煤矸石除雜及堿融活化制取硅酸鈉的實驗研究*

孔德順，吳紅

（六盤水師范學院化學與化工系，貴州 六盤水 553004）

煤矸石除雜及堿融活化制取硅酸鈉的實驗研究*

孔德順，吳紅

（六盤水師范學院化學與化工系，貴州 六盤水 553004）

摘 要研究利用煤矸石中的硅元素制取硅酸鈉，先將煤矸石粉在750℃下煅燒2 h，除去有機質并破壞了煤矸石中的高嶺石等礦物的晶型結構，再將煅燒過的煤矸石粉在95℃、液固比（mL/g）為8∶1、質量分數為40％的硫酸中酸浸5 h，煤矸石煅燒粉中的鐵和鋁等金屬雜質離子的總去除率為86.93％；還研究了堿融活化條件對硅元素溶出率的影響，獲得了適宜的堿融活化條件：m（酸浸粉）∶m（碳酸鈉）=1∶1.5、堿融溫度為800℃、堿融時間為2 h。在此條件下，硅元素溶出率大于75％，最終獲得了硅酸鈉溶液。

關鍵詞：煤矸石；除雜；堿融；硅酸鈉

煤矸石是采煤和洗選過程中產生的廢棄物，未經處理而隨意丟棄既會污染環境，占用大量土地［1］，還會造成資源浪費。筆者以煤矸石為原料，經煅燒除去煤矸石中的有機質并破壞了煤矸石中的高嶺石等礦物的晶型結構，對于化學活性差的石英，采用加入Na2CO3并在一定溫度下煅燒的方法，使其轉化為可溶性且用途廣泛的化工原料硅酸鈉，提高了硅元素的溶出率，并獲得了硅酸鈉溶液，為進一步開發白炭黑等化工產品奠定了基礎。

1 實驗部分

1.1 原料

運用XRF對煤矸石樣品進行主次量成分分析，其組成（質量分數）：SiO2，53.77％；Al2O3，17.20％； Fe2O3，7.56％；CaO，2.83％；MgO，0.77％；TiO2，1.76％；K2O，0.77％；Na2O，0.21％。圖1為煤矸石樣品的XRD譜圖。

圖1 煤矸石的XRD譜圖

煤矸石樣品的燒失量為14.59％，結合分析數據可知，該礦樣的主要礦物組成為高嶺石和石英，還含有黃鐵礦、碳質等。

1.2 試劑及儀器

試劑：Na2CO3、NaOH、乙二胺四乙酸（EDTA）、NH4Cl、無水CaCl2、CaCO3、硫酸、乙醇、苯二甲酸氫鉀、5-磺基水楊酸、氨水等，均為分析純。

儀器：ARL9900XP＋型X射線熒光光譜儀（XRF）、TD-2500型X射線多晶衍射儀（XRD）、XLV型箱形高溫爐、DZ-88型電熱恒溫真空干燥箱、HH-S2型數顯恒溫水浴鍋、JJ-1A型數顯電動攪拌器等。

1.3 實驗過程

先將煤矸石破碎至粒徑小于74 μm，在750℃下煅燒2 h以除去碳等有機質，再將該煤矸石煅燒粉加入硫酸中于一定條件下反應，反應結束后計算總的雜質去除率；向除雜后的酸浸粉中加入一定質量的碳酸鈉固體，混合均勻后在馬弗爐中于一定溫度下煅燒一定時間，加水溶解得到硅酸鈉溶液。

2 結果與討論

2.1 煅燒產物的XRD分析

圖2為煤矸石煅燒粉的XRD譜圖。由圖2可知，煅燒后煤矸石中的高嶺石、黃鐵礦等物質的衍射峰消失，而石英的衍射峰依然存在，這表明單純的煅燒只能破壞煤矸石中的高嶺石、黃鐵礦等礦物的晶形結構，而不能破壞石英的晶型結構。

圖2 煤矸石煅燒粉的XRD譜圖

2.2 酸浸去除金屬氧化物反應條件的確定

煅燒后，煤矸石中的有機質及水等被脫去，煤矸石粉呈淺磚紅色，此時產物的主要成分是石英及無定形態的SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物。實驗采用硫酸溶解其中的金屬氧化物，考察了不同反應條件對金屬氧化物總去除率的影響。

1）硫酸濃度。酸濃度會影響反應速率，酸濃度過高則黏度太大，不利于雜質離子的擴散，濃度太低則反應速率降低。在反應時間為5 h、液固比（mL/g）為8、反應溫度為95℃的條件下，考察了不同硫酸質量分數（20％、30％、40％、50％）對金屬雜質去除率的影響，如圖3a所示。從圖3a可見，金屬氧化物的去除率隨硫酸濃度的增加而增加，當硫酸質量分數為40％時，金屬雜質總去除率達到最大（86.93％）；當硫酸濃度進一步增大時，雜質的去除率反而降低，這說明硫酸濃度太高時，會影響過程的傳質，使鋁鐵等雜質離子不能有效地從固相擴散到液相中。因此，實驗選擇適宜的硫酸質量分數為40％。

2）反應溫度。在反應時間為5 h、液固比（mL/g，下同）為8、硫酸質量分數為40％的條件下，考察了不同反應溫度（80、85、90、95℃）對金屬雜質去除率的影響，如圖3b所示。從圖3b可見，雜質離子的去除率隨反應溫度的升高而增加，溫度越高，鋁鐵等雜質離子的去除率越高。因此，實驗選擇適宜的反應溫度為95℃。

圖3 硫酸濃度（a）和反應溫度（b）對金屬去除率的影響

3）液固比。在反應時間為5 h、硫酸質量分數為40％、酸浸溫度為95℃的條件下，考察了不同液固比（4、6、8、10）對金屬雜質去除率的影響，結果如圖4a所示。從圖4a可見，鋁鐵等雜質離子的去除率隨著液固比的增大而增加。當液固比過小時，硫酸量不足，且體系中的液相部分較少，不利于鋁鐵等雜質離子的擴散，導致去除率偏低；當液固增大時，硫酸的量相對充足，液相部分所占的比例較大，有利于傳質過程的進行，所以去除率隨著液固比的增大而提高。綜合考慮，實驗選擇適宜的液固比為8。

4）反應時間。在硫酸質量分數為40％、酸浸溫度為95℃、液固比為8的條件下，考察了不同反應時間（1、2、3、4、5、6 h）對金屬雜質去除率的影響，如圖4b所示。從圖4b可見，去除率隨反應時間的延長而提升，當反應時間超過5 h時，去除率增幅很小。因此，實驗選擇適宜的酸浸時間為5 h。

圖4 液固比（a）和反應時間（b）對去除率的影響

根據以上的結論，將煤矸石粉采用750℃煅燒2 h、H2SO4質量分數為40％、液固比為8∶1、95℃硫酸酸浸5 h的條件處理，并分析了產物的化學組成（質量分數）：SiO2，81.1％；CaO，2.83％；MgO，0.77％；Al2O3，4.30％；Fe2O3，0.72％；TiO2，2.24％。經對比可知，煅燒及酸浸除雜后，原料中的金屬離子的含量大大降低，SiO2的含量相對提高。

2.3 純堿堿融產物的XRD分析

煤矸石酸浸粉中含有的SiO2，一部分是可溶于堿液的無定形SiO2，另一部分是石英晶體，為了提高煤矸石中硅元素的利用率，需將石英成分活化。實驗采用將除雜以后的酸浸粉堿融，將石英轉化為易溶于水的Na2SiO3的方法以提高硅元素的利用率。圖5為堿融后的粉料、及水洗后的濾渣的XRD譜圖。從圖5可見，酸浸粉經堿融后，石英的特征峰消失，出現了硅酸鈉的衍射峰，可知經堿融后，石英及無定形態的SiO2轉化為硅酸鈉，水洗后所剩濾渣的XRD為彌散峰，可知硅酸鈉溶解進入了溶液。結果表明，該法有效地活化了全部石英及部分無定形態的SiO2。

圖5 堿融后的粉料及水洗后的濾渣的XRD譜圖

2.4 純堿堿融條件對硅元素溶出率的影響

1）堿融溫度。將酸浸粉按m（酸浸粉）∶m（碳酸鈉）=1∶1.5加入碳酸鈉，考察了采取不同溫度煅燒2 h對硅元素的溶出率的影響，結果見圖6a。從圖6a可見，硅元素的溶出率隨堿融溫度提高先增加而后略有減少，當溫度低于700℃時，不能充分將石英活化；到800℃時，硅元素的溶出率最高；當溫度過高時，粉料燒結，不利于硅的溶出。因此，實驗選擇適宜的堿融溫度為800℃。

2）酸浸粉與碳酸鈉質量比。將酸浸粉在800℃下堿融活化2 h，考察了酸浸粉與碳酸鈉的質量比對水溶后硅元素溶出率的影響，結果見圖6b。從圖6b可見，硅元素的溶出率隨酸浸粉與碳酸鈉質量比的增大而增大，但當m（酸浸粉）∶m（碳酸鈉）＞1∶1.5時，硅元素溶出率增幅很小。當m（酸浸粉）∶m（碳酸鈉）=1∶1時，酸浸粉與碳酸鈉熔融成堅硬固體，這是因為碳酸鈉少，不能產生足夠的CO2氣體將混合物料撐開形成蓬松粉體，所以不利于硅元素的溶出，導致溶出率低；當m（酸浸粉）∶m（碳酸鈉）＞1∶1.5時，碳酸鈉已經將煤矸石中的晶體SiO2活化完全，SiO2的轉化率已較完全，所以硅元素溶出率增加不顯著。因此，實驗選擇適宜的酸浸粉與碳酸鈉質量比為1∶1.5。

3）堿融時間。按m（酸浸粉）∶m（碳酸鈉）=1∶1.5配加碳酸鈉，在800℃下反應，考察了堿融時間對硅元素溶出率的影響，結果見圖6c。從圖6c可見，堿融時間在1～2 h時，硅元素的溶出率隨時間的延長急劇增加；當堿融時間為3 h時，溶出率隨堿融時間的延長增幅很小，繼續延長時間則粉料容易結塊導致溶出率降低。因此，實驗選擇適宜的純堿融時間為2 h。

圖6 堿融條件對硅元素溶出率的影響

3 結論

1）將煤矸石粉在750℃煅燒2 h，除去了碳等有機質，再在95℃、液固比為8∶1、質量分數為40％的硫酸中酸浸5 h，鐵和鋁等金屬雜質離子的去除率可達86.93％；2）在m（酸浸粉）∶m（碳酸鈉）=1∶1.5、堿融溫度為800℃、堿融時間為2 h的條件下，可使石英及無定型二氧化硅的溶出率大于75％。

參考文獻：

［1］任根寬，張克儉.煤矸石提取氧化鋁工藝研究［J］.無機鹽工業，2010，42 （8 ）：54-56

聯系方式：kongdeshun518@163.com

中圖分類號：TQ131.12

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4990（2013）08-0042-03

收稿日期：2013-02-27

作者簡介：孔德順（1974—），男，副教授，碩士，主要從事礦產資源的深加工與利用研究，已公開發表論文10余篇。

*基金項目：六盤水市煤系固體廢棄物資源化利用創新團隊資助（52020-2012-04-01-02）；貴州省教育廳重點科研項目資助（2011年度）；貴州省煤炭資源清潔高效利用科研實驗平臺資助（黔科平臺[2011]4003）。

Experimental study on preparation of sodium silicate by purification of gangue and alkali melting activation

Kong Deshun，Wu Hong
（Department of Chemistry and Chemical Engineering，Liupanshui Normal University，Liupanshui 553004，China）

Abstract：In order to utilize silicon in the coal gangue to prepare sodium silicate，the gangue powder was calcined at 750℃for 2 h firstly，then the organic matters were removed and the crystal structures of the minerals，such as kaolin in the gangue were destroyed.The calcined gangue powder was leached in sulfuric acid with mass fraction of 40％and liquid to solid ratio of 8∶1 at 95℃for 5 h.The total removal ratio of impurity metal ions，such as iron and aluminum was 86.93％；the influences of the alkali melting activation conditions on the dissolution ratios of silicon element were investigated，then the suitable activation conditions were obtained:the mass ratio of acid leaching powder to sodium carbonate was 1∶1.5，the alkali melting temperature was 800℃，and the alkali melting time was 2 h.Under these conditions silicon element dissolution ratio was more than 75％and the sodium silicate solution was obtained finally.

Key words：gangue；purification；alkali melting；sodium silicate