粉煤灰是燃煤电厂排弃的固体废弃物,我国粉煤灰排放量非常大,它占用耕地、污染环境,制约了当地国民经济的可持续发展。因此开展粉煤灰的综合利用研究具有重大现实意义和长远战略意义。
本文针对山西某电厂粉煤灰进行了提取氧化铝和二氧化硅的研究。对粉煤灰详细考察后,设计了浓硫酸浸出法提取粉煤灰中氧化铝、提铝渣浓碱浸出提取二氧化硅的工艺,并进行了详细的研究,结果如下：1)浓硫酸浸出法提取粉煤灰中氧化铝的研究
用浓硫酸浸出研磨活化后的粉煤灰制备硫酸铝晶体,硫酸铝晶体分解制备氧化铝。工艺流程：粉煤灰→研磨活化→酸浸→焙烧→干渣→溶出→硫酸铝溶液→结晶→硫酸铝晶体→重结晶除铁→高纯硫酸铝晶体→焙烧→氧化铝。
浓酸浸出条件：粉煤灰中位径D50为10μm、硫酸浓度98%、温度260℃、时间120min、液固比4：1；溶出条件：焙烧除酸后的干渣加水500ml/(100g粉煤灰)溶出40min,得到硫酸铝溶液,氧化铝提取率可达87%。重结晶除铁一次,制备的硫酸铝产品符合化工行业标准；重结晶除铁三次,并在1100℃焙烧后的氧化铝产品符合有色金属行业标准。
硫酸铝晶体的热分解过程,包括两步脱结晶水和一步硫酸铝分解过程。利用Doyle-Ozawa法和Kissinger法分别计算出反应的活化能、反应级数、指前因子,确定三步分解反应速率方程如下：第一步脱结晶水速率方程：第二步脱结晶水速率方程：第三步分解速率方程：
2)浓硫酸浸出法的推广研究
对低品位铝土矿进行了浓硫酸浸出法提取氧化铝工艺的推广应用,证明浓硫酸浸出法同样适用于低品位铝土矿,氧化铝浸出率可达到85%。3)浓碱浸出法从提铝渣中提取二氧化硅的研究
以粉煤灰提铝渣为硅源,采用质量百分比浓度为60%的氢氧化钠溶液在极低的液固比2.2：1条件下浸出提铝渣制备硅酸钠溶液,硅酸钠溶液碳分制备沉淀二氧化硅。工艺流程：提铝渣→碱浸→溶出→硅酸钠溶液→碳分→沉淀二氧化硅。其中碳分工艺采取的是二次碳分法,使得到的沉淀二氧化硅纯度较高。通过对碳酸钠溶液的苛化处理使所有物料能够循环使用,达到清洁生产的目的。
浓碱浸出条件：温度110℃、时间90min、浓度60%、液固比2.2：1；溶出条件：温度80℃、加水量1000ml/(100g提铝渣)、时间60min,二氧化硅提取率可达86%。
二次碳分条件：温度80℃、硅酸钠浓度70g·L-1、模数0.6、气体流速20ml·min-1～30ml·min-1。第一次碳分在pH值为11时结束,过滤得到杂质含量较少的硅酸钠溶液,对其进行第二次碳分,在pH值为9.5结束,反应率可达到90%以上,制备出的沉淀二氧化硅洗涤干燥后纯度在99.7%以上,符合化工行业标准。
以粉煤灰提铝渣为原料,直接盐酸除铁制备二氧化硅微粉。盐酸除铁条件：温度80℃、液固比6：1、HCl浓度6mol·L-1、反应2h后除铁率达到75.5%,除铁后产品符合冶金行业标准。
4)硅酸钠溶液粘度性质分析
硅酸钠溶液的粘度随溶液中二氧化硅和氢氧化钠浓度增加而增加,在高温时近似成线性关系,低温时偏离线性。硅酸钠溶液的粘流活化能随溶液中二氧化硅和氢氧化钠浓度增加而增加,与溶液中二氧化硅浓度成二次曲线关系,与溶液中氢氧化钠浓度成一次曲线关系,公式分别为：E=6.8825-0.0829×CSiO2+0.00143×CSiO22 (20g·L-1≤CSiO2≤80g·L-1) E=6.4862+0.0696×CNaOH (0g·L-1≤CaNOH≤200g·L-1)5)经济分析和环境评价
对粉煤灰浓酸浸出制备硫酸铝晶体,提铝渣碱浸制备沉淀二氧化硅的工艺进行了物料衡算、能耗衡算、经济效益分析和环境综合评价。
