粉煤灰中有价元素分布规律及浸出行为研究

发布时间：2020-09-08 12:11

　　煤炭在我国一次能源中占据主导地位,然而煤炭燃烧过程中会产生粉煤灰等固体废弃物,长期大量的堆存以及利用率低下等问题造成了严重的环境污染和资源浪费。山西及内蒙古作为我国华北地区重要的能源基地,其产生的粉煤灰中伴生大量的铝(Al)、锂(Li)、镓(Ga)和稀土(REE)等金属元素,可以作为重要的资源。目前对于粉煤灰中这些有价伴生元素的分布规律及浸出机理等方面的研究尚不全面,而且没有形成统一的认识,难以为后续有价元素的提取利用提供有效地指导。本论文选取了上述地区两种典型的粉煤灰样品,研究了其中有价元素的分布规律及浸出行为。主要得到以下结论:(1)循环流化床(CFB)飞灰的粒度分布相对集中而底渣的粒度分布较为分散。CFB粉煤灰中的物相主要以石英(SiO_2)和硬石膏(CaSO_4)为主,飞灰中还含有少量的石灰(CaO)、石灰石(CaCO_3)和赤铁矿(Fe_2O_3),主要的化学组成为SiO_2、Al_2O_3、Fe_2O_3、CaO和SO_3。筛分后不同粒度飞灰中物相组成没有变化,粒度大于160目的底渣颗粒中仅含石英、硬石膏和石灰三种物相,粒度小于160目的颗粒中除上述三种矿物质之外还含有羟钙石(Ca(OH)_2)和石灰石。飞灰中SiO_2、Al_2O_3、Li、Ga和REE等有价元素的含量基本不随粒度变化,底渣中有价元素含量随着粒度的变化较为明显,其中SiO_2、Al_2O_3、Li和REE元素的含量随着粒度减小而减少,CaO和SO_3的含量则随着粒度的减小而增加,Ga的含量基本不随粒度变化。有价元素主要分布于粒度大于240目的飞灰和粒度大于80目的底渣颗粒中。(2)CFB粉煤灰中的铝主要以无定形硅铝酸盐的形式存在。酸碱交替浸出的方法可以有效破坏CFB粉煤灰中的Si-O-Al结构提高铝的浸出率。CFB粉煤灰中铝的浸出率为85.8%,硅的浸出率为67.1%,锂的浸出率为84.4%,镓的浸出率为85.4%,稀土元素的浸出率为64.6%,对它们分别进行分离提取可以拓宽CFB粉煤灰的利用途径。(3)煤粉炉(PC)粉煤灰中Si、Al、Li、Ga和REE等有价元素主要分布在粒度大于240目的飞灰和粒度大于80目的底渣颗粒中。PC粉煤灰的物相组成以莫来石(3Al_2O_3·2SiO_2)和石英为主,化学组成为SiO_2、Al_2O_3、Fe_2O_3、CaO和SO_3。不同粒度飞灰的物相组成基本相同,不同粒度底渣的物相组成差别较小。PC飞灰中SiO_2、Al_2O_3、CaO、SO_3、Fe_2O_3的含量基本不随粒径变化,底渣中SiO_2含量随粒度的减小略有降低,Al_2O_3、CaO、SO_3和Fe_2O_3的含量随粒度的减小略有升高,飞灰和底渣中Li、Ga和REE元素的含量基本不随粒度而变。(4)PC粉煤灰中的Al、Li、Ga和REE元素主要存在于晶相中。碳酸钠与PC灰中的莫来石反应破坏其晶体结构,有效释放晶相中的有价元素。经碳酸钠活化后PC灰中Al_2O_3的浸出率提高了74.8%,SiO_2的浸出率提高了30%,Li的浸出率提高了36%,Ga的浸出率提高了21.7%,REE的浸出率提高了30.4%。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X705;TQ536.4
【部分图文】：

微观形貌,粉煤灰,酸浸,碱浸

图 3.1 CFB 粉煤灰酸碱交替浸出流程图表 3.1 酸碱交替浸出实验条件骤浸取条件时间（℃）液固比（ml/g）NaOH/HCl浓度（g/L）酸浸 90 5 230 碱浸 90 5 200 酸浸 90 5 230 碱浸 90 5 200 酸浸 90 5 230 品进行物相组成、化学组成、微观形貌、铝硅配位析测试方法参照 2.3.1-2.3.5。

浸出渣,元素分布,颗粒表面,图像

粉煤灰中有价元素分布规律及图 3.11由图 3.12（a）可以看出积。经过第一次酸浸后，由于nm）的含量显著增加，比表面积从渣中的中孔含量急剧下降，的原因主要有两个：（1）Si铝酸盐与NaOH反应形成碱性铝硅酸盐凝胶从而阻塞中孔[109-110]。在第二次酸素被浸出，同时粘附在表面或中孔上的碱性硅铝酸盐凝胶溶解在过程中会再次形成中孔导致二次碱浸后，浸出渣的中孔含量和比表面积再次降低和比表面积的减少远小于第一次碱中 Si 的溶解率明显降低所导致的CFB-SR-2 的比表面积仍达到CFB-HR-2 几乎相同。与原粉煤灰相比204.71 m2/g。粉煤灰中有价元素分布规律及浸出行为研究281 浸出渣的 SEM 图像和颗粒表面的元素分布可以看出，原灰中几乎没有中孔，导致其只有 5.5由于 Al、Fe、Ca 和其他元素的溶出，使得酸浸渣比表面积从 5.5 m2/g 急剧增加到 119.75 m2/g

示意图,浸出渣,Si元素,浸出

5 100.000孔径图 3.12 粉煤灰及浸出渣孔径分布图 3.13 表示在酸-碱交替灰中的 Al 主要以含有不同聚合煤灰颗粒表面且低聚合度单元中的在粉煤灰颗粒表面形成许多中孔颗粒表面上残余的Si阻碍了酸浸渣表面的 Si 溶解在 NaOH元中的 Si 部分溶解在 NaOH溶解在 HCl 溶液中。原灰中后，63.1％的 SiO2溶解在离。然而，由于剩余的 AlAl，难以实现 Al 的进一步15 20 25(nm)0CFB-HR-2CFB-SR-1CFB原灰CFB-HR-1（a）及比表面积变化（b）交替处理时粉煤灰中 Al 和 Si 浸出机理的示意图Si-O-Al 单元的无定形硅铝酸盐形式存在聚合度单元中的 Al 被优先溶解在 HCl 溶液中。尽管酸处理过程中形成许多中孔，但 HCl 不易与分布在颗粒内部的HCl和Al之间的接触，因此导致Al的浸出溶液中，从而暴露出更多的 Al。浸出渣溶液中，并且释放出一部分的 Al，释放原灰中 78.1％的 Al2O3溶解在 HCl 溶液中，经过NaOH 溶液中。该方法实现了飞灰中大多数被 Si 均匀包覆，导致最终的酸浸渣中仍然含有一定量的进一步浸出。CFB-HR-3CFB-SR-2机理的示意图。 CFB 飞形式存在。分布在粉尽管酸处理过程中Al 反应。此外，浸出率难以提高。浸出渣中高聚合度单释放出的 Al 进一步经过一次酸碱处理该方法实现了飞灰中大多数 Al 和 Si 的分仍然含有一定量的

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