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利用粉煤灰制取结晶三氯化铝的实验方法

发布时间:2016年8月5日 点击:2436

粉煤灰长期以来都作为废物堆放在储灰场中,之所以被称为废弃物,其源于由于对粉煤灰的认识和利用经济技术条件的限制,造成有的储灰场库满为患,逢大雨决堤越坝毁坏农田或草场、树木,覆盖农田,严重时破坏土壤;在大风频发季节灰尘满天,有时还可局部造成砂尘暴;有的粉煤灰含有微量有害元素,污染水源等。通过研究证明粉煤灰不仅仅是较好的建筑材料,而且含有巨量的某些国家重点矿产,具有开发条件好和易选性。因此具有巨大的经济效益和社会效益,是实现矿产资源安全和矿业可持续发展的有效途径。

1国内外利用粉煤灰提取铝或生产铝制品的试验及利用情况

利用粉煤灰提取铝或生产铝制品,在国内外早已有人试验,并取得专利。

从粉煤灰中提取Al203通常采用化学处理方法,其残渣仍可做混凝土原料。我国淮阴电厂曾于1990年初建立了一个从粉煤灰中提取氧化铝生产沸石产品的工业试验车间。

美国橡胶岭实验室(ORNL)曾于20世纪80年代研究了从粉煤灰中提取多种金属的方法,如直接酸浸法和反应一酸浸法,前者主要分离极易释放到环境中去的金属,氧化铝和Fe203的浸出率分别为50%和80%,后者是在化学处理前增加预处理工艺,改变粉煤灰的性质,从而最大限度的回收金属,铝铁浸出率高达90%以上。波兰研究了用石灰烧结一自行粉化法从粉煤灰中提取Al203的可能性,粉煤灰与石灰石按一定比例磨成生料,烧结成球,经高温燃烧后在空气中冷却,使之成粉末,然后用60g/L浓度的苏打溶液浸出Al203,此方法在格罗索维兹水泥厂进行了半工业性试验,取得成功。我国珠州电厂于1977年进行了石灰烧结法提取铝的试验研究,Al203的提取率为80%。

2利用粉煤灰制取结晶三氯化铝的试验目的及方法的选择

2.1试验目的

吉林省是缺少铝矿资源的省份,本项调查发现并评价了粉煤灰型铝矿,结束了吉林省无铝矿的历史。现在的关键是要研制经济合理的提取铝或生产铝制品的工艺方法,使铝资源优势转变为经济优势,也只有这样才能实现粉煤灰高附加值利用与大掺量、低成本相结合的最佳利用技术路线。

2.2方法的选择

①本次研究成果证明吉林省粉煤灰中Al203主要赋存于莫来石和玻璃球珠中。莫来石粒度为微米一纳米级,目前科技水平尚不能将其分选出来,所以用化学方法提取工艺是唯一的选择。②从粉煤灰中提取铝或研制铝产品的工艺比较多。通过收集资料,并加以科学的综合分析、对比,掌握各种工艺方法的优缺点和技术关键,吸取优点,来优化或改进可取的化学提取工艺。迄今为止,已报导的从粉煤灰中提取铝工艺有多种,根据其原理归纳起来有:碱性、酸浸法、酸碱联合法、气体氯化法和电热直接还原法等,其优缺点见表1。结合吉林省粉煤灰的特征认为酸浸法较适合,但必须解决铁等杂质的关键技术。
表1从粉煤灰中提取铝的工艺一览表

3试验方法及步骤

3.1试验方法

用粉煤灰原灰加盐酸浸取制结晶三氯化铝[AlCl3.6H20],该种方法虽然获得了成功,但是由于原灰中含铁矿物较多,在反应过程中形成了[FeCl2-FeCl3],使得结晶三氯化铝(实际上是AlCl3.6H20与FeCl2-FeCl3的混合物)颜色呈褐红色,含杂质多,尚不能完全达到产品要求。为解决除铁等杂质,设计增加重选或浮选工艺,然后再将淘洗后去掉重矿物的粉煤灰加盐酸浸取,制得结晶三氯化铝,但产品中仍含有少量铁杂质。为此再用碱法提纯可得纯度较高的工业结晶三氯化铝产品。

3.2小试试验步骤

选取含铝少、中、多;灰的粒度为粗、中、细有代表性的A2、D2和F为试验样品。取A2、D2、F人工淘洗后去掉重矿物的粉煤灰样品各1g,加20%盐酸5mL,于加热器上恒温100℃加热,加热时间为0.5h、1h、2h,测定Al的浸出量,其浸出量见表2。
表2 A2、D2、F样品Al的浸出量及浸出率

3.3利用粉煤灰制取[Alcl3.6H20],小试流程

取淘洗去掉重矿物F样品300g,加20%盐酸300mL,恒温100℃加热1~2h,趁热过滤,在过滤后的溶液用20%的NaOH溶液调pH值为3,过滤除铁,滤液蒸发结晶得[AlCl3.6H20]。

4结果讨论

(1)利用粉煤灰酸法与利用煤矸石酸法生产结晶三氯化铝[AlCl3.6H20]比较,利用煤矸石酸法制取结晶三氯化铝需经矸石粉碎、焙烧、球磨等过程,较粉煤灰酸法复杂。

利用的煤矸石Al203必须大于等于37.8%,每生产1t[AlCl3.6H20],消耗2.54t煤矸石,如此计算,煤矸石中的Al203被利用率仅为22%,而利用含Al203<20%粉煤灰小试初步可达到16.95%。而且减少了采矿、运输、粉碎、焙烧、球磨等多道工序。

(2)利用粉煤灰酸法生产结晶三氯化铝的控制因素:在小试中A2、D2、F各样品Al203的质量分数分别为(22.86~22.8)%、(19.8~19.35)%、(32.57~32.60)%,平均22.83%、19.57%、32.85%。试验查明Al的浸出率与样品铝的质量分数无明显正相关关系。
图1利用粉煤灰生产结晶三氯化铝流程图

在工业上用铝灰生产结晶三氯化铝时,研究发现Al浸出的数量与盐酸浓度的1.5次方成正比,该试验是否存在Al的浸出率与盐酸浓度成正比的关系有待试验证明。

在小试中的试验及小试都是在恒温100℃下,采用不同的时间下进行的,时间与Al的浸出率的关系(见图2),在温度,盐浓度一定的情况下,Al的浸出率与时间成正相关关系,但不显著,最大为时间延长1h,浸出率提高1.35%。是否存在温度升高或温度升高与时间延长同时进行,Al的浸出率会有显著的升高呢?还要经进一步的小试来验证。

图2 A2、D2、F样品Al浸出率与时间的关系图

(3)化学工艺提取试验证明浸出率X与入选试料品位(x1)、酸或碱浓度(X2)、温度(X3)和反应时间(X4)等因素是复杂的函数,f(x)=f(xl、X2、X3、X4、x5……)。对某种确定试料,其x1为不变量,而其它因素都是可变量;但具体如何优化各可变因素,这就是技术工艺的关键。从粉煤灰中提取铝的工艺,若酸浓度太大,含有强腐蚀性,若用量增加,会增加成本,反应时间过长会影响生产效率,所以适当调整温度提高反应速度应是解决浸出率低的技术关键。此次实验室试验虽然获得了合格的产品,但浸出率不高,最佳试验参数组合还没得到很好的解决,所以还有待进一步试验研究。

(4)吉林省粉煤灰物质组分与全国粉煤灰物质组分基本一致,石英含量高,玻璃质和莫来石、铁矿物含量低,但普遍出现RA和Cor。RA矿物的发现在全国尚属首次,如果把粉煤灰中的铝和RA矿产在发电厂中转化为生产力,实现热一电力一矿产资源联合企业一体化,对实现减低电力成本运营、提高附加值、维系矿业永续发展有不可估量的作用。

 

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