對改性粉煤灰中硅鋁鐵溶出率的研究

秦玉珠，汪 寧，魏麗丹，孟令麗，王愛卿，張文斌，李岳姝，趙文光

粉煤灰的主要成分是SiO2，Al2O3、Fe2O3［1］。我國目前對粉煤灰的利用率很低，只有不到20%。如果把粉煤灰的主要成分回收利用起來，制備成聚合鋁、聚合鐵和聚合硅等無機高分子絮凝劑［2－4］，不僅能夠解決粉煤灰的處理不及時造成的環(huán)境污染問題，還能應(yīng)用于水處理工程，從而改善對耕地、水源、植被、大氣、生態(tài)平衡等造成的環(huán)境破壞［5－7］。由此可以看見，將粉煤灰當(dāng)作資源綜合利用起來，不但可以實現(xiàn)它的經(jīng)濟價值、社會價值和環(huán)境價值，而且對以后的能源問題具有很深遠的意義。本文主要通過研究粉煤灰的改性，尋找粉煤灰中硅鐵鋁離子溶出率較高的改性最佳工藝參數(shù)，從而為粉煤灰的綜合利用尋找一條新的路徑。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

1.1.1 實驗試劑

本實驗所用的粉煤灰取自于雞西某電廠，其化學(xué)組成如表1所示。鹽酸(分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司);氫氧化鈉(分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司);三氯化鋁(分析純，天津市天達凈化材料精細化工廠);三氯化鐵(分析純，沈陽市東化試劑廠)。

表1 粉煤灰的主要化學(xué)組成

1.1.2 實驗儀器

FO310C型馬弗爐(重慶泰圖科技有限公司)，DK－98－1型電熱恒溫水浴鍋(天津市泰斯特儀器有限公司)，CJ－0.5型高壓反應(yīng)釜(威海市新元化工機械廠)，101－0型電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)，DF－11型集熱式磁力加熱攪拌器(江蘇省金壇市醫(yī)療機械廠)。

1.2 實驗內(nèi)容

1.2.1 工藝流程

1.2.2 粉煤灰的改性

圖1 工藝流程圖

準(zhǔn)確稱取4 g粉煤灰和2 g NaOH于研缽中，研磨均勻。然后將研磨均勻的粉煤灰和NaOH混合物置于坩堝中。將坩堝放入馬弗爐中高溫焙燒1 h。當(dāng)溫度和時間達到后，使其自然冷卻，取出坩堝，將其研磨成粉末狀。

1.2.3 酸浸溶出離子

將研磨好的粉末至于100 mL的錐形瓶中。配制50 mL 20%的鹽酸溶液。將鹽酸溶液倒入錐形瓶中，震蕩均勻。然后將錐形瓶放在水浴加熱－攪拌器上以50℃轉(zhuǎn)速320r·min－1充分反應(yīng)1 h。期間會發(fā)現(xiàn)溶液變?yōu)榈S色，抽濾，等到濾渣和濾液。其中濾渣是含有硅酸的固體，濾液是含有Al3+和Fe3+的溶液。

1.3 溶出液中Al3+和Fe3+含量的測定

1.3.1 溶出液中Fe3+含量的測定

配制0.02mol·L－1的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液，準(zhǔn)確移取濾液10 mL，加入5滴磺基水楊酸鈉，5 mL pH=2的緩沖溶液，加熱至70℃，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至由酒紅色變?yōu)闇\黃色，記下消耗的EDTA溶液的體積，平行滴定3次。

1.3.2 溶出液中Al3+含量的測定

在上述溶液中加入1滴溴甲酚綠，用1:1的氨水調(diào)節(jié)溶液顏色至黃綠色，然后加入10 mL過量的EDTA溶液，2滴PAN指示劑，用CuSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，當(dāng)溶液達到茶紅色時到達終點。記下消耗的CuSO4的體積，平行滴定3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒實驗條件對A13+溶出率的影響

文獻表明，A13+溶出率一直是粉煤灰改性的瓶頸，所以本文僅列出了有代表性的A13+正交實驗表。以焙燒溫度、NaOH與粉煤灰的質(zhì)量比、焙燒時間3個因素作為影響因子，每個影響因子分別選擇3個水平，設(shè)計L9(33)正交實驗來研究粉煤灰的焙燒溫度、NaOH與粉煤灰的質(zhì)量配比、焙燒時間對A13+溶出率的影響。L9(33)正交實驗因素水平見表2，正交實驗結(jié)果見表3。

表2 L9(33)正交實驗因素水平表

由表2和表3可知，通過L9(33)正交實驗考察3個因素對從粉煤灰溶出率影響的優(yōu)組合是A3B3C3，即在焙燒溫度為800℃，NaOH與粉煤灰的質(zhì)量比為1∶3，焙燒時間為1.5 h的條件下，粉煤灰中A13+的溶出率高達 91.17%。

2.2 單因素酸浸時間對Al3+、Fe3+和Si3+溶出率的影響

2.2.1 單因素酸浸時間對Al3+、Fe3+溶出率的影響

在做完了粉煤灰的改性后，接著考察單因素酸浸時間對粉煤灰Al3+和Fe3+溶出率的影響，實驗結(jié)果分別見圖2和圖3。

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從圖2可以看出，做的七組實驗均具有相同條件:焙燒溫度800℃，NaOH與粉煤灰質(zhì)量比1∶3，焙燒時間1.5 h，鹽酸的體積分?jǐn)?shù)20%，水浴溫度50℃。水浴溫度不宜過高，因為鹽酸本身易揮發(fā)。從表中能夠看出，隨著酸浸時間的增加，溶出率也跟著增加，但是當(dāng)時間達到60 min后，溶出率的增加已經(jīng)變得很緩慢。所以從降低能耗等多方面綜合考慮，確定酸浸的最佳時間為1 h。

在考察單因素酸浸時間對粉煤灰鋁離子溶出率的影響的同時，考察單因素酸浸時間對粉煤灰鐵離子溶出率的影響，實驗結(jié)果見圖3。

本組實驗酸浸時間對粉煤灰鋁離子溶出率條件相同。從圖3可以看出，酸浸時間在20min以內(nèi)Fe3+溶出率較低;酸浸時間為30min時，F(xiàn)e3+溶出率大于50%，隨著酸浸時間的增加，溶出率也隨之增加;當(dāng)時間達到60 min后，F(xiàn)e3+溶出率的高達95%。酸浸時間大于60min，F(xiàn)e3+溶出率增長緩慢。相同條件下Fe3+的溶出率比Al3+的溶出率要高。

2.2.2 單因素堿溶溫度對硅溶出率的影響

采用高壓反應(yīng)釜對粉煤灰進行堿溶，考察單因素堿溶時溫度對硅溶出率的影響，實驗結(jié)果見圖4。九組實驗均是以焙燒的最佳條件以及酸溶的最佳時間為實驗條件，堿溶時控制其他條件不變，考察高壓反應(yīng)釜的溫度對粉煤灰中硅溶出率的影響。從圖4中可以看出，隨著溫度的升高，硅的溶出率也跟著上升;但當(dāng)溫度達到150℃以后，上升變得不明顯。由此可見，堿溶時，高壓反應(yīng)釜中的最佳溫度為150℃。

圖2 酸浸時間對粉煤灰中Al3+溶出率的影響

圖3 酸浸時間對粉煤灰中Fe3+溶出率的影響

圖4 堿溶溫度對粉煤灰中Si溶出率的影響

3 結(jié)論

(1)以正交實驗來研究粉煤灰的焙燒溫度、NaOH與粉煤灰的質(zhì)量配比、焙燒時間對A13+和Fe3+溶出率的影響，確定最佳工藝參數(shù)為焙燒溫度800℃，NaOH與粉煤灰的質(zhì)量比為1∶3，焙燒時間為1.5 h。粉煤灰中Al3+的溶出率最高為91.17%。

(2)考察了單因素酸浸時間對Al3+和Fe3+溶出率的影響和堿溶溫度對Si溶出率的影響。結(jié)果表明，酸浸時間為1 h，堿溶時高壓反應(yīng)釜的溫度為150℃，壓力為0.4 MPa時，Al3+、Fe3+和Si的溶出率最高。

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