从高铝粉煤灰中提取氧化铝等有用资源的研究

高铝粉煤灰是近年来在我国内蒙古中西部地区发现的一种粉煤灰新类型，其Al2O3含量高达50％左右，相当于我国中级品位铝土矿中氧化铝的含量。根据高铝粉煤灰的资源特性结合市场需求，确定了对高铝粉煤灰中Al2O3、SiO2以及Ga2O3等有用资源逐级提取，最后将剩余产物生产建材的资源化利用方案。本文运用地质学的研究方法，研究高铝粉煤灰的形成和特性及其后续提取氧化铝过程中的物质演化规律和内在机理，旨在为高铝粉煤灰资源化利用技术路线的制定奠定基础。 利用光学和电子显微镜、X-射线衍射、化学分析、ICP-MS分析、29Si魔角旋转核磁共振、TGA-DTA分析等手段，综合运用地球化学、矿物学、煤田地质学、煤燃烧学、物理化学以及冶金化工等多个学科的理论知识，从分析高铝粉煤灰的物质来源和成因入手，对产生高铝粉煤灰的燃煤煤种—内蒙古准格尔煤田晚古生代烟煤进行无机地球化学特征研究，发现高铝粉煤灰来源于煤中赋存的细分散状勃姆石和高岭石矿物，而这些矿物的形成由当时特殊的地质和地球化学条件所决定；对高铝粉煤灰的显微结构、物相组成、化学组成以及部分主微量元素在不同物相或物相组合中的分布规律的研究表明，高铝粉煤灰中不仅富含氧化铝，而且富集微晶莫来石及非晶SiO2和稀有分散元素Ga等有益组分，是一种十分宝贵的再生矿产资源；根据这些特性确定了高铝粉煤灰逐级提取氧化铝等有用资源的总体技术路线如下：先用高浓度NaOH对高铝粉煤灰进行低温脱硅以进一步提高粉煤灰的Al／Si比，脱硅液用于制备白炭黑，然后再用碱石灰烧结法从脱硅粉煤灰中提取氧化铝。通过系列正交实验，获得了高铝粉煤灰预脱硅和提取氧化铝等关键工艺的物理化学条件和参数，结果表明：1)粉煤灰的最佳脱硅条件为：NaOH的浓度为25％，灰碱质量比为1∶0.5，一反应温度95℃，反应时间4小时。经最佳条件反应之后，SiO2提取率达41.8％。经该条件处理后高铝粉煤灰中Al2O3的含量由48.5％增加到了57.38％，Al／Si质量比由原来的1.28提高到了2.39。2)脱硅高铝粉煤灰的最佳焙烧条件为：钙比为2∶1，钠比0.95∶1，焙烧温度1150℃，保温时间60分钟。熟料中铝酸钠的最佳水溶出条件为：温度70℃、溶出时间10分钟。在上述条件下，在实验室制备出了成分指标达到或者超过了行业标准的白炭黑和氧化铝，其中Al2O3的提取率超过90％；对粉煤灰玻璃相与NaOH之间的灰—碱反应动力学以及脱硅粉煤灰—碳酸钠—碳酸钙体系的焙烧机理和反应热力学进行了探讨研究；最后，以整个工艺过程中的主要物质演化为主线，分析了高铝粉煤灰中的Ga及U、Th、Pb、Cr等有毒有害元素在该主线中的迁移规律，为Ga2O3与Al2O3、SiO2的逐级提取及这些有毒有害元素在生产过程中对人或环境的潜在危害进行防治提供了科学依据。