煤灰中碱熔法提取硅铝检测方案(微波消解仪)

碱溶一微波消解在提取粉煤灰中硅铝的应用 邬国栋，彭凯 (1. 新疆大学化学化工学院新疆乌鲁木齐830008；2.北京盈安美诚科学仪器有限公司北京100015 E-mail：walter_wgd@163.com 摘要 本文采用微波消解碱溶法对粉煤灰中硅铝的溶出规律进行了研究，考察了粉煤灰热处理温度、碱浓度、溶出时间、溶出温度等因素对粉煤灰中硅、铝溶出量的影响。并将微波消解与压力反应釜实验进行对比。 关键词：微波热解、碱溶、粉煤灰、硅铝溶出 中图分类类：X705 文献标识码： A Application of microwave-heating by alkaline solution to leach silicon andaluminum from fly ash Wu Guodong (Chemical & chemical engineering department， Xinjiang University， Xinjiang， Urumchi，830008，China) Peng Kai (Michem instrumentation LTD. Beijing Chaoyang JiuXianqiao Road No.2 100015) Abstract： This paper studied the rules of dissolved silicon and aluminum from fly ash by microwave-heatingalkaline solution in low temperature. The principle of microwave-heating is introduced. The factors ofpretreatment temperature of fly ash， alkali1Cconcentration， leaching time and leaching temperature areinvestigated.Tne results compared with that by pressure leaching are better in leaching effect. Key words： Microwave-heating .Leaching by alkaline solution. Fly ash. Leaching of silicon and aluminum 粉煤灰是煤炭在锅炉中燃烧所残留的灰渣。随着电力工业的迅速发展，粉煤灰的排放量与日俱增。因此，如何有效地利用粉煤灰已成为近十几年来国内外十分关注的课题。SiO和Al2O3是粉煤灰的主要成分，占到粉煤灰总质量的70%~80%以上。如何提取粉煤灰中的硅铝来制取高附加值的产品成为了近年来粉煤灰综合利用研究的一个很重要的方面。 微波消解法一般为酸溶，溶解粉煤灰时常用 HNO3-HF-HClO4来溶解分析2。由于粉煤灰晶体结构的特殊性使得溶出的滤液中硅铝含量大。采用碱溶一微波加热的方法，分部溶解粉煤灰中的硅铝，可以用粉煤灰来替代水玻璃制取高纯度的白炭黑，滤渣中由于粉煤灰中铝硅比例得到调整，使得铝含量大幅度增加，可以用来替代铝土矿制取高纯度超细氧化铝产品。[3] 1.实验部分 1.1主要仪器 高温电阻炉(天津市中环实验电炉有限公司的 SRJX-4-13 型箱式电阻炉) X射线粉末衍射仪(日本理学RIGAKU 公司， D/max IIIB 型X射射线衍射仪) 热重-差热分析仪(上海精密仪器厂， ZRY-2P综合分析仪) 微波消解系统(北京盈安美诚科学仪器有限公司， WR-3系列A型微波样品处理系统)压力反应釜(RD-100 型压力溶弹即不锈钢反应釜带聚四氟乙烯衬里)。 1.2实验方法 先将梅山粉煤灰经过不同温度的热处理，然后采用压力反应釜溶解和微波碱溶对经不同热处理后的粉煤灰在不同碱浓度、溶出温度、溶出时间下进行浸取试验，对溶出液进行硅铝 含量的分析测定。粉煤灰中的氧化铝和二氧化硅与碱溶液反应生成相应的硅铝酸盐溶于溶液中，而铁、钙、镁、铅等金属不溶，因而得到只含硅和铝的浸出液。采用 EDTA 容量法分析溶出液中氧化铝的含量，采用盐酸两次蒸干法分析溶出液中二氧化硅的含量。 2.结果与讨论 2.1热处理温度与溶出硅铝量的关系 粉煤灰中的硅和铝多以高温瞬间形成无定形态，其保持高温液态结构排列方式的介稳结构，内能比相应成分的晶态内能高，在常温常压下其结构仍然很稳定，表现出较高的化学稳定性，其中可溶性 Si02、Al203活性较低。[4] 经过差热(DTA)分析，在高温马弗炉中对粉煤灰进行热处理，热处理温度分别为0℃、500℃、650℃、800℃、950℃、1100℃和1200℃，时间4h，然后在压力反应釜和微波炉中进行条件为碱浓度 2.5mol/L， 液固比 (L/S)=50， 溶出时间分别为4h和30min， 溶出温度160℃的溶出试验，结果如图1所示。 硅铝溶出量与热处理温度关系曲线 图1溶出硅铝量与热处理温度关系曲线 (A)压力反应釜(B)碱溶-微波热解 Fig.3 Leaching quantity of aluminum and silica in relation to sinter temperature(A)pressure leaching(B)microwave-heating leaching 由图1可以发现，粉煤灰在经过了预先的高温热处理以后，硅的溶出量都有了很大程度的提高，而铝的溶出量变化不大。说明粉煤灰预先高温热处理对于硅的溶出是有利的。这是因为粉煤灰中的硅铝玻璃体在高温热处理的过程中发生结构的变化，其中的高岭石在400℃开始失水形成偏高岭石，当温度超过900℃时偏高岭石将形成莫来石(3Al20s·2Si02)和无定形的二氧化硅5，原粉煤灰中的硅氧系列物质经过高温950℃灼烧部分转化成了晶形β-石英相，同时生成莫来石结构释放的一部分无定形二氧化硅也部分转化成了晶形β-石英相，转化后的石英相易溶于碱溶液。莫来石是惰性较强的晶相，其中含有很高比例的氧化铝，不易溶出。微波法溶解的铝量和压力反应釜溶解的比较相对较多。：[6 2.2溶出时间与溶出硅铝量的关系 经过950℃热处理的粉煤灰样品，在液固比(L/S)=50， 溶出温度=160℃，溶出碱溶液浓度=2.5mol/L，改变溶出时间，考察压力反应釜的反应时间为0.5~10h，微波的反应时间为5~60min，研究溶出时间对硅铝溶出量的影响，试验结果如图2所示。 硅铝溶出量与溶出时间关系曲线 硅铝溶出量与溶出时间关系曲线 图2硅铝溶出量与溶出时间关系曲线 (A)压力反应釜溶解(B)微波热解 Fig.4 Leaching quantity of aluminum and silica in relation to leaching time(A)pressure leaching(B) microwave-heating leaching 由图2看出，压力反应釜和微波溶解溶出氧化铝的含量都随着溶出时间的增加逐渐呈现下降，而氧化硅的溶出量在开始阶段随着溶出时间的增加而增加，压力反应釜溶解在4~6小时达到溶出量的最大值，在溶出时间大于6小时以后，氧化硅的溶出量开始随着溶出时间的增加而降低；而微波溶解在30~40min 时达到溶出量的最大值，在溶出时间大于40min以后，氧化硅的溶出量开始随着溶出时间的增加而降低。[7] 2.3溶出温度与溶出硅铝量的关系 经过950℃热处理的粉煤灰样品，在液固比(L/S)=50，溶出时间分别为 4h和30min，溶出碱溶液夜度=2.5mol/L， 改变溶出温度，研究溶出温度对硅铝溶出量的影响，试验结果如图3所示。 硅铝溶出量与溶出温度关系曲线 图3微波热解硅铝溶出量与溶出温度关系曲线 (A)压力反应釜溶解(B)微波热解 Fig.5 Leaching quantity of aluminum and silica in relation to leaching temperature(A)pressure leaching(B)microwave-heating leaching 由图3(A)看出，压力反应釜溶出氧化硅的含量随着溶出温度的增加而在开始阶段呈现增加的趋势，在140-160℃时达到最大值，当溶出温度大于160℃以后，反而呈现下降的趋势，氧化铝的溶出量变化不大；而图3(B)中微波溶解溶出氧化硅的含量随着溶出温度的增加在低于160℃的温度下呈现增加的趋势，在160~180℃时达到最大值，当温度大于180℃以后开始下降，溶出氧化铝的含量在温度小于140℃的范围内，随着溶出温度的升高而增加，在140~160℃时达到最大值；当溶出温度超过160℃以后，氧化铝的溶出量随着溶出温度的升高呈现下降的趋势。 2.4溶出碱浓度与微波热解溶出硅铝量的关系 经过950℃热处理的粉煤灰样品，在液固比(L/S)=50，溶出时间为4h和30min， 溶出温度=160℃C，改变溶出碱溶液浓度，研究溶出碱浓度对硅铝溶出量的影响，试验结果如图4所示。 图4微波热解硅铝溶出量与溶出碱浓度关系曲线(A)压力反应釜溶解(B)微波热解 Fig.6 Leaching quantity of aluminum and silica in relation to leaching alkali concentration(A)pressure leaching (B)microwave-heating leaching 由图4(A)看出，压力反应釜溶解溶出氧化硅的含量在开始阶段随着溶出碱浓度的增加而增加，当碱浓度为2.5mol/L时达到最大值，当碱浓度大于3mol/L以后，随着碱浓度的增加而下降，而氧化铝的溶出量则随着碱浓度的增加而始终呈现增加的趋势；由图4(A)看出，微波溶解溶出氧化硅的含量随着溶出碱浓度的增加而增加，在碱浓度大于 2.5mol/L 以后逐渐趋于恒定，溶出氧化铝的含量则随着溶出碱浓度的增加而不断增加，在碱浓度大于 2mol/L上升速度较快，这是因为碱浓度较高时，碱液破坏了玻璃体结构致密的表面，从而使玻璃体结构中的铝部分溶出。氧化硅溶出量在碱浓度较高(大于 3mol/L)情况下的反常降低是因为发生了下面的副反应：2NaA102+2Na2SiO3+4H20→Na20·A1203·2Si02·2H20↓+4Na0H 导致了氧化硅和氧化铝以Na20·A1203·2Si02·2H20的形式沉淀下来。 2.5结论 粉煤灰在经过高温热处理以后硅的溶出量大幅度提高，铝的溶出量变化不大。 碱溶一微波酸消解在矿物质的溶解方面具有明显的优势和特点。由对比实验也可以看出，溶出相当数量的二氧化硅压力反应釜需要的时间是4~6h，而微波只需要 30~40min；对于氧化铝的溶出量方面，微波溶解与压力反应釜相比有显著的优势。北京盈安美诚科学仪器有限公司开发出来的新一代温压双控变频微波消解系统更适合此项目的研究与开发。 溶出的溶液通过氧化铝和二氧化硅含量分析可以发现，使用碳化沉淀得到的氧化硅的含量可以达到90%以上，可以用来制取高纯度的白炭黑产品。 溶出后过滤的滤渣中由于硅铝的比例得到调整，使得铝含量大幅度增加，可以替代铝土矿作为原料来制取高纯度超细氧化铝产品。不但解决了粉煤灰污染问题，而且降低了成本，保护了铝土矿资源。从综合利用粉煤灰的角度来看，粉煤灰中硅硅的溶出使得其他金属得到了富集，可以进行更进一步的提取，生产高附加值的产品。 ( 参考文献 ) ( 1 贺世群.我国粉煤灰综合利用的经济效益和环境效益.环境污染与防治，1983，(l) ) ( He S Q. Economical effectiveness and environment effectiveness of fly ash integrating usi n g inChina. E nvironment Pollution and Protection， 1 9 83，(1) ) ( 2 罗方若.双层结构微波密闭溶样原子光谱法测定岩石中的18个元素.理化检验(化化分册)， 1991，27(4)：230. ) 3 M. Al-Harahsheh， S.W. Kingman. Microwave-assisted leaching-a review.FHydrometallurgy73 (2004) 189-203 4 Thostenson， E.T.， Chou， T.-W.， 1999. Microwave processing： fundamental and applications.Composites. Part A， Applied Science and Manufacturing 30， 1055- 1071. 5 Fletcher， R.， 1995. Investigation into microwave heating of Uranium dioxide， PhD thesis，University of Nottingham. 6 Schaefer， M.D.， 1999. Microwave Tempering of Shrimp with Susceptors， Master thesis，Virginia Polytechnic Institute and State University， Virginia， USA. 7 Clark， D.E.， Folz， D.C.， West， J.K.， 2000. Processing materials with microwave energy.Materials Science & Engineering.A，287，153-158. 8Bykov， Yu.V.， Rybakov， K.I.， Semenov， V.E.， 2001. Topical review. High-temperaturemicrowave processing of materials. Journal of Physics. D， Applied Physics 34， 55-75. 9 I. J. Lin， lN.Malts.S，aanddY..Shindler.The：(Complex ChemicalTreatment ofAlumina-Silica-Containing Materials. Journal of Materials Sythesis and Processing， Vol. 6， No.I， 1998.27-35. 摘要  本文采用微波消解碱溶法对粉煤灰中硅铝的溶出规律进行了研究，考察了粉煤灰热处理温度、碱浓度、溶出时间、溶出温度等因素对粉煤灰中硅、铝溶出量的影响。并将微波消解与压力反应釜实验进行对比。关键词：微波热解、碱溶、粉煤灰、硅铝溶出