用鹽酸從循環流化床粉煤灰中浸出氧化鋁

李文清，鄒 萍，池君洲，劉大銳，吳永峰

(神華準能資源綜合開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

粉煤灰中含有大量鋁。從粉煤灰中提取氧化鋁可解決粉煤灰的環境污染問題獲取得一定經濟效益[1]。從粉煤灰中提取氧化鋁主要有堿法和酸法，其中酸法主要有硫酸法、鹽酸法、氟化物助溶法等[2-5]。鹽酸法提取氧化鋁流程短，酸可循環利用，條件寬泛。

試驗依據循環流化床粉煤灰中鋁硅活性高的特點，用鹽酸從粉煤灰中浸出氧化鋁，探尋鋁的浸出規律，以期為粉煤灰的高值化利用提供技術參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及設備

試驗所用粉煤灰取自內蒙古某燃煤電廠循環流化床鍋爐，其主要成分見表1，XRD分析結果如圖1所示。

表1 循環流化床粉煤灰的主要成分 %

圖1 循環流化床粉煤灰的XRD分析結果

由表1看出：粉煤灰中，氧化鋁質量分數達50%，屬于高鋁粉煤灰；燒失量為6.73%，主要是煤中未燃燒的殘碳；鐵、鈣、鎂等金屬元素含量較少。粉煤灰中非晶態物質較多，結晶礦物主要是石英但比例較小，未見鋁的結晶礦物。循環流化床鍋爐的燃燒溫度較低(<900 ℃)，沒有達到莫來石的形成溫度(>1 100 ℃)，所以鋁以非晶態形式存在，這對鹽酸浸出氧化鋁極為有利[6-7]。

試驗試劑：鹽酸，分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司產品。

試驗設備：均相反應器(自制)；電熱鼓風干燥箱(WGL-125B型)，天津泰斯特儀器有限公司；電子天平(TLE204E)，梅特勒-托利多儀器有限公司；循環水式多用真空泵(SHZ-DⅢ)，河南愛博特科技發展有限公司。

1.2 試驗原理

鹽酸可以溶解氧化鋁而不溶解二氧化硅。在一定溫度下浸出一定時間，鹽酸與粉煤灰中的氧化鋁發生反應，將鋁轉入溶液，反應見式(1)。

(1)

浸出過程中，粉煤灰中的其他陽離子如鐵、鈣、鎂等也會被鹽酸浸出，反應見式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

試驗步驟：將一定量濃鹽酸、水加入反應釜中，然后按比例加入粉煤灰，將反應釜放入均相反應器中升溫，達到預設溫度后保溫一定時間。反應結束后，將反應釜取出，冷卻后打開，對浸出料漿進行固液分離，得到浸出液及浸出渣。用純水反復清洗浸出渣至不存在氯離子。將洗滌液與浸出液混合，送分析。

1.3 分析方法

采用X射線衍射儀分析粉煤灰及浸出渣物相組成；采用SEM測量儀掃描粉煤灰及浸出渣微觀形貌；采用X熒光光譜儀(XRF)分析粉煤灰及浸出渣化學成分；采用EDTA置換滴定法分析浸出液中鋁質量濃度。根據測定結果計算氧化鋁浸出率。

2 試驗結果與討論

2.1 浸出溫度對氧化鋁浸出率的影響

在鹽酸濃度9.81 mol/L、浸出時間180 min、液固體積質量比3.85∶1條件下，浸出溫度對氧化鋁浸出率的影響試驗結果如圖2所示。可以看出：浸出溫度對氧化鋁浸出率影響較大，浸出率隨溫度升高而提高；在100～160 ℃之間，浸出率提高較為明顯；高于160 ℃，氧化鋁浸出率穩定在86%左右。因鹽酸浸出粉煤灰過程中放熱，而均相反應釜檢測到的溫度為外部加熱溫度，因此實際浸出過程中反應釜內溫度需高于測定溫度。

圖2 浸出溫度對氧化鋁浸出率的影響

2.2 浸出時間對氧化鋁浸出率的影響

在鹽酸濃度9.81 mol/L、浸出溫度160 ℃、液固體積質量比3.85∶1條件下，浸出時間對氧化鋁浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 浸出時間對氧化鋁浸出率的影響

由圖3看出，氧化鋁浸出率隨浸出時間延長而提高：浸出前60 min內，氧化鋁浸出率提高較為明顯；浸出時間在60～180 min之間，氧化鋁浸出率提高緩慢；浸出時間超過180 min后，氧化鋁浸出率穩定在86%左右，表明反應基本結束。綜合考慮，確定最佳浸出時間為180 min。

2.3 液固體積質量比對氧化鋁浸出率的影響

在鹽酸濃度9.81 mol/L、浸出溫度160 ℃、浸出時間180 min條件下，液固體積質量比對氧化鋁浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 液固體積質量比對氧化鋁浸出率的影響

由圖4看出：隨液固體積質量比增大，氧化鋁浸出率提高；液固體積質量比小于3.85∶1時，氧化鋁浸出率提高幅度較大；液固體積質量比大于3.85∶1時，氧化鋁浸出率趨于平穩。根據粉煤灰中的成分進行計算，3.85∶1是鹽酸與粉煤灰完全反應時兩者比例理論值。液固體積質量比小于理論值，即酸欠量，鹽酸不足，氧化鋁浸出率較低；酸量等于或大于理論值，即酸過量，多余的鹽酸與粉煤灰顆粒充分接觸，有利于反應進行，故氧化鋁浸出率較高；但過多的鹽酸不會提高氧化鋁浸出率。因此，確定最佳液固體積質量比為3.85∶1。

2.4 鹽酸濃度對氧化鋁浸出率的影響

在浸出溫度160 ℃、浸出時間180 min、液固體積質量比3.85∶1條件下，鹽酸濃度對氧化鋁浸出率的影響試驗結果如圖5所示。可以看出：鹽酸濃度對氧化鋁浸出率的影響不明顯，鹽酸濃度在6.02～9.81 mol/L之間，氧化鋁浸出率在83.24～85.84%之間。因為工業級鹽酸濃度為9.81 mol/L(質量分數31%)，考慮到工業應用及能耗等因素，確定最佳鹽酸濃度為9.81 mol/L。

圖5 鹽酸濃度對氧化鋁浸出率的影響

3 浸出渣的分析與表征

在160 ℃下浸出180 min，控制液固體積質量比3.85∶1，鹽酸濃度9.81 mol/L，得浸出渣。

3.1 粉煤灰和浸出渣的成分對比

采用X熒光光譜儀對粉煤灰和浸出渣進行成分分析，結果見表2。可以看出：浸出渣的主要成分是二氧化硅，占68.57%，氧化鋁質量分數由浸出前的50.97%降至13.07%，其他元素質量分數也都有所下降。

表2 粉煤灰和浸出渣的主要成分 %

鹽酸與二氧化硅不反應，以二氧化硅為參照值，計算其他元素浸出率，結果如圖6所示。

圖6 優選條件下各元素的浸出率

由圖6看出，鹽酸與氧化鋁反應的同時，與其他金屬元素也發生反應，除鈦元素外，其他元素浸出率均超過80%。所以，從浸出液中回收鋁時，必須先將鋁與其他雜質元素分離。

3.2 粉煤灰和浸出渣的物相對比

粉煤灰和浸出渣的XRD分析結果如圖7所示。衍射角在15°～30°區間內，衍射峰均呈饅頭型，表明粉煤灰和浸出渣均為非晶態結構。浸出渣的主要成分為二氧化硅，表明無序狀態的二氧化硅未進行反應。非晶態結構二氧化硅具有較好的活性，可用作建筑材料、分子篩、橡塑填料及吸附材料等[8-11]。

圖7 粉煤灰和浸出渣的XRD分析結果

3.3 粉煤灰和浸出渣的微觀形貌對比

粉煤灰和浸出渣的掃描電鏡分析結果如圖8所示。可以看出：粉煤灰經過鹽酸浸出后，顆粒表面凹凸感增強。這說明鹽酸浸出過程破壞了粉煤灰原有結構，提高了其比表面積，這對其資源化極為有利。

a、b—粉煤灰；c、d—浸出渣。

4 結論

用鹽酸可以浸出循環流化床粉煤灰中的氧化鋁，優選條件下，氧化鋁浸出率達85.84%。浸出渣成分主要為二氧化硅，占68.57%。浸出過程破壞了粉煤灰的原有結構，使浸出渣形貌復雜，表面凹凸感強烈。二氧化硅以非晶態存在，具有較好的活性，可實現資源化。