硫酸氢铵法从粉煤灰中提取提氧化铝
硫酸氢铵焙烧粉煤灰提取氧化铝
王若超, 翟玉春, 吴晓卫, 宁志强, 马培华
东北大学 材料与冶金学院, 沈阳 110819
摘 要:采用 NH 4HSO 4 焙烧法从粉煤灰中提取 Al 2O 3。首先, 通过 NH 4HSO 4 焙烧和去离子水浸出法提取粉煤灰 中的 Al 和 Fe ; 然后, 加入 NH 4HCO 3 溶液沉淀浸出液中的 Al 和 Fe , 利用 NaOH 溶液浸出得到的 Al(OH)3 和 Fe(OH)3 混合沉淀, 所得铝酸钠溶液经碳酸化分解得到纯净的 Al(OH)3; 最后, 煅烧纯净的 Al(OH)3 制备 α-Al 2O 3 产品。通 过实验确定各工艺流程的最佳条件。制备的 α-Al 2O 3 产品达到 YS/T 274-1998 标准的工艺指标。 关键词:粉煤灰; 硫酸氢铵; 氧化铝; 提取
1引言 粉煤灰是燃煤电厂粉煤灰燃烧烟道气中分离煤粉[ 1 ],它是火电厂的主要副产品。2020,在中国的粉煤灰总量将达到3000000000吨以上。大掺量粉煤灰是使用的建筑行业,公路基础与水泥浆混合2−[ 6 ]。然而,尽管有这些积极的利用,粉煤灰生产速度比它大得多的消费[ 7 ]。还有一部分是在池塘或填埋处理,使粉煤灰已成为电厂的主要废物。因此,有必要提高粉煤灰的高附加值利用。氧化铝行业一直在中国近几年迅速发展起来的。因此,有一个从粉煤灰中提取氧化铝的日益重视,随着铝土矿储量和可开采的矿石品位的降低。 目前,从粉煤灰中提取氧化铝的典型的冶金方法包括钠石灰烧结[ 10 ] 8−和酸浸11−[ 13 ]。钠石灰烧结具有重要的工业用的潜力,因为它类似于专业技术目前在氧化铝厂目前[ 14 ]用。然而,这种方法有一定的缺陷,如高能耗[ 15 ], 大量废渣和更多的Al2O3。酸浸法能有效地分离铝和硅,但由于高的设备要求
[ 16 ]和高成本,这种方法还没有被应用于工业实践。
在这项工作中,一种新的硫酸铵盐焙烧工艺从粉煤灰中提取氧化铝技术的建立。与上面的方法相比,硫酸铵盐焙烧技术具有能耗低,高铝提取率和更好的工作环境。该技术包括焙烧过程中,铝沉淀,碱溶解,碳酸化分解、煅烧。首先,Al 和Fe 从粉煤灰中提取硫酸铵盐焙烧和去离子水浸。第二,浸出液含有铝和铁是用于铝沉淀的碳酸氢铵溶液。第三,铝的混合沉淀(OH )3和Fe (OH )3的氢氧化钠溶液浸出除铁。第四,NaAl (OH )4溶液的分解碳化。最后,纯Al (OH )3的制备α氧化铝焙烧。Al2O3提取渣为原料回收二氧化硅。目前的工作主要集中在制备α-氧化铝产品全过程及条件优化。 此外,通过实验确定了最佳的操作参数
2 实验 NH4HSO4和NaOH 的工业级;硫酸锌,乙二胺四乙酸二钠,重铬酸钾和其他试剂均为分析级。使用去离子水在整个实验需要的时候。粉煤灰用于本研究得到了来自内蒙古,中国的燃煤电厂,其体积分数以61~74μM.的详细的化学成分进行了检查,通过ICP 。分析的结果,这是列在表1中,表明,粉煤灰的主要成分为SiO2、Al2O3。XRD 分析是用铜Kα辐射(λ= 1.5406 nm)在40 kV 和30毫安。从图1所示的结果,可以看出,飞灰中主要矿物相为莫来石和αSiO2。
2.1程序NH4HSO4焙烧 粉煤灰混合在一个适当的粉煤灰中的Al2O3摩尔比NH4HSO4和NH4HSO4。采用电阻炉,和温度是由一个精密的±2°C 反应开始在所需温度可编程温度控制器控制。一段时间后,立即取出焙烧熟料。它是由去离子水浸,然后过滤。EDTA 滴定法和重铬酸钾滴定法测定浸出液中的铝和铁的含量,分别为。Al2O3提取渣进行回收的SiO2原料。
主要的化学反应发生的粉煤灰和NH4HSO4之间如下:
三个关键参数,即焙烧,焙烧温度,Al2O3/NH4HSO4摩尔比、焙烧时间,通过正交试验,优化。
2.2程序 铝沉淀在浸出液的Al 和Fe 的浓度分别为:加州≈5.5 g/L,CFE≈0.3 g/L ,250毫升浸取液用于每个实验。 浸出液加热是从25到99°C. 当温度达到
10%,碳酸氢铵溶液下降到浸出液下搅拌,然后Al 和Fe 。当pH 值达到4−7,反应开始。经过一定时间后,反应溶液过滤。滤饼,这是铝的混合沉淀(OH )3和Fe (OH )3,用于碱溶解。滤液可用于制备粗品(NH4)2SO4的蒸发结晶过程。 主要化学反应为:
2.3程序 碱溶解铁,具有很强的干扰杂质,可以降低α-氧化铝产品质量。因此,制备α-粉煤灰氧化铝产品的关键问题是除铁。NaOH 溶液可用于单独的Al 和Fe ,Al (OH )3是由于溶解的铁(OH )3是不溶于氢氧化钠溶液。
根据铝混合沉淀的Al (OH )3和Fe (OH )3,NaOH 用量(固体)可以计算。碱溶解过程进行了研究,在Al (OH )3和NaOH 的质量比为1:1−1:5。这些NaOH (固体)和250毫升去离子水进行混合,然后加热到25−99°当温度达到和保持稳定的温度,混合沉淀,加入氢氧化钠溶液,在不断搅拌的情况下。一段时间后,反应溶液过滤。残渣沉淀的Fe (OH )3,和滤液NaAl (OH )4溶液为。
下面的反应可以在这一过程中发生的Al (OH )3:NaAl (OH )+氢氧化钠= 4
(8) 三个关键参数,包括温度比的Al (OH )3,质量/ NaOH和保温时间确定的单因素试验。
2.4的碳酸化分解过程 NaAl (OH )4的溶液被加热到25−99°C.在选定的温度,CO2被吹进溶液在20−100毫升/分钟。反应液气流量搅拌在大气压力下。经过一定时间后,反应溶液过滤。滤饼的Al (OH )3,沉淀,滤液中CaO 可以添加苛化碳酸钠溶液。 发生了化学反应可以写为[ 17,18:
2NaOH+CO2=Na2CO 3+H2O (9) NaAl(OH)4=Al(OH)3↓+NaOH (10)
在碳酸化分解的两个基本过程。一个是氢氧化钠和二氧化碳之间的中和反应(反应(9));其他的Al (OH )3沉淀过程(反应(10))。 三个关键参数,即温度速率,气体流CO2和保温时间,进行单因素。
2.5程序的Al (OH )3煅烧 进行煅烧,在1200°C 2 H ,得到α氧化铝产品。 化学反应发生在表2中列出[是19、20:
3结果与讨论3.1程序 NH4HSO4焙烧 表3列出了正交实验的计划,其中的关键参数包括
焙烧温度(一),Al2O3/NH4HSO4摩尔比(B )和焙烧时间(C )作为三个因素。每个因子有三个水平进行优化。铝的提取率为指标的角度评价不同因素水平下的焙烧性能。
正交试验结果列于表4。从数据的数学处理,可以得出一些结果。首先,Al2O3/Al 摩尔比表明NH4HSO4对提取率的影响最显著的因素。然后,焙烧温度和焙烧时间较显著的因素比较。确定为400°C 焙烧过程的最优条件,8和45分钟,焙烧温度,Al2O3/NH4HSO4摩尔比、焙烧时间,分别为。此外,铝的提取率达到90.11%的最佳焙烧条件下。
Al2O3提取渣分别进行了化学分析,XRD 和SEM 。Al2O3提取渣的化学成分如表5所示。表1比较,显而易见的是,Al2O3含量降低,而SiO2含量提高。目的提取Al2O3和SiO2粉煤灰累积了。Al2O3提取渣XRD 曲线如图3所示,表明主要矿物是αSiO2。形态的粉煤灰和Al2O3提取渣的SEM 分析。从图4可以看出,粉煤灰的接触面受NH4HSO4。
3.2程序 铝沉淀反应温度,pH 值和保温时间对Al 和Fe 的沉淀率如图5所示。这些结果表明,提高pH 值和保温时间而降低温度可以提高铝和铁的沉淀率。
碳酸氢铵的分解率随着温度的提高。因此,高温不利于反应。然而,Al (OH )3和Fe (OH )3的无定形沉淀,需要高温加速沉淀率和降低吸附。因为这个原因,80°C 选择(图5(a ))。它被发现从图5(b ),在pH 值为7的铝的沉淀速率比在pH 值6。这是因为少量的Al (OH )3转化为Al (OH )4−在pH 值7,即,Al3+返回的解决方案。从图5可见(C ),铝沉淀完全后40分钟。 用于铝沉淀的最佳工艺条件是80°C 的温度,pH 值6和40分钟的保持时间在这些条件下,Al 和Fe 的沉淀率分别99%和98%,分别。
3.3程序 碱溶解温度的影响,Al (OH )3、NaOH 的质量比和停留时间对铝的碱溶解率和除铁率如图6所示。很明显,温度升高,Al (OH )3、NaOH 的质量比和保温时间增加铝的碱溶解率和除铁率。温度的升高会
提高Al (OH )3的溶解度。当温度为80°C ,碱溶解过程可以达到更好的效果(图6(a ))。此外,过量的NaOH 可以使活性分子接触更好,确保有足够的反应,所以Al (OH )3、NaOH 的质量比为1:4选择(图6(b ))。从图6可以看出,(C )的溶解速率的Al 碱能达到最大时的反应时间是固定在30分钟 如上所述,对碱溶解过程的最优条件为80℃的温度°,Al (OH )3、NaOH 的质量比为1:4的持时间30分钟,至少在这些条件下,铝的碱溶解率和除铁率分别超过99%和96%,分别。 主要有两个原因负责不完整。首先,铁的一小部分,这是吸收的Al (OH )3在铝沉淀过程,释放Al (OH )3时,用NaOH 溶液浸出;第二,大量的NaOH 使少量的Fe (OH )3溶解。在这个实验中,该
铝混合沉淀(OH )3和Fe (OH )3的NaOH 溶液直接浸出无干燥工艺。因此,混合降水具有较高的反应活性,导致NaOH 相对小剂量(固体)。基于以上分析,不完整的除铁的原因是第一例。
3.4程序 碳酸化分解温度的影响,CO2气体流量以及保温时间对Al 沉淀率如图7所示。
结果表明,增施CO2气体流量、保温时间和温度的降低,提高铝沉淀率。的CO2降低随着温度的增加的溶解度,表明高温有利于碳酸化分解过程。因此,25°C 确定(图7(a ))。这是明显的从图7(b ),碳酸化分解反应随CO2气体流速加速。然而,过量的二氧化碳可能会影响整个过程的经济,因此CO2气体流量为40毫升/分钟。如图7(c ),铝沉淀率可在25分钟后也最终pH 值降低,Al 沉淀率的增加,达到一个最大值。这表明,最终的pH 值是评价铝沉淀性能的一个指标。
。根据实验结果确定温度25°分解碳化过程的条件下,最佳的C ,CO2气体的流速为40毫升/分钟的时间为25分钟,保持在这些条件下,铝沉淀率达0.98
3.5. 焙烧后的产品 3.5特性,得到了α氧化铝产品,它的特点是通过化学分析,XRD ,SEM 。从图8中的XRD 图谱,可以看出,随着αAl2O3标准衍射峰的产品相匹配的衍射峰,这表明该产品是α-Al2O3。如图9所示,SEM 图像表明,α-氧化铝产品的球状微粒。表5列出了α-化学成分氧化铝产品。从表6产品的Al2O3含量大于99%,和α-氧化铝产品质量达YS / T 274-1998标准的技术指标。
4结论1) 新技术提出了粉煤灰综合利用,为粉煤灰的开发利用提供了一条新的途径。 2)技术主要包括五个部分:焙烧过程中,铝沉淀,碱溶解,碳酸化分解、煅烧。确定了整个工艺的最佳条件。铝的焙烧过程中,提取率达90.11% 400°C 在Al2O3/NH4HSO4 1:8的摩尔比为45分钟。的Al 和Fe 的沉淀率分
别超过99%和98%,分别,温度80°C 的条件下,pH 值6,保温时间40分钟。碱溶解率和铝除铁率分别为99%和96%,,和的最佳条件为:温度80°C ,Al (OH )3、NaOH 的质量比为1:4和保温时间30分钟。铝的碳酸化分解率可达98%,正常的温度和压力下,40毫升/分钟和控股提姆的
CO2气体的流速为40毫升/分钟和25分钟。 3保温时间)制备了α氧化铝产品,其质量达到了YS / T 274-1998标准的技术指标。 4)整个技术具有许多优点,如成本低,能耗低,操作环境好的。它变成废物为有用的产品,具有良好的社会效益。