2O3溶出率有所下降。这是因为随着碱液浓度的增大使得粉煤灰的反应活性变大，反应比较充分，Al2O3溶出率逐渐变大，但当Na2CO3／K2CO3的含量进一步增大时，Al2O3引发二次沉淀生成水合硅铝酸钠，使得Al2O3溶出率有所降低，所以Na2CO3和K2CO3混合物与粉煤灰的比例选取2∶1。

2．3 保温时间对Al2 O3溶出率的影响

实验条件：煅烧活化温度为750℃，Na2CO3和K2CO3与粉煤灰的比例为2∶1，H2SO4浓度为0．6 mol／L，水浴温度为80℃。

马弗炉内达到活化温度后采用5种不同的保温时间进行水平实验，所得的Al2O3溶出率结果见图3。

图3 不同保温时间对Al2 O3溶出率的影响

由图3可知，Al2O3溶出率随着保温时间增长会有所提高，当保温时间超过45 min时，Al2O3溶出率基本不再提高。这是因为随着保温时间的延长，体系中Al2O3溶出反应处于平衡，Al2O3的溶出与生成硅铝酸钠的量基本相当，所以Al2O3的溶出率不会随着保温时间的延长有明显的增加。

2．4 H 2 SO4浓度对Al2 O3溶出率的影响

实验条件：煅烧活化温度750℃，Na2CO3和K2CO3与粉煤灰的比例为2∶1，达到活化温度后保温时间为45 min，水浴温度为80℃。

采用5种不同的H2SO4浓度进行水平实验，所得的Al2O3溶出率结果见图4。

由图4可知，Al2O3溶出率随着H2SO4浓度的增大而逐渐增大，H2SO4浓度为0．6 mol／L时，Al2O3溶出率最大，当H2SO4浓度继续增大时Al2O3溶出率变化不大。这是因为粉煤灰的活化主要发生在加碱煅烧阶段，H2SO4浓度对于粉煤灰的活化作用不大。所以溶出剂H2SO4的最佳浓度为0．6 mol／L。

图4 H2 SO4浓度对Al2 O3溶出率的影响

2．5 酸浸水浴温度对Al2 O3溶出率的影响

实验条件：煅烧活化温度750℃，Na2CO3和K2CO3混合物与粉煤灰的比例为2∶1，达到活化温度后保温时间为45 min，H2SO4浓度为0．6 mol／L。

采用5种不同的酸浸水浴温度进行水平实验，所得的Al2O3溶出率结果见图5。

图5 酸浸水浴温度对Al2 O3溶出率的影响

由图5可知，酸浸水浴温度为80℃时，Al2O3溶出率最大，当超过80℃时Al2O3溶出率增加变缓，本着节能环保的原则，选择最佳水浴温度为80℃，此时Al2O3溶出率为98．36%。

3 结论

（1）粉煤灰高附加值利用是当前粉煤灰资源化研究的新方向。

（2）采用活化－酸浸工艺对粉煤灰中的Al2O3溶出规律进行研究，得出最佳工艺条件为：热处理温度为750℃，Na2CO3和K2CO3混合物与粉煤灰的比例为2∶1，热处理保温时间为45 min，H2SO4浓度为0．6 mol／L，酸浸水浴溶出温度为80℃，Al2O3的溶出率为98．36%。

（3）活化－酸浸法提取粉煤灰中的Al2O3为提高粉煤灰的附加值开辟了一条新的技术途径，该方法技术理论成熟、工艺简单易行、溶出率较高，具有较好的应用前景。

［1］ Blanco F，Gatcia M P，Ayala J．Variation in fly ash properties with milling and acid leaching［J］．Fuel，2005，84（1）：89－96．

［2］ 石磊．粉煤灰的综合利用现状与展望［J］．再生资源研究，2006（2）：41－44．

［3］ 刘云颖．粉煤灰提取氧化铝研究现状［J］．无机盐工业，2007，39（10）：16－18．

［4］ 余超，方荣利．精细化利用粉煤灰制备超细氧化铝［J］．无机盐工业，2005，37（12）：47－49．

［5］ 孙秀君，舒新前．酸浸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律的研究［J］．无机盐工业，2013，45（11）：44－46．

［6］ 赵俊梅，张金山，李小雪．粉煤灰硫酸化焙烧提取硫酸铝的试验研究［J］．轻金属，2014（1）：14－16．

［7］ 李思琼，陈杰．粉煤灰提氧化铝工艺研究进展［J］．轻金属，2013（11）：25－26．