云南省腾冲市第一中学 黄福娣 云南腾冲 679100
摘要：本文采用浓硫酸直接溶出法从煤粉炉粉煤灰中提取氧化铝，通过考察活化温度、粒径、灰酸比、活化时间、溶出温度和溶出时间，研究影响粉煤灰中氧化铝浸出率的因素，确定最佳工艺为：将粉磨后2μm的粉煤灰与浓硫酸按1:5质量比混合，直接在300℃下高温活化2.0 h后，在搅拌条件下加入水继续加热保持在140℃条件下溶出1.5h，过滤分离得到最终铝溶出液，所得氧化铝溶出率可达96.01%。
关键字: 粉煤灰；氧化铝；浓硫酸；直接溶出法
中图分类号：0611.62 文献标志码:A
Study on the Extraction of Alumina from Fly Ash Using Concentrated Sulfuric Acid Direct Dissolution Method
Fudi Huang
Tengchong Number 1 middle School inYunnan province，679100
Abstract：The Alumina was extracted from fly ash using concentrated sulfuric acid direct dissolution method. The effects of activation temperature, particle size, ash acid ratio, activation time, dissolution temperature and dissolution time on leaching rate of alumina in fly ash were studied. The optimum preparing conditions as follows: Activate mixed fly ash in 2 um size with concentrated sulfuric acid at 1:5 mass ratio directly under high temperature at 300℃ for 2 hours. Then add water and maintain the temperature at 140℃ for 1.5 hours under stirring condition. After filtering separation the final dissolution rate of alumina reached at 96.01%.
Key words：Fly ash；Alumina；Concentrated Sulfuric Acid；Direct Dissolution Method
粉煤灰是煤燃烧产生的固体废弃物，随着经济社会的迅速发展，其年排放量快速增大，其大量堆积占地和流失造成的空气、水质污染及土地沙化碱化等问题已经对人类及环境产生了较大影响[1]。因此，开展粉煤灰的综合利用符合我国当前节能减排和发展循环经济的要求，具有重大的现实
意义和深远的战略意义。氧化铝是粉煤灰中具备精细化利用价值的主要成分，质量分数一般为15%~40%，最高可达50%左右，相当于中等品位铝土矿，极具开发利用价值。在我国铝土矿资源日益枯竭、国内氧化铝需求量不断快速增长的今天，研究开发粉煤灰提取氧化铝的工艺，将高铝粉煤灰再生资源化实现铝矿补给是粉煤灰利用具有发展前景的重要途径之一[5]。
从粉煤灰中提取氧化铝已经成为近年国内外研究开发的热点，目前的主要技术包括酸法和碱法两大类，如盐酸法、硫酸法、低温碱溶法、碱石灰烧结法、石灰石烧结法及碳酸钠活化烧结法等[6,7]。其中，碱法提取氧化铝工艺流程长、能耗高，会产生大量的废渣，造成二次污染，且工程一次性投资大。而酸法提取氧化铝工艺则具有较大的灵活性，流程较短、能耗低，废渣产量小且不会产生大量的硅钙渣，不会造成新的污染，潜力巨大[8]。因而，本研究设计浓硫酸直接溶出法提取粉煤灰中的氧化铝工艺技术，通过实验研究确定最佳工艺技术条件。
1 实验部分
1.1实验原料
实验采用陕西某热电厂粉煤灰，成分组成如表1所示，主要成分为Al2O3和SiO2，还包括一些微量元素和稀有元素。其中Al2O3占质量分数高达51.13%，属高铝粉煤灰，Al2O3和SiO2合计含量大于80%，属于硅铝灰[9].表1粉煤灰的化学组成
Table 1 chemical composition of fly ash
组成Al2O3SiO2TiO2TFe2O3CaOMgOK2ONa2O烧失量
百分含量(%)
50.9737.002.092.162.190.260.350.103.04
图1 粉煤灰物相组成
Fig. 1 phase composition of fly ash
图1为煤粉炉粉煤灰的X衍射图谱，其物相组成较为简单，在15o~35o范围内出现明显的丘状衍射宽峰，这表明该粉煤灰中含有非晶态玻璃相物质存在，晶相物质以莫来石和刚玉为主，其中莫来石和刚玉含量也较高（约49 %），还含有少量石英和方解石[10]。
1.2 实验方法
称取一定量粉煤灰与浓硫酸按一定比例在称重后于三口烧瓶中混合均匀，一定温度下活化一定时间，向活化完全后混合液中加入水，保持一定温度条件下继续溶出一定时间，经过洗涤分离得到滤液和洗涤液。将滤液及洗涤液合并、定容，分析检测其中的铝含量，根据理论值计算氧化铝溶出率。以氧化铝溶出率作为试验考核指标，对所有影响因素进行试验摸索，经对比分析确定最优工艺条件。
1.3 铝含量分析方法
准确移取待测液10.00 mL，准确放出25.00 mL EDTA标液，加水30 mL，将溶液加热至70~80℃，加1滴2,4-二硝基酚，用氨水（1+1）调至黄色，用HCl（1+1）调至无色，并过量1-2滴。加热煮沸2~3 min，用少量水吹洗杯壁，加15 mL pH = 4.3乙酸-乙酸钠缓冲溶液，4滴PAN指示剂，80℃用CuSO4滴定至亮紫色。
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CAl = ×
C`Al(除铁）= ×
mAl2O3 = C Al × (g/L)
mAl2O3(理论) = 30 × 51.13% ×
T Al2O3= m Al2O3 / m Al2O3 (理论) × 100 %
2 结果与讨论
2.1 活化工序的影响
(a)
(b)
(c)
图2 活化工序对氧化铝溶出率的影响
Fig. 2 Effect of activation process on dissolution rate of alumina
由图2（a）可以看出，随着活化温度由200℃增加至300℃，氧化铝溶出率逐渐增大。这说明粉煤灰中难以活化的硅铝氧键断裂需要足够的活化能，升高温度，反应物分子运动加剧，碰撞概率增大，容易越过反应势垒，进而增大反应速率，促进反应进程，提高氧化铝溶出率。同时，通过粉磨将粉煤灰粒径磨至2μm时，可有效增大氧化铝溶出率至80%以上。这主要是粉煤灰经粉磨后，铝氧多面体三维网络结构及其球形玻璃体被破坏甚至发生改变的原因。
由图2（b）可以看出，直接溶出活化过程中灰酸比均超过1:1.6，浓硫酸均过量，随着灰酸比增大氧化铝溶出率变化不大，然而试验过程中发现，灰酸比较小时物料浓硫酸直接溶出活化过程易结块。由图2（c）可以看出，浓硫酸活化时间分别为1.0h、2.0h和3.0h时，活化时间2.0h时氧化铝溶出率最大为96.01%。综合考虑，确定粉煤灰粒径2μm、活化温度300℃、灰酸比1:5、活化时间2.0h为宜。
3.2 溶出工序的影响
(a) (b)
图3 溶出工序对氧化铝溶出率的影响
Fig. 3 Effect of dissolution process on dissolution rate of alumina
溶出温度对氧化铝溶出率的影响见图3（a）。溶出温度对于溶出率的影响较为显著，升高温度可大幅度提高氧化铝溶出率[14,15]。但考虑设备耐压耐蚀等问题，溶出温度选取140℃。溶出时间对氧化铝溶出率的影响见图3（b）。氧化铝溶出率随着溶出时间的增加而缓慢增大，溶出时间超过1.5 h后，氧化铝溶出率基本趋于平稳。说明溶出时间对氧化铝溶出率影响不大，因此溶出时间确定为1.5 h。
3. 结论
通过对浓硫酸直接溶出法提取粉煤灰中氧化铝进行试验研究，得到该工艺最佳条件为：粉煤灰粉磨至2μm、活化温度300℃、灰酸比1:5、活化时间2.0h，在该条件下粉煤灰中氧化铝溶出率可达96.01%。本研究设计开发的浓硫酸直接溶出法提取粉煤灰中氧化铝工艺，方法简单且氧化铝溶出率高，是实现高铝粉煤灰资源化再利用的有效途径，具有良好的发展前景。
参考文献：
[1] 黄明.粉煤灰资源化综合利用应用[J].砖瓦，2006（8）：39-44.
[2] 邓寅生，徐素娟，谭俊，唐敏. 粉煤灰综合利用新工艺[J].无机盐工业，2009，41（9）：50-53.
[3] Koukouzas N K, Zeng R, Perdikatsis, et al. Mineralogy and geochemistry of Greek and Chinese coal fly ash[J]. Fuel, 2006,85(16):2301-2309.
[4] Seidel A, Slusznv A, Shelef, et al. Variation in fly ash properties with milling and acid leaching. Fuel, 2005(1).
[5] MA Bei-yue, LI Ying, GUI Shao-gang, ZHAI Yu-chun. Preparation and sintering properties of zirconia- mullite- corundum composites using fly ash and zircon [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(12): 2331-2335.
[6] L. Li, Hou. J. Gan, S. Zhu, Y. Xie, Extraction aluminum and iron from boiler slag by sulfuric acid, Wuhan University Journal of Nature Sciences, 2007(12):1007-1202.
[7] 王佳东，翟玉春，申晓毅. 碱石灰烧结法从脱硅粉煤灰中提取氧化铝[J].轻金属，2009（6）：14-15.
[8] 王富元，吴正严. 粉煤灰利用手册（第二版）[M]. 北京：中国电力出版社，2004.
[9] 庆承松，任升莲，宋传中. 电厂粉煤灰的特征及其综合利用[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2003（4）：529-533.
[10] Guanghui Bai, et al. Thermal decomposition of coal fly ash by concentrated sulfuric acid and alumina extraction process based on it[J]. Fuel Processing Technology, 2011(92): 1213-1219.
论文作者:黄福娣,
论文发表刊物:《现代中小学教育》2018年第5期
论文发表时间:2018/10/24
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