酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律的研究

朱福星

（神华准能资源综合开发有限公司氧化铝中试厂，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

国外利用粉煤灰提取氧化铝的研究起步较早，早在20世纪50年代，波兰克拉科夫矿冶学院格日麦克教授以高铝煤矸石或高铝粉煤灰（Al2O3＞30%）为主要原料，采用石灰石煅烧法，从中提取氧化铝并利用其残渣生产硅酸盐水泥，取得了一些研究成果，并于1960年在波兰获得两项专利。美国采用Ames法（石灰烧结法），年处理粉煤灰30万吨，Al2O3提取率为80%。美国橡树岭国家实验室已完成DAL法（酸浸法）从粉煤灰中提取各种金属、残渣作填料的研究。此外美国还将粉煤灰掺入铝中，提高铝的产量，降低成本、增加硬度、改善可加工性及提高耐磨性。近些年来国外有关这方面的报道较少，较新的研究成果是Park等采用明矾中间体法从粉煤灰中提取了氧化铝。

粉煤灰作为燃煤电厂的主要废弃物，排放量不断的增加对人们日常生活造成一定影响，其大量堆积不但污染环境，还占用了大量土地，对这些工业固体废弃物的开发利用成为人们关注的重点，经过多年的发展，我国在粉煤灰中各种物质提取的技术有了一定的提高，同时也取得了一些初步成果，但因受到多种因素的影响，粉煤灰的综合利用还存在利用率低、开发利用形式单一等问题，因此对于粉煤灰的综合利用方面还需要进行深入研究。

我国从粉煤灰中提取氧化铝的研究同样可以追溯到20世纪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烧结-碳酸钠溶出工艺从粉煤灰中提取氧化铝、其硅钙渣用作水泥原料的工艺路线，于1982年2月通过专家鉴定。宁夏自治区建材研究院在90年前后展开了碱-石灰烧结法从粉煤灰中提取氧化铝的研究，其特点之一就是先对粉煤灰进行脱硅处理之后再采用碱-石灰烧结法从中提取氧化铝。内蒙古蒙西集团和中国科学院长春应用化学研究所合作，已经进行了将近10年的研究，目前已经获得了一套石灰石烧结法提取氧化铝并联产水泥的技术路线，该项目2006年初通过批准，现已开始投资兴建年产40万吨氧化铝的生产线。此外，东北大学在山西也展开了类似的研究，目前也已取得阶段性成果。从粉煤灰中提取氧化铝的方法按主要添加剂的酸碱性来说可分为酸法、碱法以及酸碱混合法。因此，针对酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律进行研究是具有现实意义的，本文通过试验方法展开具体规律研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

试验所用粉煤灰选自燃煤电厂，其具体组成成分包括：二氧化硅为42.28%、三氧化二铝为38%、氧化钙为1.30%、氧化镁为1.12%、偏钛酸钡为0.697%、三氧化二铁5.77%以及烧失量为8.98%，总量记为99.15%。粉煤灰的主要组成成分为二氧化硅以及三氧化二铝，其他元素所占比例极小。在粉煤灰中除含有大量呈针状或棒状形态的莫来石晶体外，还含有较多的呈球形的铝硅酸盐玻璃体。

1.2 试验流程

实验用粉煤灰中的氧化铝含量要求达到50%左右，选用高铝粉煤灰，实验样品粉煤灰颗粒主要由不规则的多孔碎屑体和表面比较光滑、球形度较好的石英组成，首先，制作粉煤灰球，将粉煤灰的直径磨至70μm。在粉煤灰球制作过程中必须将粉煤灰球有勃结的区域用角磨机打磨平整，避免由于表面粗糙影响酸浸效果。完成以上操作后，将制备好的粉煤灰球放置于温度为(25士4)℃，湿度大概在50%左右的实验室中。再对酸浸的时间长度、反应温度、酸浸浓度以及氟化钠与灰的质量比等影响因素进行具体设定。当液固比在20：1的条件下.加入较高浓度的硫酸，并且加入适当的助溶剂对粉煤灰中的莫来石和铝硅酸盐玻璃相进行酸浸，将莫来石转换为容易分解的物质，直至反应完全后过滤.并结合《国标法》中的测定标准，测定硫酸溶液中的铝含量。

2 试验结果

2.1 溶出剂的选择

酸法溶出是用粉煤灰与酸进行接触将铝溶出，并对溶出液体进行有效处理得到氧化铝，而由于粉煤灰结构与其他含氧化铝物质有所差异，因其结构特殊，在与酸性物质结合时内部结构紧密，氧化铝为非活性体，若想要提高氧化铝的浸出率，采取办法提高粉煤灰中氧化铝的活性。为研究酸法提取粉煤灰中氧化铝的溶出规律，改变传统酸浸法中的溶出剂，将盐酸改为硫酸。

考虑到盐酸中的铝和氯很难融合在一起形成稳定的组合，而且酸法提取粉煤灰中氧化铝需要在高温下进行，盐酸具有高温下极易挥发的特点，因此，不考虑盐酸作为溶出剂的首选。而硫酸溶出剂不同于盐酸具有很好的稳定性以及极强的反应活性，应用于酸法提取粉煤灰中氧化铝中，还能够在一定程度上起到活化粉煤灰的作用。为此，本文选用硫酸作为溶出剂，通过硫酸自身特性破坏莫来石的结构，从而最大限度的提高酸法提取粉煤灰中氧化铝的溶出率。在利用酸法对粉煤灰进行溶出时，如果使用浓酸，因其具有较强的挥发性，加入粉煤灰中所产生的气体会对环境造成污染，在进行实验研究过程中应注意硫酸溶出剂的使用浓度，以减少对环境所产生的压力。

2.2 反应温度对氧化铝溶出率的影响

本次试验的固定条件包括：选取浓度为6.5mol/L的硫酸溶出剂、配比为0的助溶剂，将液固比控制在20:1，将反应时间设置为3小时。

本文设计的整体试验坚持低能耗的原则，因此，采用10个试验水平温度均低于90℃的反应温度进行以每10℃为节点的单因素分析。试验结果为：当反应温度为10℃时，氧化铝的溶出率为2.12%；当反应温度为20℃时，氧化铝的溶出率为2.97%；当反应温度为30℃时，氧化铝的溶出率为3.17%；当反应温度为40℃时，氧化铝的溶出率为3.82%；当反应温度为50℃时，氧化铝的溶出率为4.61%；当反应温度为60℃时，氧化铝的溶出率为5.37%；当反应温度为70℃时，氧化铝的溶出率为6.02%；当反应温度为80℃时，氧化铝的溶出率为6.98%；当反应温度为90℃时，氧化铝的溶出率为7.56%。根据试验结果可以看出氧化铝的溶出率随着反应温度的上升而增大，因此，反应温度与氧化铝的溶出率之间呈正比例增长的关系，尤其是当反应温度在60℃～90℃之间时，氧化铝的溶出率增长迅速，且始终为上升趋势。综上所述，本文根据反应温度对氧化铝溶出率的影响，建议采用溶出剂的沸腾温度作为反应温度的最高值。

2.3 硫酸浓度对氧化铝溶出率的影响

结合以往对硫酸的理论分析，高浓度硫酸自身具有极强氧化性。这就意味着，使用硫酸作为溶出剂必然会产生十分强烈的化学反应，不但能够得到更高的氧化铝溶出率，而且能够在很大程度上缩短酸法提取粉煤灰中氧化铝的溶出周期。本次试验设定助溶剂与粉煤灰质量比也就是助溶剂的配比为0.15，将液固比控制在20:1，将反应时间设置为3小时。在相同的反应温度下，研究硫酸浓度对氧化铝溶出率的影响。采用10个硫酸浓度，最高不超过20mol/L进行以每2mol/L为节点进行单因素分析。试验结果为：当硫酸浓度为2mol/L时，氧化铝的溶出率为20.17%；当硫酸浓度为4mol/L时，氧化铝的溶出率为28.63%；当硫酸浓度为6mol/L时，氧化铝的溶出率为34.52%；当硫酸浓度为8mol/L时，氧化铝的溶出率为46.19%；当硫酸浓度为10mol/L时，氧化铝的溶出率为60.11%；当硫酸浓度为12mol/L时，氧化铝的溶出率为65.17%；当硫酸浓度为14mol/L时，氧化铝的溶出率为67.78%；当硫酸浓度为16mol/L时，氧化铝的溶出率为63.15%；当硫酸浓度为18mol/L时，氧化铝的溶出率为60.07%；当硫酸浓度为20mol/L时，氧化铝的溶出率为15.13%。根据试验结果可以看出氧化铝的溶出率在硫酸浓度小于16mol/L时，一直呈上升趋势；在硫酸浓度大于16mol/L时，一直呈下降趋势，尤其是在硫酸浓度为20mol/L时，氧化铝的溶出率降至最低，且低于当硫酸浓度为2mol/L时的氧化铝溶出率。出现此现象的主要原因为当硫酸浓度大于18mol/L时，硫酸溶液中几乎已经没有铝的存在了。综上所述，本文根据硫酸浓度对氧化铝溶出率的影响，建议采用硫酸浓度的最佳浓度为16mol/L。

2.4 助溶剂配比对氧化铝溶出率的影响

酸法提取氧化铝的过程中，氧化铝的提取率往往受多种因素的影响，如在粉煤灰中加入硫酸的配比是反应能否顺利进行的关键，要提高粉煤灰中氧化铝的含量，氟化钠的比值对铝溶出率也有较大影响，比值越大，铝溶出率越高。在明确硫酸浓度对氧化铝溶出率影响的基础上，选用16mol/L的硫酸溶出剂以及反应温度为沸腾温度的条件下，将液固比控制在20:1，将反应时间设置为3小时，研究助溶剂配比对氧化铝溶出率的影响。考虑到动力学和烧结温度问题，适当加大助溶剂的配比，根据氧化铝溶出过程的原理，采用10种助溶剂配比，最高不超过0.20进行以每0.02为节点进行单因素分析。试验结果为：当助溶剂配比为0.02时，氧化铝的溶出率为78.17%；当助溶剂配比为0.04时，氧化铝的溶出率为78.56%；当助溶剂配比为0.06时，氧化铝的溶出率为78.35%；当助溶剂配比为0.08时，氧化铝的溶出率为78.15%；当助溶剂配比为0.10时，氧化铝的溶出率为78.21%；当助溶剂配比为0.12时，氧化铝的溶出率为77.97%；当助溶剂配比为0.14时，氧化铝的溶出率为78.02%；当助溶剂配比为0.16时，氧化铝的溶出率为78.77%；当助溶剂配比为0.18时，氧化铝的溶出率为78.63%；当助溶剂配比为0.20时，氧化铝的溶出率为78.01%。根据试验结果可以看出助溶剂配比对氧化铝溶出率的影响不大，几乎为零。

因此，在酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出过程中，可以不添加助溶剂。这样一来，能够在节约成本的同时，尽可能的减少了对环境的污染。

2.5 酸浸时间对氧化铝溶出率的影响

选用16mol/L的硫酸溶出剂以及反应温度为沸腾温度的条件下，将液固比控制在20:1，且不添加助溶剂，将反应时间设置为3小时，研究酸浸时间对氧化铝溶出率的影响。采用10个酸浸时间，最长不超过3小时进行以每18min为节点进行单因素分析。试验结果为：当酸浸时间为18min时，氧化铝的溶出率为40.07%；当酸浸时间为36min时，氧化铝的溶出率为45.61%；当酸浸时间为54min时，氧化铝的溶出率为50.03%；当酸浸时间为72min时，氧化铝的溶出率为54.72%；当酸浸时间为90min时，氧化铝的溶出率为59.97%；当酸浸时间为108min时，氧化铝的溶出率为62.17%；当酸浸时间为126min时，氧化铝的溶出率为68.47%；当酸浸时间为144min时，氧化铝的溶出率为80.21%；当酸浸时间为162min时，氧化铝的溶出率为80.69%；当酸浸时间为180min时，氧化铝的溶出率为80.01%。根据试验结果可以看出氧化铝的溶出率随着酸浸时间的增长而增大，因此，酸浸时间与氧化铝的溶出率之间呈正比例增长的关系。当酸浸时间在144min-180min之间，氧化铝的溶出率变化不大，基本达到最大值。综上所述，酸浸时间选取在162min左右即可。

3 试验讨论

从粉煤灰中提取高氧化铝源于波兰，是一种将粉煤灰研磨焙烧活化后，与硫酸溶液加热反应，浸出的氧化铝，用热水煮溶后，浓缩冷却析出硫酸铝结晶，升温脱水得到无水硫酸铝，继续升温分解得到Al2O3，并进一步制备得到冶金级氧化铝。

该项技术的缺陷很大，首先高铝粉煤灰的供应量本身是一种限制，目前在我国中西部、内蒙地区这种粉煤灰有此类粉煤灰，其次，高铝粉煤灰制铝的成本较传统工艺高，虽利用了粉煤灰解决铝业开采问题，但同时增加了其他能源和资源的浪费，此类项目的主要意义不在于经济性，而是国家安全战略性，目前单纯从经济效益方面来评定，属于高投入少产出，不具备市场竞争力，但高铝粉煤灰提取氧化铝是全球发展的战略性项目，在未来科技学平和人员研发水平的提高，一定会解决目前的瓶颈。本文通过提出的试验，以粉煤灰球作为此次试验研究的对象，分析酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律，通过此次试验研究，可知试验中不同变量与氧化铝溶出率之间存在一定的可寻找规律，经过一系列的研究得知，以下五点规律，分别为：

（1）溶出剂的选择为硫酸；

（2）当反应温度达到沸腾温度时，氧化铝溶出率最高；

（3）当硫酸浓度为16mol/L时，氧化铝溶出率最高；

（4）助溶剂配比对氧化铝溶出率的影响几乎为零；

（5）当酸浸时间选取在162min左右，氧化铝溶出率最高。

总而言之，通过本文提出的酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律的研究不但可以提升氧化铝的溶出率，还能够降低成本、减少环境污染。

4 结语

综上所述，本文开展了酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律的研究，针对反应温度、硫酸浓度、助溶剂配比以及酸浸时间四个自变量，研究与氧化铝溶出率之间潜在的规律，并得出结论：溶出剂的选择为硫酸，当反应温度达到沸腾温度时，氧化铝溶出率最高；硫酸浓度为16mol/L时，氧化铝溶出率最高；助溶剂配比对氧化铝溶出率的影响几乎为零；酸浸时间选取在162min左右，氧化铝溶出率最高。因此，研究酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律对氧化铝溶出存在一定积极作用，可提升氧化铝的溶出率。在粉煤灰提铝行业的发展中，我们应当致力于降低反应温度和减少废渣的排放量，寻找合适的煅烧工艺，降低反应过程能耗，建立产量更高、能耗和废弃物排放量更少的工业化生产路线，实现粉煤灰中氧化铝的高效提取。

尽管本文的研究已经趋近于完善，但在后期的研究中仍存在一些不足有待解决，有必要加大酸法提取粉煤灰中氧化铝的研究力度。截至目前，国内外针对酸法提取粉煤灰中氧化铝溶出规律的研究仍存在一些问题，缺少专业性极强的配套试验研究装置，因此在后期的行业市场调研过程中，可通过进行粉煤灰的优化设计，进一步对酸法提取粉煤灰中氧化铝提出深入研究。