煤矸石中提取铝的工艺探讨

煤矸石是煤矿生产过程中的垃圾，是主要的煤系固废，在很多矿井周围都存在着堆积如山的煤矸石，既污染环境，又占据着大片土地，全国煤矸石总堆存量约45亿t[^1-2]，环境污染大，资源浪费严重。煤矸石中存在着大量的铝元素，氧化铝的含量占到25%左右，是一种可以利用的资源^[3-4]，利用后既解决了煤矸石中占地和环境污染的问题，同时又变废为宝创造出更多的经济效益^[2,6-8]。煤矸石经硫酸浸取可制备硫酸铝，后者是常用的絮凝剂，多用于污水处理。

本实验对郑州矿区某矿煤矸石进行了分析和研究，经多次实验，在最佳条件下，铝溶出率可稳定达到89.6%，制备出的硫酸铝纯度可达95%，为煤矸石的开发和利用提供了新的思路。

一、实验部分

（一）材料

郑州某矿块状煤矸石，粉碎至40目，其成分组成见表l。

（二）仪器及设备

马弗炉，酸度计，电子天平，粉碎机，搅拌机。

（三）试剂

浸取试剂：1:l盐酸(蒸馏水稀释一倍的浓盐酸)，1:2硫酸(蒸馏水稀释2倍的浓硫酸)，逆王水(浓硝酸:浓盐酸=3:1)；铝测定试剂：10%磺基水杨酸，0.02mol/L CuSO₄，0.02mol/L乙二胺四乙酸(EDTA)，l:l盐酸，l:l氨水，pH值为5.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，PAN指示剂。

（四）实验方法

称取适量经烘干处理后的煤矸石样品，置于一定温度下的马弗炉内高温焙烧，烧结物在一定温度下用一定量的硫酸浸取，试验焙烧温度、焙烧时间、酸度、浸取温度、浸取时间等因素对铝的浸取率的影响，拟定煤矸石中铝的最佳浸取条件。铝的测定方法：EDTA连续测定法。

二、实验结果及分析

（一）活化温度的影响

煤矸石不经活化处理直接用浓硫酸、逆王水加热浸取煤矸石2h，其溶出率很低，只有3.6%。分取50g40目的煤矸石于磁蒸发皿中在400℃、600℃、800℃、1000℃、1200℃的高温炉中烧5h，冷却后分取10g加入1:2的硫酸浸取5h，结果见表2。

根据表2数据作出溶出率和温度关系图，见图1。煅烧温度超过500℃时，煤矸石中的A1₂O₃•2SiO₂•2H₂O组分开始脱掉部分羟基，由结晶态转变为非晶态；700℃时活性达到最高。1000℃后，形成新物相γ- A12O3和莫来石相，使铝的溶出量迅速降低。

（二）浸取时间的影响

称取800℃煅烧后的煤矸石矿样30g，加1:1盐酸150mL提取，温度控制在85℃，多次吸取1mL浸取液进行分析，结果见表3。

根据表3数据，做溶出率-浸取时间图，见图2。实验表明，浸取时间以5h为宜，时间过长溶出率升高较慢，时间过短，溶出率较低，达不到生产目的。

（三）酸种类的影响

酸浸取所用的强酸有HNO₃、HCl、H₂SO₄，本着技术上可行、经济上合理的原则，所用酸应从HCl、H₂SO₄中选取。分别用1:1盐酸和1:2硫酸按1.5倍酸量浸取800℃处理矿样10g，配制成100mL(矿样失重率为11.3%)。结果表明：盐酸的溶出率为68.78%；硫酸的溶出率为89.6%。由此可看出，在酸用量相同、浸取时间相同的条件下，硫酸的溶出率远大于盐酸，且工业用硫酸浓度相当大，价格也比盐酸便宜得多，故使用硫酸浸取煤矸石有较好的经济效益。

（四）浸取温度的选择

选用1.5倍酸量的硫酸浸取10g经800℃处理的样品，时间5h。分别在不同的温度下浸取，结果见表4。并作温度-溶出率曲线图，见图3。由表4、图3可知，随着温度的增加，Al的溶出率也渐高。但温度过高不仅浪费能量，而且溶液易沸腾，故浸取温度以85～90℃为宜。

（五）酸度的选择

浓硫酸比重大，成粘稠状，太浓不宜搅拌，且也难以溶解矿样；如果稀释倍数过高，则浸取效果较差。经实验证明，用1:2的硫酸浸取矿样溶出效果较好。

（六）酸量的选择

用酸浸取煤矸石，考虑到经济效益，就要选用尽可能少的酸，浸取出尽可能多的铝。实验结果见表5及图4。煅烧后的煤矸石含A1₂O₃约3l%，经实验测得用1.5倍酸量浸取效果最好，溶出率达89.6%。

由图4可知，以1.5倍酸量的硫酸浸取矿样可得到较高的Al溶出率。酸量过大易造成浪费，量过小溶出率过低，且剩余的硫酸可在生产过程中循环使用。

（七）搅拌影响

实验表明，在浸取时间相同(5h)，浸取温度相同(85℃)，不充分搅拌时溶出率只有52%，大力充分搅拌时溶出率可达89.6%。

综上所述，浸取煤矸石的各种最佳条件是：粉碎后的煤矸石于800℃高温炉中煅烧5h，用l:2硫酸按1.5倍酸量浸取，控制温度在85℃左右浸取5h，并大力充分搅拌即可达到Al溶出率89.6%。

（八）硫酸铝产品的制备

硫酸铝制备主要采取两种方法：

①将浸取液过滤后蒸发，待其密度为1.25～1.30时，停止蒸发，自然结晶可获得硫酸铝晶体。

②将浸取液过滤，取部分过滤母液加入碱，控制pH值为7左右，生成Al(OH)₃沉淀。过滤得到的氢氧化铝加入另一部分母液，中和未完全反应的硫酸，调节pH值为1.0～2.0，蒸发母液至密度为1.25～1.30，冷却自然结晶。制备硫酸铝晶体的流程示意图见图5。

获得的硫酸铝晶体经分析其纯度可达95%以上。用重量法测得浸渣中SiO₂含量为80.88%。

三、结论

1.本实验详细探讨了从煤矸石中提取铝盐的各种最佳条件，使铝的溶出率达89.6%。

2.该工艺流程简单，操作方便，产品硫酸铝晶体纯度可达95%，工艺中的废渣含SiO₂达80%，可考虑供一般硅酸盐工厂使用。

3.该煤矸石中含有10%左右的碳，所以在活化时，可节省大量的能源，与工业大规模生产很有益处。

参考文献

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