粉煤灰鋁鐵分離實(shí)驗(yàn)研究

肖景波，吳怡然，陳居玲，夏嬌彬

（1.南陽(yáng)東方應(yīng)用化工研究所，河南南陽(yáng)473000；2.西安電子科技大學(xué)）

粉煤灰鋁鐵分離實(shí)驗(yàn)研究

肖景波1，吳怡然2，陳居玲1，夏嬌彬1

（1.南陽(yáng)東方應(yīng)用化工研究所，河南南陽(yáng)473000；2.西安電子科技大學(xué)）

粉煤灰中含有鋁、鐵等有價(jià)元素。在以濕法冶金工藝對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化、高值化綜合利用時(shí)，實(shí)現(xiàn)鋁、鐵的有效分離是制得合格化合物的基本前堤。首先采用硫酸分解粉煤灰制得含鋁、鐵硫酸鹽的酸浸出液，再將酸浸出液中Fe3+還原為Fe2+，然后以氨沉淀其中的鋁。 對(duì)鋁、鐵分離工藝進(jìn)行了深入研究。相關(guān)研究結(jié)果證明，在優(yōu)化工藝條件下，鋁沉淀率達(dá)到98.59%，鐵共沉淀率被控制在1.24%，鋁沉淀物中TFe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.074%，鋁、鐵分離效果良好。

粉煤灰；鋁、鐵分離；濕法冶金

粉煤灰含有硅、鋁、鐵、鈣、碳等有價(jià)元素，采用濕法冶金工藝對(duì)其進(jìn)行綜合利用制備高附加值化合物，如氧化鋁、冰晶石、氟化鋁、氫氧化鋁［1-5］、氧化鐵紅、高純氧化鐵、水玻璃、白炭黑［6］、人造沸石［7］、鎵、鍺［8-9］等是近來(lái)年研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。而要實(shí)現(xiàn)對(duì)粉煤灰高附加值化綜合利用，除了需要將其中的有價(jià)元素分解、浸出，還要進(jìn)行有效分離，如硅與鋁、鐵、鈣的分離，鋁與鐵的分離等，這是所制得化合物是否符合工業(yè)要求的最基本影響因素。為了解決粉煤灰綜合利用中各有價(jià)元素的分離問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)對(duì)粉煤灰中鋁、鐵元素的分離工藝進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

以硫酸分解粉煤灰使其中的鋁、鐵元素溶出，經(jīng)過(guò)濾實(shí)現(xiàn)鋁、鐵與硅的分離并收得含鋁、鐵硫酸鹽的酸浸出液。然后對(duì)酸浸出液中的鋁、鐵進(jìn)行分離。根據(jù)Al（OH）3、Fe（OH）3和Fe（OH）2溶度積常數(shù)及鋁、鐵在酸浸液中的濃度，計(jì)算鋁、鐵沉淀pH區(qū)間，得出Fe（OH）3沉淀區(qū)間為1.94～3.20；Fe（OH）2沉淀區(qū)間為7.06～8.95；Al（OH）3沉淀區(qū)間為3.69～4.89。

Al（OH）3開(kāi)始沉淀與Fe（OH）3沉淀完全pH接近，受相關(guān)因素影響，分離過(guò)程二者共沉淀機(jī)率較高，鐵、鋁分離困難。而Al（OH）3與Fe（OH）2沉淀pH距離較大，二者容易分離，因此可考慮將酸浸液中Fe3+還原為Fe2+，再采用先沉鋁后沉鐵的方法對(duì)鋁、鐵進(jìn)行分離。鋁、鐵分離效果取決于沉鋁過(guò)程鐵離子共沉淀的控制狀態(tài)。

為控制鋁沉淀過(guò)程中由局部堿性過(guò)強(qiáng)造成的鐵共沉淀，確保反應(yīng)的均衡性、穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)以堿性較弱的氨水為pH調(diào)節(jié)劑，以水為反應(yīng)底液，采用氨水與還原后酸浸出液并流滴加的方法進(jìn)行鋁、鐵分離實(shí)驗(yàn)，并對(duì)反應(yīng)終點(diǎn)pH、并流滴加速度、氨水濃度（稀釋比例）、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)鋁、鐵分離效果的影響進(jìn)行了考察。

1.2 分析方法

鋁：EDTA返滴定法；鐵：重鉻酸鉀容量法；鎂：EDTA容量法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)終點(diǎn)pH對(duì)鋁、鐵分離效果的影響

將還原后酸浸液與1+25稀氨水以并流方式加入底液中，控制加料溫度為95℃，加料時(shí)間為60 min，保溫時(shí)間為10 min。考察反應(yīng)終點(diǎn)pH對(duì)鋁、鐵分離效果的影響，見(jiàn)圖1。鋁沉淀率隨著pH升高而升高，在pH=5.0時(shí)達(dá)97.3%，繼續(xù)提升pH鋁沉淀率升幅趨緩。鐵沉淀率在pH=5.0以下時(shí)變化不眀顯，但5.0以上則突升，pH=5.3時(shí)鐵共沉淀率高達(dá)25.7%。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)終點(diǎn)pH升高，與Fe2+開(kāi)始沉淀pH接近，鐵共沉淀率上升。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)終點(diǎn)pH在5.0以上時(shí)，隨著反應(yīng)進(jìn)行鋁沉淀物逐漸顯淺黃色，而在pH小于5.0時(shí)始終為灰白色。這是由少量Fe2+共沉淀所致。氫氧化亞鐵為淺綠色，極易被空氣氧化為深紅色的氫氧化鐵，而這種現(xiàn)象使鋁沉淀顯淺黃色。在pH小于5.0時(shí)，與Fe2+沉淀pH距離加大，幾乎無(wú)氫氧化亞鐵生成，所得沉淀物為氫氧化鋁，因此始終顯灰白色。化學(xué)分析結(jié)果證明，反應(yīng)終點(diǎn)pH在5.0以上時(shí)，F(xiàn)e2+沉淀率上升，所得沉淀物主要化學(xué)組成為鋁，同時(shí)含有一定量鐵，鋁、鐵分離效果不佳。因此，控制反應(yīng)過(guò)程及終點(diǎn)pH在5.0以下，可以有效控制Fe2+共沉淀。

圖1 反應(yīng)終點(diǎn)pH對(duì)鋁、鐵分離效果的影響

2.2 氨水稀釋比例對(duì)鋁、鐵分離效果的影響

將還原后酸浸液與稀氨水以并流方式加入底液。控制加料溫度為95℃，加料時(shí)間為60 min，反應(yīng)終點(diǎn)pH略小于5.0，保溫時(shí)間為10 min。考察氨水稀釋比例對(duì)鋁、鐵分離效果的影響，見(jiàn)圖2。氨水稀釋比例在1∶20～1∶40時(shí)鋁沉淀率在98%左右，但在1∶50時(shí)下降至85%；鐵共沉淀率在1∶10～1∶20時(shí)逐漸變低，1∶20～1∶40時(shí)變化不大，繼續(xù)增加氨水稀釋比例鐵共沉淀率升高，在1∶50時(shí)達(dá)7.90%。隨著氨水稀釋比例增大，反應(yīng)料液體積增大，鋁離子濃度降低，鋁沉淀的pH隨之增大。在氨水稀釋比例為1∶10～1∶40時(shí)，鋁沉淀完全pH在5.0以下，鋁沉淀率變化不大，氨水稀釋比例為1∶50時(shí)，鋁沉淀完全pH升至5.2，在實(shí)驗(yàn)pH小于5.0條件下，鋁沉淀率下降。因此，確定氨水最佳稀釋比例為1∶20，在此條件下鋁沉淀率為98.65%，鐵共沉淀率為1.87%。

圖2 氨水稀釋比例對(duì)鋁、鐵分離效果的影響

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)鋁、鐵分離效果的影響

將底液升溫至一定溫度后將1+20稀氨水和還原后酸浸液并流加入底液，控制加料時(shí)間為60 min，反應(yīng)終點(diǎn)pH略小于5.0，保溫時(shí)間為10 min。考察反應(yīng)溫度對(duì)鋁、鐵沉淀率的影響，見(jiàn)圖3。隨著反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)速率加快，在相同時(shí)間、pH條件下，鋁沉淀率呈上升趨勢(shì)，鐵共沉淀率則呈下降趨勢(shì)。反應(yīng)溫度為65～85℃，鋁沉淀率上升，鐵共沉淀率逐漸下降，85℃以后鋁沉淀率增勢(shì)走平，鐵共沉淀率降勢(shì)趨緩。因此適宜的反應(yīng)溫度為85℃，此時(shí)鋁沉淀率為98.60%，鐵共沉淀率為1.26%。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)鋁、鐵沉淀率的影響

2.4 并流加料時(shí)間對(duì)鋁、鐵分離效果的影響

將底液升溫至85℃后將1+20稀氨水和還原后酸浸液并流加入底液，控制反應(yīng)溫度為85℃，反應(yīng)終點(diǎn)pH略小于5.0，保溫時(shí)間為10 min。加料時(shí)間對(duì)鋁、鐵沉淀率的影響見(jiàn)圖4。影響鐵共沉淀率的因素主要有3個(gè)，一是鋁沉淀過(guò)程受堿濃度、滴加速度、攪拌速度等因素影響所致的反應(yīng)體系局部堿性過(guò)強(qiáng)，由此造成的氫氧化亞鐵沉淀；二是反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)體系與空氣接觸，部分Fe2+被逐漸氧化為Fe3+所致的氫氧化鐵沉淀；三是所生成氫氧化鋁對(duì)鐵離子的化學(xué)吸附。并流時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)增大二、三因素的影響，使體系中Fe2+被氧化、吸附的機(jī)率增大，造成鐵沉淀率上升。從圖4看出，并流時(shí)間對(duì)鋁沉淀率的影響不大，實(shí)驗(yàn)條件下鋁沉淀率為97.5%～98.5%；鐵共沉淀率則隨并流時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，但在30～60 min時(shí)最小，在1.26%左右，在此條件下鋁、鐵分離效果較好。因此確定并流加料時(shí)間為30 min。在此條件下，鋁沉淀率為98.59%，鐵共沉淀率為1.24%。

圖4 并流加料時(shí)間對(duì)鋁、鐵沉淀率的影響

2.5 陳化時(shí)間對(duì)鋁、鐵分離效果的影響

將底液升溫至85℃后將1+20的稀氨水和還原后酸浸液并流加入到底液中，并流時(shí)間為30 min，控制并流反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)終點(diǎn)pH略小于5.0，調(diào)整加料完畢后保溫陳化時(shí)間并于陳化結(jié)束后過(guò)濾。考察陳化時(shí)間對(duì)鋁、鐵沉淀率的影響，見(jiàn)圖5。從圖5看出，并流加料結(jié)束，pH穩(wěn)定到5.0后不做陳化處理立即分離，鋁沉淀不完全，沉淀率僅為89.52%。在做陳化處理?xiàng)l件下，隨陳化時(shí)間延長(zhǎng)鋁沉淀率上升，在陳化時(shí)間為10 min時(shí)為98.59%，再延長(zhǎng)陳化時(shí)間鋁沉淀率變化不大。鐵共沉淀率則隨陳化時(shí)間延長(zhǎng)逐漸升高。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋁沉淀物隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)外觀由灰白色逐漸變?yōu)闇\黃色，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)顏色加深。因此，確定最佳陳化時(shí)間為10 min，此時(shí)鋁沉淀率為98.59%，鐵共沉淀率為1.24%。

圖5 陳化時(shí)間對(duì)鋁、鐵沉淀率的影響

3 結(jié)論

以硫酸分解粉煤灰制得含鋁、鐵硫酸鹽的酸浸出液，對(duì)其中的鐵做價(jià)態(tài)調(diào)整后對(duì)鋁、鐵進(jìn)行分離。實(shí)驗(yàn)確定最佳工藝條件：并流反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)終點(diǎn)pH略小于5.0、氨水濃度（稀釋比例）為1∶20、反應(yīng)溫度（底液溫度）為85℃、并流加料時(shí)間為30 min、并流結(jié)束后保溫陳化時(shí)間為10 min。在優(yōu)化工藝條件下，鋁沉淀率為98.59%，鐵共沉淀率為1.24%。所得鋁沉淀物中w［Al（OH）3］=66.67%，w（TFe）=0.074%，鋁、鐵分離效果良好。

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［4］ 黃杰明.非高溫法提取粉煤灰中鋁和硅的試驗(yàn)研究［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2002，18（2）：28-29.

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［8］ 范麗君，梁杰，石玉橋，等.粉煤灰中鎵的浸出試驗(yàn)研究［J］.粉煤灰，2012（2）：10-12.

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聯(lián)系方式：nypengmei@126.com

Experimental investigation on separation of aluminum and iron in fly ash

Xiao Jingbo1，Wu Yiran2，Chen Juling1，Xia Jiaobin1
（1.Nanyang Oriental Applied Chemical Research Institute，Nanyang 473000，China；
2.Xi′an Electronic Science and Technology University）

The fly ash contains aluminum，iron，and other valuable elements.When making the related refined and high-value comprehensive utilization by the wet metallurgical process，achieving effective separation of aluminum and iron is the basic premise for producing qualified products.Aluminum-and-iron-sulfate contained acid leaching solution was firstly prepared through the decomposition of fly ash by sulfuric acid，then Fe3+in the acid leaching solution was reduced to Fe2+.Subsequently，aluminum was deposited by ammonia precipitation method.The aluminum and iron separation process was intensively investigated.The corresponding results confirmed that under the optimized conditions，the precipitation rate of aluminum reached 98.59%，the Fe coprecipitation rate was controlled at 1.24%，and the TFe mass fraction in aluminum deposits was 0.074%，indicating the good separation effect by this process.

fly ash；aluminum and iron separation；wet metallurgical process

TQ138.11

A

1006-4990（2017）01-0046-03

2016-07-22

肖景波（1962— ），男，高級(jí)工程師，專(zhuān)業(yè)從事濕法冶金工藝及工業(yè)廢棄物綜合利用研究，已發(fā)表論文10余篇。