烧结—酸溶法从粉煤灰中溶出铝试验研究

胡小龙，陈 炜，孙志娟，王 强

(内蒙古机电职业技术学院 冶金与材料工程系，内蒙古 呼和浩特 010070)

燃煤电厂废弃物粉煤灰具有较高利用价值[1-6]。近年来，从粉煤灰中提取氧化铝得到广泛研究，但主要集中在提取工艺的改进方面，关于如何进一步提高铝溶出率的研究相对较少。目前从粉煤灰中提取氧化铝的方法，按主要添加剂的酸碱性可分为酸法[7-8]、碱法[9-13]。酸法中较常用的是硫酸浸出法，但此法需引入了助熔剂NH4F，NH4F受热很容易挥发分解或与其他物质反应生成氟化物，氟化物对人体健康有很大危害，且H2SO4的大量使用也导致此法难以产业化；碱法中的石灰石烧结法由于石灰石的使用量过大，会造成能耗过高，氧化铝提取后成渣量过大。

粉煤灰中Al2O3和SiO2主要以难溶于酸和碱的复盐3Al2O3·2SiO2形式存在，断开Si—Al键[14]可提高铝溶出率。对打开Si—Al键已有大量研究，用强碱溶解细灰打开Si—Al键[15]；用CaF作助熔剂盐酸溶出氧化铝[16]；用高温焙烧钙盐作助熔剂溶出氧化铝[17]。本试验研究了采用助熔烧结—酸溶法从粉煤灰中溶出铝，以期最大限度溶出铝、提高氧化铝产量。

1 试验原料、试剂与设备

1.1 试验原料

试验所用粉煤灰粒度300目，化学元素分析结果见表1，物相组成分析结果如图1所示。Al2O3质量分数达48.7%，SiO2、Fe2O3含量相对较低，属于典型的高铝低硅低铁型粉煤灰。主要晶相矿物为莫来石和少量刚玉，玻璃相主要为非晶态SiO2。

表1 粉煤灰样品的化学元素分析结果

图1 粉煤灰样品的XRD分析结果

1.2 试验设备与试剂

试验设备：马弗炉，精度可达0.01 g的电子天平，银坩埚，电热板。

试验试剂：无水乙醇，氢氧化钠，乙二胺四乙酸二钠，乙酸铵，冰乙酸，亚硝基红盐，硫酸铜，均为分析纯,市售；盐酸，工业级。

2 试验原理与方法

2.1 试验原理

粉煤灰中Al2O3和SiO2主要以难溶于酸和碱的复盐3Al2O3·2SiO2形式存在。高温下，3Al2O3·2SiO2中的Si—Al键断开，释放其中的Al2O3和SiO2，与NaOH反应生成易与酸反应的硅酸钠和偏铝酸钠。主要化学反应式为

焙烧产物与盐酸反应可被溶解，化学反应式为：

另外，工业上NaOH可循环利用，一般由脱硅产生的碳酸钠母液加生石灰苛化实现。

2.2 试验方法

2.2.1 粉煤灰焙烧

准确称取适量粉煤灰于银坩埚中，加无水乙醇润湿，加NaOH混匀后置于马弗炉中，逐渐升温至一定温度，并保持一定时间后取出，冷却。

2.2.2 粉煤灰溶解

取一定量焙烧过的粉煤灰与一定量热水及浓盐酸搅拌混合，反应一定时间后过滤，分析滤液中铝质量浓度，计算铝浸出率。

2.2.3 铝的测定

试样中的铝依据参考文献[18]测定。移取20 mL粉煤灰溶液于锥形瓶中，加入20 mL 0.035 mol/L EDTA溶液和20 mL乙酸-乙酸铵缓冲溶液，以水稀释至100 mL，加热煮沸3 min，冷却至室温。加2 mL 0.2%亚硝基红盐，以0.035 mol/L硫酸铜溶液进行滴定，溶液由黄色经翠绿突变为草绿色为终点。

3 试验结果与讨论

3.1 助熔剂加入量对铝溶出率的影响

在0.5 g粉煤灰中加入助溶剂NaOH，逐渐升温至900 ℃并保持1 h，冷却后用30 mL浓盐酸溶解。NaOH加入量对铝溶出率的影响试验结果如图2所示。可以看出：随NaOH加入量增加，烧结后粉煤灰铝溶出率提高；NaOH加入量增至5 g，即NaOH与粉煤灰质量比为10/1时，铝溶出率达最大。

图2 NaOH加入量对铝溶出率的影响

3.2 焙烧温度对铝溶出率的影响

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，逐渐升温并保持1 h，冷却后用30 mL浓盐酸溶解。焙烧温度对铝溶出率的影响试验结果如图3所示。可以看出，随温度升高，铝溶出率提高；温度为300 ℃时，铝溶出率达97.4%，溶出效果较好。

图3 焙烧温度对铝溶出率的影响

3.3 焙烧时间对铝溶出率的影响

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，升温至270 ℃并保持不同时间，之后冷却，用30 mL浓盐酸溶解。焙烧温度对铝溶出率的影响试验结果如图4所示。

图4 焙烧时间对铝溶出率的影响

由图4看出：焙烧时间对粉煤灰铝溶出率影响较大；焙烧30 min，铝溶出率达95.8%；再继续焙烧，铝溶出率变化不大。

3.4 盐酸用量对铝溶出率的影响

在0.5 g粉煤灰中加入NaOH 5 g，逐渐升温至270 ℃并保持30 min，冷却后用浓盐酸溶解。盐酸用量对铝溶出率的影响试验结果如图5所示。可以看出，盐酸用量对粉煤灰铝溶出率影响很大：随盐酸用量增加，铝溶出率提高；盐酸用量为25 mL时，铝溶出率达97.4%。

图5 盐酸用量对铝溶出率的影响

4 结论

准格尔煤矿粉煤灰为典型高铝粉煤灰，可替代铝矾土作为冶炼铝的原料，与NaOH混合焙烧后用盐酸浸出，可将其中的铝转入溶液。在NaOH与粉煤灰质量比10/1、270 ℃下焙烧30 min后用浓盐酸25 mL溶解，铝溶出率达97%，溶出效果较好。