不同种类煤矸石活化后铝浸取率的研究

刘鹏浩

摘 要：煤炭是人类不可或缺的珍贵资源，在采煤过程中，必然会产生大量的煤矸石。然而，未经处理的煤矸石不仅会造成资源的浪费，还会危害土地资源、周边大气、地下水资源和环境安全。对于传统的煤矸石，有效的利用途径是回收其中少量煤炭用于锅炉和电厂，也可当作制造建筑材料等。研究发现，煤矸石中含有相当可观的铝、铁、硅、镁和钙等珍贵元素，并且铝、硅含量最为突出。铝在煤矸石中主要以高度惰性的高岭石存在，在普通条件下很难发生化学反应，因此，要想提取、利用煤矸石中的铝，就必须经过活化。不同地区煤矿所产生的煤矸石组分差异很大，所以，不同种类的煤矸石中铝含量也各不相同，铝含量是否会对铝的提取产生显著的影响呢？实验表明，采取活化方法时，铝的提取率受煤矸石中铝含量的影响不大，即提取率与煤矸石来源无关。

关键词：煤矸石；活化；铝含量；铝提取率

中图分类号：TD849.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.004

文章编号：2095-6835（2015）15-0004-03

1 国内外研究现状和研究方向

煤矸石是煤炭生产中的副产品之一，目前，煤炭排矸量占采煤量的10%～25%，因此，解决煤矸石堆积如山的问题是势在必行的。通过查找和参阅有关煤矸石利用的国内外文献和研究报告发现，现阶段，对煤矸石中铝的提取和影响提取效率因素的研究着重于单次煅烧和酸浸提取。

因为天然的煤矸石不能直接提取利用，所以，必须活化煤矸石，使有序的晶体转变为活性比较高的半晶质或非晶质。经过高温处理后，煤矸石中的高岭石结晶相可以分解为无定形物质，具有较高的化学反应活性。活化煤矸石有多种方法，但是，综合成本和效率等几个因素，确定高温煅烧为最佳的活化方式。然而，煅烧活化会受到诸多因素的影响，比如煤矸石粉颗粒大小、煅烧量和所选煅烧仪器、煅烧温度和煅烧时间等。煅烧后进行酸浸提取时，又会受到反应酸的选取、酸浓度、加酸量、反应时间和反应温度等因素的影响。通过实验选定适宜颗粒大小的煤矸石进行煅烧，取一定量的煅烧后的煤灰与一定量的酸在适宜温度下反应一定时间，而后过滤可从滤液中测定出铝含量，滤液中即为所提取的铝。

2 煤矸石的活化

我国超过70%的煤矸石以高岭石矿为主，未经活化处理的煤矸石晶格能较高、活性较低、直接利用率低。目前，国内外主要采用高温热活化和机械球磨活化的方法将煤矸石中的高岭石从稳定态变为介稳态。虽然煤矸石的化学成分与黏土很相似，同属于CaO-SiO2-Al2O3系统，但是，煤矸石结构中的Si-O键和Al-O键结合能很大，结晶程度很高，使得颗粒内部本来不多的可溶性SiO2、Al2O3很难溶出，而其活性也很难发挥出来。

煅烧煤矸石的主要目的有2个：①除碳。由于煤矸石是夹在煤层中的，所以，必然含有一定的碳，但是，碳对水有极强的吸附作用。因此，对于未自燃过的煤矸石，必须通过煅烧除去碳后才可以利用。在煅烧的过程中，应着重控制煤矸石的烧失量。②利用高温下各微粒产生剧烈的热运动，脱去矿物中的结合水，使钙、铁、镁等阳离子重新选择填隙位置，组织铝氧三角体和硅氧四面体充分地聚合成长链，从而形成大量的自由端的断裂点，形成热力学不稳定状态玻璃相结构，以达到活化的目的。

3 实验部分

3.1 实验材料和设备

3.1.1 原材料

该实验以长治市潞安集团5个不同矿区的煤矸石样品为研究材料，而这5个煤矿分别为常村煤矿①、王庄煤矿②、余吾煤矿（原屯留煤矿）③、郭庄煤矿④和漳村煤矿⑤。在实验研究和结果分析的过程中，均以数字记号来表示各煤矿的煤矸石。

3.1.2 实验仪器和设备

颚式破碎机、小型中药粉碎机（500 g装）、行星式球磨机（QM-3SP2）、80目筛；电炉（DRZ-12）、分析天平（精确到0.000 1 g）、镍坩埚（30 mL）、表面皿、盛水盘；马弗炉（SGM28）、100 mL坩埚、天平；调温型电热套（MH-1000）、四口烧瓶（250 mL）、电动搅拌器（JB50-D）、真空泵（SHZ-D）、滴定装置、pH指示仪（pHS-P1）。

3.1.3 试剂

用到的试剂主要有：质量分数为95%的乙醇（GB 679—65），分析纯；氢氧化钠（GB 629—77），分析纯；1∶1的盐酸，物质的量浓度不低于8 mol/L的浓盐酸；质量分数为1%的明胶热溶液（70～80 ℃），现用现配；1∶1的氨水；质量分数为1%的磺基水杨酸；物质的量浓度为0.025 mol/L的EDTA标准溶液；物质的量浓度为0.010 0 mol/L的EDTA标准溶液；醋酸-醋酸钠缓冲溶液；PAN指示剂（0.1%）；物质的量浓度为0.025 mol/L的硫酸铜标准溶液。

3.2 研究方法

3.2.1 样品制备

在实验准备阶段，前往潞安集团下属的几个煤矿选煤厂进行煤矸石取样，分别在生产线上取到了各个矿区的煤矸石样品，在潞安集团采集到8种样品，而实验室原有5种煤矸石，所以，制样共13种煤矸石样品。

取采集到的煤矸石样品500 g左右放于颚式破碎机中初步破碎，将煤矸石破碎为粒径比较小的碎块，但是，球磨的物料粒径需达到3 mm以下。于是，将颚式破碎机中破碎过的物料放于小型中药破碎机中进一步破碎，破碎结束后得到粒径小于1 mm以下的物料。如此便将破碎后的物料置于行星式球磨机中进行球磨，球磨时间2 h以上，待球磨结束后，将物料过80目筛，选取筛下物料作为实验用样品。

3.2.2 原煤矸石铝含量测定

该实验测定了①②③④⑤5种煤矸石样品的铝含量，具体的测定步骤是：①准确称取0.5 g试样于洁净的30 mL镍坩埚中，用几滴质量分数为95%的乙醇试样润湿，再加入4 g分析纯氢氧化钠，盖上盖后，将坩埚置于电炉上，熔融15～20 min钟后取出坩埚。②放入装有冷蒸馏水的盘中急冷，待坩埚凉后，取出坩埚，擦净坩埚外壁平放于25 mL的烧杯中，加入1 mL质量分数为95%的乙醇和适量的沸水，盖上表面皿，等剧烈反应停止后倒出浸出物，将其放置于25 mL的烧杯中，以少量1∶1的盐酸和刚煮沸的热蒸馏水交替冲洗表面皿、坩埚和坩埚盖三四次，使熔融物完全浸出。③向聚集浸出液的250 mL烧杯中加入物质的量浓度不低于8 mol/L的浓盐酸20 mL，摇匀后，将烧杯置于电热板上，慢慢蒸成带黄色盐粒。然后取下稍冷，加入物质的量浓度为8 mol/L的浓盐酸20 mL，盖上表面皿，加热到约80 ℃，加入质量分数为1%的动物胶热溶液（70～80 ℃）10 mL，剧烈搅拌1 min，保温10 min，以便让硅酸充分凝聚。④取下待稍冷，加热水约50 mL，搅拌，使盐类充分溶解。之后立即用中速定量滤纸向250 mL容量瓶中过滤，将沉淀用热水洗除，再用戴橡皮头的玻璃棒擦净杯壁和杯底，用热水洗至无氯离子为止（用质量分数为1%的硝酸银检验）。将滤液冷却到室温，用水稀释到刻度，此溶液连同滤纸和过滤物来分析煤矸石的各组分。⑤得到的滤液用3.2.5中的滴定方法滴定，从而测定出其中的铝含量。