粉煤灰中氧化铝提取工艺的研究

粉煤灰中氧化铝提取工艺的研究

在国内外对粉煤灰中的氧化锌进行了大量研究，并提出了许多方法。从原理上主要分碱法热处理工艺和酸法溶解工艺两大类。传统碱法如石灰自粉法和碱石灰烧结法,提取率高、产品纯度高,但生产工艺繁长,设备投资大,煅烧温度高(1300℃~1600℃),能源消耗多,生产成本高;酸法工艺简单,设备投资小,能耗低,产品成本低,但酸法的提取率低,在浸取氧化铝的同时,也将粉煤灰中许多可溶出的杂质如铁、镁等带入溶液,相应使产品纯度降低,同时由于酸对设备有强腐蚀作用,阻碍了酸法生产的产业化。针对以上问题,本试验提出低温蒸压煅烧法,粉煤灰与石灰经低温蒸压和低温煅烧,转化为七铝酸十二钙,然后由碱溶液进行溶出。它成功解决了碱法能耗高问题,在低温下煅烧且能实现较高的氧化铝提取率,具有很高的应用价值。1水合氢氧化铝的制备试验原材料包括:山西神头某电厂粉煤灰(化学成分见表1);石灰(工业品);无水碳酸钠(分析纯);二氧化碳(罐装);自来水。将粉煤灰与石灰以重量比1:2的比例混合均匀,加入适量水压制成型,装入自制蒸压反应釜中,180℃蒸压12h,再把蒸压样品于900℃进行煅烧4h。将煅烧熟料研碎并过120目筛,用质量分数为8%的Na2CO3溶液溶解,从熟料中浸取铝组分。然后按拟定的碳化温度、pH值进行碳化操作,制备出水合氢氧化铝,经清洗、干燥、煅烧后可得到氧化铝样品。其详细工艺流程图如图1。2结果与讨论2.1蒸压温度对氧化铝提取率的影响试验过程中固定其他因素,而分别对蒸压温度和蒸压时间取不同的水平因子,进行对比试验,试验结果如图2和图3。从图2可看出:随着蒸压温度的升高,提取率逐渐升高,蒸压温度为180℃时,氧化铝提取率达到最大值,之后随着蒸压温度的增加,氧化铝提取率变化不大,最佳蒸压温度为180℃。从图3可看出:随着蒸压时间的增加,氧化铝提取率逐渐升高,在蒸压12h之前,氧化铝提取率随蒸压时间的增加,而迅速升高,蒸压时间为12h时,氧化铝的提取率达到最大值,之后随着蒸压时间的延长,提取率逐渐降低,但变化速率缓慢,最佳蒸压时间为12h。2.2煅烧温度对氧化铝提取率的影响试验过程中固定其他因素,而分别对煅烧温度和煅烧时间取不同的水平因子,进行对比试验,试验结果如图4和图5所示。从图4可知:氧化铝提取率随煅烧温度的增加而升高,在900℃之前,提取率随煅烧温度的增加变化十分显著;900℃之后氧化铝提取率曲线逐渐趋于平稳,随煅烧温度增加提取率变化不明显,最佳煅烧温度为900℃。从图5可知,随煅烧时间增加,氧化铝提取率逐渐升高,在煅烧2h之后,提取率逐渐趋于稳定,煅烧6h提取率达到最大值。2.3蒸压反应机理图6为180℃不同蒸压时间蒸压样的XRD图,从图6中可知混合料经蒸压后,生成氢氧化钙和水合硅铝酸钙:水合钙铝石榴石(Ca3Al2(SiO4)(OH)8)、加藤石等,此外还有碳酸钙微弱晶相。氢氧化钙是由石灰与水反应而得到的,而碳酸钙则是由于蒸压样置于空气中,氢氧化钙吸收空气中CO2,生成碳酸钙;水合硅铝酸钙是由氢氧化钙与粉煤灰中的氧化铝和氧化硅,在高压环境中发生水热反应而生成。从图6中还可看出,水合硅铝酸钙晶相衍射峰强度随蒸压时间延长而增强,其相对含量增加,这是由于在180℃,高压环境中,蒸压时间越长,氢氧化钙与粉煤灰中二氧化硅、氧化铝反应越充分,粉煤灰中非活性氧化铝活性转化率越高。蒸压反应机理就是:在高压环境中,粉煤灰与氢氧化钙在自加热蒸压釜内发生水热反应,生成水合硅铝酸钙。蒸压反应为下一步低温煅烧生成可溶性铝酸盐创造了必要条件,这是提高粉煤灰活性的关键,同时也是蒸压法提取粉煤灰中氧化铝的关键。2.4硅酸二钙和七铝酸十二钙对比图7和图8,熟料的主晶相为硅酸二钙和七铝酸十钙两种,900℃煅烧熟料中还有少量的铝硅酸钙生成,而800℃煅烧熟料中则存在氢氧化钙。随着热处理温度的提高,硅酸二钙和七铝酸十二钙的晶体衍射线增强,说明其含量增加,晶体长大。煅烧熟料中的硅酸二钙和七铝酸十二钙,主要是由蒸压样中的水合钙铝酸钙与氢氧化钙作用而产生,七铝酸十二钙是易溶于碳酸钠溶液的化合物,可以通过碱法浸出熟料中铝组分。低温煅烧阶段发生的反应是:7Ca3Al2(SiO4)(OH)8+5Ca(OH)2=12CaO·7Al2O3+7(CaO)2·SiO2+33H2O试验研究发现,通过蒸压反应,在900℃时煅烧就形成了七铝酸十二钙和硅酸二钙,这充分说明通过蒸压反应实现低温煅烧生成七铝酸十二钙是可行的,这种工艺完全改变了传统的高温固相反应生成七铝酸十二钙的反应历程(硅铝酸钙在1300℃左右的温度下形成七铝酸十二钙和硅酸二钙),把反应温度直接从1300℃高温降低到900℃低温,极大地降低了能源消耗。2.5氢氧化铝的制备煅烧熟料中的七铝酸十二钙易溶于碳酸钠溶液中,生成偏铝酸钠和碳酸钙沉淀,粉煤灰中铁、钙、镁、钛等成分,都形成碳酸盐沉淀,而钾、钠等则形成可溶性铝酸盐,存在于溶液中。对偏铝酸钠溶液过滤,使含偏铝酸钠的溶液与主含硅酸二钙和碳酸盐的不溶物硅钙渣分离。浸出反应阶段发生的主要化学反应:12CaO·7Al2O3+Na2CO3+H2O→14NaAlO2+12CaCO3↓+10NaOH向偏铝酸钠溶液中通入CO2气体,控制搅拌速度和反应温度,偏铝酸钠转化为氢氧化铝乳白色沉淀,反应至一定pH值结束。氢氧化铝经清洗、干燥、煅烧后得到氧化铝样品。其化学反应为:2NaAlO2+CO2+3H2O→2Al(OH)3↓+Na2CO32Al(OH)3→Al2O3+3H2O3蒸压阶段7e活性氧化铝法(1)低温蒸压煅烧提取粉煤灰中氧化铝在蒸压阶段和煅烧阶段,最佳蒸压温度是180℃,最佳蒸压时间为12h,最佳煅烧温度为900℃,最佳煅烧时间为6h。(2)在蒸压阶段高压环境中,粉煤灰与氢氧化钙在自加热蒸压釜发生水热反应,生成水合硅铝酸钙。(3)水合硅铝酸钙与氢氧化钙经低温煅烧转化为硅酸二钙和七铝酸十二钙