粉煤灰中氧化鋁提取工藝的研究

粉煤灰中氧化鋁提取工藝的研究

在國內(nèi)外對粉煤灰中的氧化鋅進行了大量研究，并提出了許多方法。從原理上主要分堿法熱處理工藝和酸法溶解工藝兩大類。傳統(tǒng)堿法如石灰自粉法和堿石灰燒結(jié)法,提取率高、產(chǎn)品純度高,但生產(chǎn)工藝繁長,設(shè)備投資大,煅燒溫度高(1300℃~1600℃),能源消耗多,生產(chǎn)成本高;酸法工藝簡單,設(shè)備投資小,能耗低,產(chǎn)品成本低,但酸法的提取率低,在浸取氧化鋁的同時,也將粉煤灰中許多可溶出的雜質(zhì)如鐵、鎂等帶入溶液,相應(yīng)使產(chǎn)品純度降低,同時由于酸對設(shè)備有強腐蝕作用,阻礙了酸法生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化。針對以上問題,本試驗提出低溫蒸壓煅燒法,粉煤灰與石灰經(jīng)低溫蒸壓和低溫煅燒,轉(zhuǎn)化為七鋁酸十二鈣,然后由堿溶液進行溶出。它成功解決了堿法能耗高問題,在低溫下煅燒且能實現(xiàn)較高的氧化鋁提取率,具有很高的應(yīng)用價值。1水合氫氧化鋁的制備試驗原材料包括:山西神頭某電廠粉煤灰(化學成分見表1);石灰(工業(yè)品);無水碳酸鈉(分析純);二氧化碳(罐裝);自來水。將粉煤灰與石灰以重量比1:2的比例混合均勻,加入適量水壓制成型,裝入自制蒸壓反應(yīng)釜中,180℃蒸壓12h,再把蒸壓樣品于900℃進行煅燒4h。將煅燒熟料研碎并過120目篩,用質(zhì)量分數(shù)為8%的Na2CO3溶液溶解,從熟料中浸取鋁組分。然后按擬定的碳化溫度、pH值進行碳化操作,制備出水合氫氧化鋁,經(jīng)清洗、干燥、煅燒后可得到氧化鋁樣品。其詳細工藝流程圖如圖1。2結(jié)果與討論2.1蒸壓溫度對氧化鋁提取率的影響試驗過程中固定其他因素,而分別對蒸壓溫度和蒸壓時間取不同的水平因子,進行對比試驗,試驗結(jié)果如圖2和圖3。從圖2可看出:隨著蒸壓溫度的升高,提取率逐漸升高,蒸壓溫度為180℃時,氧化鋁提取率達到最大值,之后隨著蒸壓溫度的增加,氧化鋁提取率變化不大,最佳蒸壓溫度為180℃。從圖3可看出:隨著蒸壓時間的增加,氧化鋁提取率逐漸升高,在蒸壓12h之前,氧化鋁提取率隨蒸壓時間的增加,而迅速升高,蒸壓時間為12h時,氧化鋁的提取率達到最大值,之后隨著蒸壓時間的延長,提取率逐漸降低,但變化速率緩慢,最佳蒸壓時間為12h。2.2煅燒溫度對氧化鋁提取率的影響試驗過程中固定其他因素,而分別對煅燒溫度和煅燒時間取不同的水平因子,進行對比試驗,試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4可知:氧化鋁提取率隨煅燒溫度的增加而升高,在900℃之前,提取率隨煅燒溫度的增加變化十分顯著;900℃之后氧化鋁提取率曲線逐漸趨于平穩(wěn),隨煅燒溫度增加提取率變化不明顯,最佳煅燒溫度為900℃。從圖5可知,隨煅燒時間增加,氧化鋁提取率逐漸升高,在煅燒2h之后,提取率逐漸趨于穩(wěn)定,煅燒6h提取率達到最大值。2.3蒸壓反應(yīng)機理圖6為180℃不同蒸壓時間蒸壓樣的XRD圖,從圖6中可知混合料經(jīng)蒸壓后,生成氫氧化鈣和水合硅鋁酸鈣:水合鈣鋁石榴石(Ca3Al2(SiO4)(OH)8)、加藤石等,此外還有碳酸鈣微弱晶相。氫氧化鈣是由石灰與水反應(yīng)而得到的,而碳酸鈣則是由于蒸壓樣置于空氣中,氫氧化鈣吸收空氣中CO2,生成碳酸鈣;水合硅鋁酸鈣是由氫氧化鈣與粉煤灰中的氧化鋁和氧化硅,在高壓環(huán)境中發(fā)生水熱反應(yīng)而生成。從圖6中還可看出,水合硅鋁酸鈣晶相衍射峰強度隨蒸壓時間延長而增強,其相對含量增加,這是由于在180℃,高壓環(huán)境中,蒸壓時間越長,氫氧化鈣與粉煤灰中二氧化硅、氧化鋁反應(yīng)越充分,粉煤灰中非活性氧化鋁活性轉(zhuǎn)化率越高。蒸壓反應(yīng)機理就是:在高壓環(huán)境中,粉煤灰與氫氧化鈣在自加熱蒸壓釜內(nèi)發(fā)生水熱反應(yīng),生成水合硅鋁酸鈣。蒸壓反應(yīng)為下一步低溫煅燒生成可溶性鋁酸鹽創(chuàng)造了必要條件,這是提高粉煤灰活性的關(guān)鍵,同時也是蒸壓法提取粉煤灰中氧化鋁的關(guān)鍵。2.4硅酸二鈣和七鋁酸十二鈣對比圖7和圖8,熟料的主晶相為硅酸二鈣和七鋁酸十鈣兩種,900℃煅燒熟料中還有少量的鋁硅酸鈣生成,而800℃煅燒熟料中則存在氫氧化鈣。隨著熱處理溫度的提高,硅酸二鈣和七鋁酸十二鈣的晶體衍射線增強,說明其含量增加,晶體長大。煅燒熟料中的硅酸二鈣和七鋁酸十二鈣,主要是由蒸壓樣中的水合鈣鋁酸鈣與氫氧化鈣作用而產(chǎn)生,七鋁酸十二鈣是易溶于碳酸鈉溶液的化合物,可以通過堿法浸出熟料中鋁組分。低溫煅燒階段發(fā)生的反應(yīng)是:7Ca3Al2(SiO4)(OH)8+5Ca(OH)2=12CaO·7Al2O3+7(CaO)2·SiO2+33H2O試驗研究發(fā)現(xiàn),通過蒸壓反應(yīng),在900℃時煅燒就形成了七鋁酸十二鈣和硅酸二鈣,這充分說明通過蒸壓反應(yīng)實現(xiàn)低溫煅燒生成七鋁酸十二鈣是可行的,這種工藝完全改變了傳統(tǒng)的高溫固相反應(yīng)生成七鋁酸十二鈣的反應(yīng)歷程(硅鋁酸鈣在1300℃左右的溫度下形成七鋁酸十二鈣和硅酸二鈣),把反應(yīng)溫度直接從1300℃高溫降低到900℃低溫,極大地降低了能源消耗。2.5氫氧化鋁的制備煅燒熟料中的七鋁酸十二鈣易溶于碳酸鈉溶液中,生成偏鋁酸鈉和碳酸鈣沉淀,粉煤灰中鐵、鈣、鎂、鈦等成分,都形成碳酸鹽沉淀,而鉀、鈉等則形成可溶性鋁酸鹽,存在于溶液中。對偏鋁酸鈉溶液過濾,使含偏鋁酸鈉的溶液與主含硅酸二鈣和碳酸鹽的不溶物硅鈣渣分離。浸出反應(yīng)階段發(fā)生的主要化學反應(yīng):12CaO·7Al2O3+Na2CO3+H2O→14NaAlO2+12CaCO3↓+10NaOH向偏鋁酸鈉溶液中通入CO2氣體,控制攪拌速度和反應(yīng)溫度,偏鋁酸鈉轉(zhuǎn)化為氫氧化鋁乳白色沉淀,反應(yīng)至一定pH值結(jié)束。氫氧化鋁經(jīng)清洗、干燥、煅燒后得到氧化鋁樣品。其化學反應(yīng)為:2NaAlO2+CO2+3H2O→2Al(OH)3↓+Na2CO32Al(OH)3→Al2O3+3H2O3蒸壓階段7e活性氧化鋁法(1)低溫蒸壓煅燒提取粉煤灰中氧化鋁在蒸壓階段和煅燒階段,最佳蒸壓溫度是180℃,最佳蒸壓時間為12h,最佳煅燒溫度為900℃,最佳煅燒時間為6h。(2)在蒸壓階段高壓環(huán)境中,粉煤灰與氫氧化鈣在自加熱蒸壓釜發(fā)生水熱反應(yīng),生成水合硅鋁酸鈣。(3)水合硅鋁酸鈣與氫氧化鈣經(jīng)低溫煅燒轉(zhuǎn)化為硅酸二鈣和七鋁酸十二鈣