燒結(jié)法提取粉煤灰中氧化鋁的研究進展

燒結(jié)法提取粉煤灰中氧化鋁的研究進展

粉煤灰是指由高溫和低溫形成的具有火山性質(zhì)的碳氫化合物。主要來自燃煤、焦炭、，等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計,2008年底,我國粉煤灰累計堆存量已高達56億噸,年排放量已接近4.5億噸,而且呈現(xiàn)連年遞增的趨勢。大量堆存的粉煤灰不僅占用大片的土地,而且還會破壞生態(tài)環(huán)境,因此粉煤灰綜合利用的研究意義重大。從當(dāng)前國內(nèi)的研究情況看,粉煤灰的綜合利用主要集中在經(jīng)濟效益低下的建材、筑路、筑壩等工業(yè)領(lǐng)域,因此提高粉煤灰的綜合利用的價值迫在眉睫,亟待解決。由于粉煤灰含有非常豐富的鋁硅等有用元素,Al2O3和SiO2總含量可達90%以上,因此利用粉煤灰提取Al2O3、SiO2,以及制備其它高附加值產(chǎn)品是解決粉煤灰的高附加值資源化利用和堆存污染的根本途徑。目前國內(nèi)粉煤灰的高附加值資源化利用的研究主要在于粉煤灰提取氧化鋁。1灰色能源性能1.1粉煤灰的化學(xué)成分通常情況下粉煤灰呈灰白色的球狀,均勻,質(zhì)輕,無黏性,比表面積在0.25~0.7m2/g,粉煤灰的化學(xué)成分會因燃煤產(chǎn)地和燃燒程度的不同而有所不同,但是從一般情況來說,粉煤灰的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3,其次是Fe2O3、CaO、MgO等。粉煤灰中各化學(xué)成分的含量范圍見表1。1.2粉煤灰的結(jié)晶相煤粉灰的物相組成可分為結(jié)晶相和玻璃相。粉煤灰的結(jié)晶相主要是石英、莫來石;玻璃相主要是有活性的無定形Al2O3和SiO2。粉煤灰的礦物組成見表2。2粉煤灰中氧化鋁的提取莫來石中的Al2O3活性差,鋁硅玻璃中SiO2-Al2O3鍵結(jié)合強度高,因此從粉煤灰中提取氧化鋁的實質(zhì)上是提高莫來石中Al2O3的活性,破壞鋁硅玻璃中SiO2-Al2O3鍵。根據(jù)Al2O3活性的提高方式和破壞SiO2-Al2O3鍵的方法,可把近十年來從粉煤灰中提取氧化鋁的主要方法分為直接酸浸法和燒結(jié)法。燒結(jié)法提取氧化鋁的優(yōu)勢是氧化鋁提取率普遍較高,產(chǎn)品純度高,愈來愈受到人們的關(guān)注,因此我們就回顧國內(nèi)近十年來在使用燒結(jié)法提取粉煤灰中氧化鋁方面所取得的研究新進展。燒結(jié)法提取粉煤灰中氧化鋁的實質(zhì)是將粉煤灰與燒結(jié)劑以適當(dāng)比例混合后,通過高溫下的燒結(jié)反應(yīng)破壞莫來石的結(jié)構(gòu)和鋁硅玻璃體的SiO2-Al2O3鍵,同時使Al2O3活化,并與燒結(jié)劑反應(yīng)生成可溶性的鋁鹽,然后將鋁鹽經(jīng)過酸浸或堿浸、沉淀、煅燒等工序而得到高純度的Al2O3。根據(jù)燒結(jié)法選用燒結(jié)劑的不同,可以把燒結(jié)法分為石灰(石灰石)燒結(jié)法、碳酸鈉燒結(jié)法、多種燒結(jié)劑燒結(jié)法。2.1粉煤灰的燒結(jié)在燒結(jié)法提取粉煤灰中氧化鋁的研究中,被人們研究最多的是石灰(石灰石)燒結(jié)法。石灰(石灰石)燒結(jié)法就是將一定量的石灰或石灰石與粉煤灰混合后,首先通過高溫焙燒將粉煤灰中的SiO2轉(zhuǎn)變成難溶于酸堿的硅酸二鈣(2CaO·SiO2)和易溶于酸堿的七鋁酸十二鈣(12CaO·7Al2O3),然后在酸堿的作用下將燒結(jié)熟料中的氧化鋁溶出,最后將濾液進行過濾、分解等工序而得到氧化鋁。楊石波等用CaO提取粉煤灰中鋁的研究指出:粉煤灰與CaO以2.2∶1的摩爾鈣硅比混合后在1200℃燒結(jié)2h,物料自粉化;自粉化燒結(jié)料在80℃、4mol/L的硫酸溶液酸溶80min(硫酸溶液與自粉化料體積質(zhì)量比為4mL/g),鋁的回收率達77%。趙喆等把粉煤灰與石灰的混合料(m粉煤灰/m石灰=1.8)在1380℃煅燒1.0h后在800℃出爐,熟料中的Al2O3溶出率達79%。薛冰等用CaO提取粉煤灰中氧化鋁的試驗表明:當(dāng)C/A(CaO和Al2O3的摩爾比)在1.5~2.3范圍內(nèi)時,在1360℃下保溫1.0h的條件下,燒結(jié)主要生成C12A7和γ-C2S,其量隨C/A值的變化而變;當(dāng)C/A為1.9時,碳酸鈉溶中燒結(jié)熟料溶出的Al2O3量最大。孫培梅等用石灰石燒結(jié)粉煤灰得出物料燒結(jié)的最佳條件:m粉煤灰/m石灰石=1.9,燒結(jié)溫度為1340~1360℃,保溫時間為40~60min,出爐溫度是700~900℃。為克服常用燒結(jié)法能耗大的不足,石灰低溫蒸壓燒結(jié)法也被人們研究。石灰低溫蒸壓燒結(jié)法就是把粉煤灰、石灰及水混合后通過低溫的蒸壓反應(yīng)形成Ca3Al2(SiO4)(OH)8,然后高溫?zé)Y(jié)形成12CaO·7Al2O3和2CaO·SiO2,最后用碳酸鈉溶液溶解12CaO·7Al2O3,再碳化處理而獲得氧化鋁。裴新意等低溫蒸壓煅燒提取氧化鋁得出最佳條件:蒸壓溫度是180℃,蒸壓時間是12h,煅燒溫度為900℃,煅燒時間為6h。趙鵬等把以1∶2∶2的質(zhì)量比混合的粉煤灰、石灰和水在180℃蒸壓12h后在900℃下煅燒4h,然后將煅燒熟料在65℃下用10%碳酸鈉溶液浸取,在45℃下碳化,氧化鋁提出率可達92%。2.2al2o3的提取碳酸鈉燒結(jié)法就是以粉煤灰和碳酸鈉為主要原料,按照一定的配比在高溫下保溫,得到一種冷卻后自粉化燒結(jié)物,這種燒結(jié)物是可與酸反應(yīng)的霞石;然后在酸性溶液的作用下,硅元素形成硅膠,鋁元素進入溶液,經(jīng)過濾分離,得到含鋁的濾液。將含鋁濾液經(jīng)過酸堿處理、除雜、過濾、燒結(jié)等步驟得到Al2O3。徐子芳等把粉煤灰和碳酸鈉以1∶1的配比混合后在800℃保溫2h,然后用3.5mol/L鹽酸處理,Al2O3的提取率較高。劉成長試驗表明:粉煤灰與純堿粉以1∶(1.2~1.3)配料后在1150~1350℃下堿融反應(yīng)40~60min,然后在1050~1150℃下出料,在70~80℃下用50%燒堿溶出時,Al2O3提取率達95%。2.3粉煤灰中氧化鋁的溶出率為提高氧化鋁的浸取率和降低燒結(jié)溫度,多種燒結(jié)劑提取氧化鋁的協(xié)同效果也被人們研究。唐云等研究碳酸鈉和生石灰協(xié)同作用的實驗表明:燒結(jié)因素影響粉煤灰中氧化鋁溶出率的順序是:堿比>燒結(jié)溫度>鈣比>燒結(jié)時間。王苗等用Na2CO3和NaOH進行提取粉煤灰中的氧化鋁的實驗研究,得出:添加Na2CO3和NaOH的粉煤灰在700℃燒結(jié)時,氧化鋁溶出率高達95%。王佳東等進行脫硅粉煤灰中提取Al2O3的實驗得出:當(dāng)脫硅粉煤灰以堿比1.0、鈣比2.0與CaO、Na2CO3混合后在1200℃燒結(jié)60min時,Al2O3浸出率達到90%。唐云等研究燒堿與生石灰協(xié)同作用時指出:燒結(jié)因素影響Al2O3溶出率的順序為:鈣比>燒結(jié)時間>堿比>燒結(jié)溫度。2.4粉煤灰的溶出率在燒結(jié)法提取粉煤灰中氧化鋁的研究中,燒結(jié)熟料的溶出工藝條件是一個非常重要的研究內(nèi)容。唐云等研究燒堿生石灰與粉煤灰的燒結(jié)熟料的溶出時指出:溶出因素對Al2O3溶出率影響大小順序為:溶出溫度>堿濃度>溶出時間;燒結(jié)熟料在100℃、80g/L的堿液中溶出時間10min時,粉煤灰中Al2O3的溶出率可達84.69%;燒結(jié)熟料溶出后的赤泥用100℃、0.2mol/L堿液洗滌5次,再用100℃水沖洗5次,Al2O3的溶出率可達87.03%。趙喆、孫培梅等用碳酸鈉溶液溶出粉煤灰和石灰石燒成熟料得出:在碳酸鈉過量一倍、溫度為50~60℃、溶出時間為40~60min、液固比為3~4的條件下,熟料中Al2O3溶出率可達79%以上。鄔國棟等研究了粉煤灰中鋁的溶出規(guī)律得出:粉煤灰高溫?zé)崽幚砗?氧化鋁的溶出量變化不大;氧化鋁的溶出量隨堿濃度的增加緩慢增加,隨溶出溫度的增加不發(fā)生變化,隨溶出時間的增加逐漸下降。另外,粉煤灰的活化方式對燒結(jié)法所得的燒結(jié)熟料中氧化鋁的溶出率的影響也被研究。唐云等采用熱活化、機械活化及微波輻射等方式活化粉煤灰,然后以適當(dāng)比例把苛性鈉、氧化鈣以及活化粉煤灰混合、燒結(jié),實驗結(jié)果表明:活化粉煤灰中氧化鋁的溶出率隨熱活化溫度升高先增后降,在700℃出現(xiàn)極值;隨熱活化時間的延長先升后降,在700℃活化25min出現(xiàn)極值;隨著粉煤灰細度的增大先增后減,在-320目含量為80.11%時氧化鋁溶出率最大;隨著微波輻射時間的延長迅速增大,微波照射30min時粉煤灰中氧化鋁溶出率最大,達到92.55%。吉濤等研究指出:粉煤灰在轉(zhuǎn)速300r/min、球料比10∶1、級配5∶20∶60、活化時間6h條件下進行表面機械活化,然后用Na2CO3燒結(jié)劑提取活化粉煤灰中的氧化鋁,Al2O3提取率能有效提高10%以上。4國內(nèi)研究現(xiàn)狀綜上所述,燒結(jié)法提取氧化鋁的優(yōu)勢是氧化鋁提取率普遍較高,產(chǎn)品純度高,但其主要不足是工藝繁長,能耗大,“利廢生廢”的現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)使用該法使投資大,生產(chǎn)成本高,降低了粉煤灰高附加值資源化利用的經(jīng)濟效益。盡管低溫蒸壓煅燒法能有效地改善了燒結(jié)法能耗大的缺點,但這些新的提取氧化鋁工藝仍處于實驗室階段,缺乏成熟的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗。因此,就國內(nèi)目前從粉煤灰中提取氧化鋁的研究情況,以下幾個方面的問題的研究應(yīng)作為今后科研努力的主要方向和目標(biāo)。(1)燒結(jié)法的主要問題是能耗過高,因此研制能顯著降低燒結(jié)溫度的燒結(jié)助劑是降低能耗的有效途徑。(2)燒結(jié)法產(chǎn)生“利廢生廢”的現(xiàn)象,但是燒結(jié)法產(chǎn)生的廢渣的顆粒小于粉煤灰的,化學(xué)成分主要是不溶性的硅酸鈣鹽類,是理想的建筑材料原料,因此燒結(jié)法產(chǎn)生廢渣的建材化研究迫在眉睫。