目前从煤灰中提取氧化铝的方法有多种，如碱法、酸溶法、酸碱联合法等，实际已投产运行的工业化煤灰提铝多使用碱法。下面是小编搜集的一篇关于硫酸酸浸法提取灰渣中铝的方法探究的论文范文，欢迎阅读参考。
前言
作为世界上最大的铝生产国和消费国，我国的铝土矿储量却极度匮乏，已查明铝土矿资源储量 32亿吨，仅占世界总储量的 3%[1],资源保障年限只有20 年。与此同时，我国电力行业的持续发展导致煤灰的大量排放[2-3],2012 年为 5.4 亿吨。统计表明，国内煤灰的平均氧化铝含量为 27.8%[4],若将煤灰作为提取氧化铝的一种后备资源，对氧化铝工业的持续发展具有重要意义[5].提铝后留下大量的高硅残渣可进一步提取制备白炭黑产品，白炭黑以其优良的分散性、稳定性、补强性和增稠性，广泛应用于橡胶、塑料、医药、复合材料等行业[6-7].因此如何提高废弃物的附加值，实现铝和硅的资源化利用十分重要[8],国家发展与改革委员会自 2013 年 3 月1 日起施行的《粉煤灰综合利用管理办法》也鼓励煤灰提铝提硅的高附加值利用。
目前从煤灰中提取氧化铝的方法有多种，如碱法(烧结法)、酸溶法、酸碱联合法等[9-11],实际已投产运行的工业化煤灰提铝多使用碱法。内蒙古蒙西高新技术集团公司采用石灰石焙烧法，类似于烧结法生产氧化铝，煤灰和石灰按一定比例在 1300~1400℃条件下混合烧结，莫来石和石英转化为易溶于碳酸钠的 12CaO?7A12O3和不溶的 2CaO?SiO2,从而实现铝硅分离。但烧结法的主要问题为产生的硅钙渣不能合理利用，造成二次堆积[9],例如大唐集团的预脱硅-碱石灰烧结法，每生产 1t 氧化铝将产出 1.8t 的硅钙渣。
酸浸法既可以提取煤灰渣中的铝，剩余酸浸残渣还可用于提硅[12].相比碱法焙烧，酸浸法的主要缺点为铝浸出效率较低，这是因为煤灰含有较多莫来石晶体(Al2O3?SiO2)，其中的铝在常压下几乎很难被盐酸或硫酸浸出[13-15].而循环流化床(CFB)锅炉由于较低的燃烧温度，其灰渣几乎不含莫来石晶体，其中富含的非晶体具有很高的化学活性。因此，这种灰渣用于酸浸法提铝提硅较为合适。袁兵等[16-18]采用盐酸对 CFB 灰渣浸出提铝，但是浸出率只有 50%~60%,低于硫酸法和碱石灰烧结法。
根据东北某热电厂 CFB 灰渣特点，为获取较高的酸浸效率，以利于酸浸渣进一步提硅，本文采用硫酸酸浸法提取灰渣中的铝，实现铝硅资源的分离，研究酸浸过程中各因素对铝浸出效率的影响。
1、实验部分
1.1 实验原料
煤灰渣取自东北某热电厂 220t/h 循环流化床锅炉排渣，该锅炉燃用低热值的混煤(煤矸石 76%,长焰煤 24%)，运行温度为 880℃左右。灰渣经磨细后取样，分别作粒度分析、化学成分分析和矿物学分析.灰渣粒度分布由马尔文激光粒度仪(Mastersizer 2000)测得，结果表明 d90≤0.74μm.灰渣化学成分分析按照 GB/T 1574-2007 标准测定，结果如表 1 所示，其中 Al2O3的含量为 35.67%,高于全国粉煤灰中 Al2O3含量的平均值 27.8%[4].
1.2 分析方法
灰渣化学成分分析按照 GB/T 1574-2007 标准;二氧化硅由动物凝胶聚质量法测定;三氧化二铁、氧化铝、氧化钙、氧化镁由 EDTA 络合滴定法测定;二氧化钛由分光光度法测定;氧化钠和氧化钾由火焰光度计测定;三氧化硫由硫酸钡质量法测定。
矿物结构由 X 射线衍射仪分析，仪器为日本理学 D/Max-2550pc,在 40kV 和 250mA 条件下采用铜靶(λ=1.54059?,1?=0.1nm)扫描。扫描角度为5°~85.0°(2θ)，速度 5°/min,步长 0.02°。谱线由 MDI-Jade version 7.0 软件处理。灰渣及其各阶段的产物的形态学特征使用扫描电子显微镜分析。将粉状样品喷金并置于日立SU-70 中扫描，放大至 6000~20000 倍观察。
1.3 实验方法
图 1 所示为试验工艺流程图。酸浸实验在带磁力搅拌器的油浴锅中完成。浓硫酸用去离子水稀释到所需浓度，置于 500mL 的锥形瓶中并油浴加热到预定温度，然后将 50g 灰渣和磁力搅拌子加入酸液中，搅拌均匀并开始计时。酸浸实验主要考察硫酸浓度、反应温度、反应时间和固液比(g/mL)对铝浸出率的影响。反应结束后的混合物趁热抽滤，并使用热去离子水反复洗涤 3 次。将所有液体收集至1000mL 容量瓶并定容，用以测定铝、铁离子浓度。
本文中铝浸出率D可通过将浸出液中铝离子全部转化为氧化铝形式的方法计算出，具体计算方法由(1)所示。
式中，n 为浸出液中铝离子的浓度，mol/L;V为浸出液体积，L;m 为灰渣中氧化铝的质量分数;M 为灰渣的质量，g;102 为氧化铝的相对分子质量。
浸出液为含有铁、钾、钙等杂质离子的硫酸铝溶液，酸浸过滤后留下的残渣富含活性 SiO2.后续的研究包括硫酸铝溶液经浓缩结晶后高温煅烧得含杂 Al2O3,煅烧产生的 SO3可回收生产硫酸，返回酸浸工艺实现资源的循环利用。含杂 Al2O3置于高压反应釜中碱溶除杂，最终制备冶金级别的 Al2O3产品。酸浸渣与碳酸钠高温焙烧后水溶过滤可制备硅酸钠溶液。Na2SiO3溶液利用酸碱法可制备白炭黑产品。而过滤后留下的水浸渣中富含硅元素，即为粗质的白炭黑产品，亦可进一步提纯。整个流程实现了铝和硅的资源化利用和精细化利用。
2、结果与讨论
2.1 硫酸酸浸实验
铝浸出率随硫酸浓度和温度的变化如图 2 所示。反应时间固定为 2h,固液比为 1∶3,为保证硫酸浓度和固液比稳定，反应过程中需适量补充去离子水。酸液中加入灰渣的初始阶段，酸和固体反应放出大量热，使溶液微沸并持续 1~3min.
从图 2 可以看出，铝浸出率在不同的反应温度条件下有相同的变化趋势，首先随着硫酸浓度的增大而增大，然后基本保持不变甚至略有减小。例如在 100℃条件下，随着硫酸浓度从 4mol/L 增加到11mol/L,铝浸出率从最低的 88.54%增加到 94.3%,然后保持在 95.5%左右;而 130℃条件下，铝浸出率保持在 97.2%左右。当硫酸浓度高于 10mol/L 时，铝浸出率有所降低，可能是因为随着硫酸浓度增大，酸液变得较为黏稠，其中的水含量变低导致离子运动受阻。虽然 10mol/L 硫酸对灰渣中铝的浸出有利，在 130℃时铝浸出率达到 97.34%,但是 5mol/L 硫酸在 110℃时铝浸出率也达到 93.13%,在酸耗减少一半的情况下，铝浸出率仅减少 4.21%.因此，酸浸浓度定为 5mol/L 较为合理。
从图 2 中也可看出酸浸温度对铝浸出率的影响。在低浓度区域(≤8mol/L)，温度对铝浸出率有较大影响，并且硫酸浓度越低，温度的`影响越强烈。5mol/L 硫酸条件下，100℃时铝浸出率为 90.27%,110℃时为 93.13%,相差 2.86%;当硫酸浓度达到7mol/L 时，两种反应温度下铝浸出率仅相差 0.54%.
而在高浓度区域(>8mol/L)，温度对铝浸出率基本无影响。10mol/L 硫酸条件下，铝浸出率在 100℃时为 96.38%,在 110℃时为 96.71%,二者相差仅为0.33%.因此，当选定硫酸酸浸浓度为 5mol/L 时，考虑其沸点温度为 112.5℃，酸浸温度取 105~110℃。
图 3 是在两种固液比条件、酸浸温度 105~110℃、硫酸浓度 5mol/L 时铝浸出率随反应时间变化的曲线。从图 3 中可以看出，随着反应时间的增加，铝浸出率不断提高。但在 2h 之后，铝浸出率只有小幅增长，基本保持平稳，尤其是固液比为 1∶2 时，这种规律更为明显。固液比为 1∶3 时，当反应时间从 2h 增大到 6h,铝浸出率由 91.06%小幅增加到93.13%.因此，为保证酸浸效率的同时缩短反应时间，取 2h 为合适的酸浸时间。
酸浸温度 105~110℃、反应时间 2h、硫酸浓度5mol/L 时，铝浸出率随固液比变化的关系如图 4.
固液比从 1∶2 到 1∶4 的变化范围内，铝浸出率出现小幅增加，由最小的 87.36%增大到 92.68%.这可能是因为随着固液比由 1∶2 变化到 1∶4,酸溶液中的氢离子和水的总量有所增大，促进了化学反应过程中的质量交换。但更高的液固比使得硫酸的消耗增加，成本迅速提高。而当固液比为 1∶3 时，铝浸出率可达91.5%,因此固液比取1∶3较为合理。
2.2 X 射线衍射分析
图 5(a)所示为原始灰渣的 XRD 图谱。从图 5中可知，灰渣中既有较强的晶体衍射峰，也有平缓的非晶态衍射线。灰渣中含量最多的晶体是石英，其次还有少量的锐钛矿和赤铁矿。此外在谱线的20°~25°区域出现了较宽特征衍射峰，表明其中存在玻璃相晶体。因此，灰渣中的矿物质有 3 种存在形态：一是晶态;二是无定形态;三是玻璃态[9].
由于化学分析结果表明煤灰中有较多的 Al2O3(35.67%)，而晶态中没有含铝物质，所以推断煤灰中的铝元素多以非晶态的形式存在，而铝在非晶态中的活性比在晶态中的高，这对酸浸反应有利。
图 5(b)是灰渣在 5mol/L 硫酸溶液中 110℃、固液比 1∶3、浸出 2h 后残渣的 XRD 图谱，酸浸残渣中依然存在非晶态的衍射线，但酸浸后没有赤铁矿晶体，与酸浸前相同的是它们均含石英和锐钛矿晶体成分。非晶态谱线形状也几无变化，不同的是所有衍射线的峰值强度都增大了，这是因为大量非晶态含铝物质浸出后，导致其余矿物质相对含量增大。
2.3 扫描电镜和能谱分析
图 6 中(a)、(b)所示为灰渣 SEM 扫描下的形貌图。由于灰渣的粒度不均匀，其表观形貌亦有大小之分。小碎片直径和厚度都不超过 1μm,并紧密铺叠在一起;大颗粒直径达到 10μm,由片状物紧密堆叠而成。大小颗粒都呈现出光滑而平坦的表面，因为燃烧而更加致密。经过酸浸处理[图 6 中(c)、(d)],无论灰渣中的大小颗粒，其光滑的表面都被破坏，剩下的片状物更加疏松零散，有明显的酸腐蚀痕迹，颗粒中出现大量孔洞。
从酸浸前后灰渣的能谱图 7 中可以看出 Al 和Fe 元素发生了巨大变化，铝从较高的峰值降为较低的峰值，铁则从有变成无。酸浸后，煤灰中铝和铁含量的大量减少，使图 7(b)中的其余元素 Si、O 和Ti 的能谱峰值大幅提高。这些都与酸浸前后煤灰化学成分分析的结果一致。
3、结 论
综上实验结果，可得如下结论。
(1)考虑物耗、能耗和实际操作条件，合适的酸浸条件为硫酸浓度 5mol/L、酸浸温度 105~110℃、反应时间 2h 和固液比 1∶3,此时铝浸出率为91.5%.
(2)XRD 分析表明此流化床锅炉灰渣中的铝主要以非晶态形式存在，这是硫酸浸出可以得到较高的铝浸出率的原因，在本实验条件下，最高可达97.34%.
参 考 文 献
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