CN103058239B - 一种从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑的方法,该方法采用氢氧化钠浸提非晶态二氧化硅、碳酸化分离硅酸、碳酸钠回收、残渣烧结、盐酸浸提氧化铝和分离硅酸等步骤,实现了从粉煤灰中高效提取二氧化硅和氧化铝用于生产白炭黑和氧化铝。该方法可将粉煤灰中95%以上的氧化铝和二氧化硅提取出来,而且产生的废渣量少,过程中产生的碳酸钠和二氧化碳均可回收并循环利用,大大降低生产成本。本发明设计合理、工艺简单、物耗能耗小、残渣少,是一种清洁生产工艺。

Description

一种从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑的方法
技术领域
本发明涉及粉煤灰的综合利用,具体涉及一种从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑的方法。
背景技术
煤炭在燃烧过程中产生了大量的粉煤灰,严重破坏了生态环境。目前粉煤灰主要用于建工、建材等低值化方面,利用途径单一,利用量有限,进行粉煤灰的高值化利用是解决粉煤灰污染问题的有效途径。
粉煤灰含有丰富的氧化铝和二氧化硅,从粉煤灰中提取氧化铝和二氧化硅制备高附加值铝、硅产品成为粉煤灰高值化利用的重要方向。从粉煤灰中提取氧化铝和二氧化硅的典型工艺是酸碱联合法,即利用盐酸或硫酸先将粉煤灰中的氧化铝溶解形成水溶性的铝盐溶液,剩余的残渣主要以二氧化硅为主,再用氢氧化钠在高温高压条件下转化成硅酸钠溶液,铝盐溶液和硅酸钠溶液再进一步转化利用。但由于粉煤灰主要以莫来石、黄长石、方钠石和尖晶石铁酸盐等铝硅铁玻璃体的形式存在,结构非常稳定,反应活性非常差,因而,直接提取使氧化铝和二氧化硅的提取率低、酸碱耗量大,限制了该技术的进一步利用。
刘成长发明的“利用粉煤灰生产氢氧化铝和硅酸工艺方法”(专利申请号200710133216.5)(文献1)采用“纯碱碱融-烧碱碱熔-水解-碳化-苛化”工艺,实现同时提取95%的氧化铝和90%的二氧化硅。但该工艺流程复杂,条件苛刻,操作难度大,成本高。
马鸿文发明的“利用高铝粉煤灰制取氧化铝和白炭黑清洁生产工艺”(专利申请号200710087028.3)(文献2)将碳酸钠与粉煤灰在750~880°C煅烧后用酸酸浸,得到铝盐溶液和硅酸,进一步制备铝、硅产品。类似的工艺如潘爱芳发明的“从粉煤灰中提取高纯氧化铝及硅胶的方法”(专利申请号200810017869.1)(文献3)以及马昱昭发明的“一种从粉煤灰中提取高纯度氧化铝及硅胶的方法”(专利申请号201010013749.1)(文献4)。该工艺可使粉煤灰中氧化铝和二氧化硅的提取率均可达90%以上。但该方法受到化学反应的限制,酸、碱耗量大,且不能循环,原料成本太高,限制了该技术的产业化应用。
平朔煤炭工业公司发明的“一种利用粉煤灰生产二氧化硅和氧化铝的方法”(专利申请号200710062534.7)(文献5)和“一种从粉煤灰中先提硅后提铝的方法”(专利申请号200710061662.X)(文献6)先用NaOH提取出粉煤灰中的SiO2,再在提硅后的渣中配入CaO或CaCO3烧结,然后采用拜耳法提取氧化铝。该方法会产生大量的渣,而且氧化铝的提取率也不高。
综上,目前开发的技术由于存在铝硅提取率低、原料消耗大、工艺流程复杂、产生残渣量大等几方面的问题,使生产成本高,产生二次污染,导致从粉煤灰中提取氧化铝和二氧化硅的技术成本高,难以实现产业化应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点,提供一种从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑的方法,该方法生产成本低、产品收率高、渣量小。
本发明通过以下技术方案来实现,其具体步骤为:
(1)非晶态二氧化硅提取:用氢氧化钠溶液浸提粉煤灰中的非晶态二氧化硅,形成硅酸钠溶液和残渣。
(2)碳酸化分离硅酸:将步骤(1)得到的硅酸钠溶液通入二氧化碳进行碳酸化,过滤分离后得到碳酸钠溶液和硅酸胶体,碳酸钠溶液通过浓缩结晶和加生石灰苛化回收碳酸钠和氢氧化钠。
(3)配料:将步骤(1)得到的残渣与原粉煤灰和步骤(2)回收的碳酸钠混合,得到配料。
(4)烧结:将步骤(3)的配料烧结,得到烧结熟料,烧结过程中的CO2回用于步骤(2)的碳酸化工序。
(5)盐酸酸浸:将步骤(4)得到的烧结熟料用盐酸酸浸,分离得到铝盐溶液和硅酸胶体。
(6)氧化铝制备:将步骤(5)得到的铝盐溶液通过加碱除杂、碳化、干燥、煅烧得到氧化铝。
(7)白炭黑制备:将步骤(2)和步骤(5)得到的硅酸胶体水洗、干燥制得白炭黑。
所述的步骤(1)中NaOH和粉煤灰按质量比0.2~1:1配比;NaOH溶液的质量浓度为20-40%;反应温度为80~150°C。
所述的步骤(3)中配料依据残渣和原粉煤灰中Al2O3和SiO2的含量按铝硅摩尔比确定,具体为:
i.当残渣中铝硅摩尔比>1.2,将残渣和原粉煤灰按比例配成混合料,使其中的铝硅摩尔比为0.9~1.2;碳酸钠再与混合料按Na:Al摩尔比1~2混合,优选1.1~1.5;
ii.当残渣中铝硅摩尔比为0.9~1.2,将残渣与碳酸钠按Na:Al摩尔比1~2混合,优选1.1~1.5。
iii.当残渣中铝硅摩尔比<0.9,先将残渣与碳酸钠按Na的摩尔分数1~2倍[nAl+2(nSi-nAl)]配比,优选1.1~1.5[nAl+2(nSi-nAl)]配比,其中,nAl和nSi分别为残渣中铝、硅的摩尔分数。
所述的步骤(4)中烧结温度为700~950°C,优选800~900°C。
与现有技术相比本发明的优点和效果:
本发明利用粉煤灰中含有大量非晶态SiO2的特点,建立了采用NaOH溶液预先浸提部分SiO2,提高粉煤灰的铝硅比,将过程中产生的碳酸钠与提硅后的残渣经配料后烧结,烧结料用于提取氧化铝和剩余的二氧化硅的新工艺,克服了现有粉煤灰提取氧化铝和二氧化硅技术中铝、硅提取率低、工艺复杂、原料消耗大的弊端。由于生产过程中产生的碳酸钠和二氧化碳均可回收并循环利用,明显节约了过程的原料消耗,大大降低了生产成本,而且产生的废渣量少,氧化铝和二氧化硅的提取率均可达到95%以上。总之,本发明设计合理、工艺简单、物耗能耗小、残渣少,是一种清洁生产工艺。
说明书附图
图1是粉煤灰生产白炭黑和氧化铝的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合工艺流程(见图1)和反应式对本发明从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑做进一步详细说明:
(1)非晶态二氧化硅提取
粉煤灰中的铝硅摩尔比小,一般在0.3~0.9之间,高的硅含量会加大对原料的消耗,对提铝不利。粉煤灰中有相当含量的非晶态SiO2,而非晶态SiO2的反应活性很高。本发明采用氢氧化钠溶液先浸提出部分粉煤灰中的非晶态二氧化硅,提高铝硅比,利于后续的提铝。
采用氢氧化钠溶液与非晶态二氧化硅反应,形成硅酸钠溶液和残渣。
发生的相关反应:
2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O ①
(2)碳酸化分离硅酸:
将步骤(1)得到的硅酸钠溶液通入二氧化碳进行碳酸化,过滤分离后得到碳酸钠溶液和硅酸胶体,碳酸钠溶液通过浓缩结晶和加生石灰苛化回收碳酸钠和氢氧化钠。
发生的相关反应:
Na2SiO3+CO2+H2O→Na2CO3+H2SiO3
Na2CO3+CaO+H2O→2NaOH+CaCO3
(3)配料和烧结:
碳酸钠与铝硅酸盐矿物烧结,发生的反应:
Na2CO3+Al2O3+2SiO2→2NaAlSiO4(霞石)+CO2
发生的副反应:
Na2CO3+SiO2→Na2SiO3+CO2 (残渣Al:Si<1) ⑤
Na2CO3+Al2O3→2NaAlO2+CO2 (残渣Al:Si>1) ⑥
原粉煤灰中的铝硅摩尔比一般在0.3~0.9,硅明显过量,会按反应式④和⑤发生反应,反应④中Na:Al:Si反应的摩尔比为1:1:1,即1摩尔Al和1摩尔Si分别仅消耗0.5摩尔Na,而过量的二氧化硅会按式⑤进行,1摩尔Si会消耗2摩尔Na,明显加大碱耗。
本工艺先用碱浸提部分非晶态的SiO2,提高原料中的铝硅比,降低烧结反应中多余SiO2的碱耗。按反应①,虽然1摩尔Si也会消耗2摩尔Na,但在碳酸化分离硅酸工序会生成Na2CO3(式②),可通过浓缩结晶和生石灰苛化回收Na2CO3和NaOH,回收的Na2CO3可用于烧结反应,NaOH回用于碱浸反应,从而降低碱耗。
预浸提SiO2后,原粉煤灰中的铝硅比提高,若铝硅比为1,则按式④发生反应,1摩尔Al和1摩尔Si分别仅消耗0.5摩尔Na,达到低碱耗的目的。若硅或铝的过量,则过量的硅或铝会与碳酸钠按式⑤或⑥进行,1摩尔Si消耗2摩尔Na,1摩尔Al消耗1摩尔Na,均增加碱耗。但若铝过量,可通过与原粉煤灰配料至铝硅比为1左右,使主体反应按式④发生,则可降低碱耗。若铝硅摩尔比小于1,除按式④发生反应外,多余的硅虽然会按式⑤反应,但与原粉煤灰相比,铝硅比仍有提高,碱耗降低。
烧结反应在700~950°C进行,得到烧结熟料。烧结过程中的CO2回用于步骤(1)的碳酸化工序。
(4)盐酸酸浸:
将步骤(3)得到的烧结熟料用盐酸酸浸,分离得到铝盐溶液和硅酸胶体。
发生的相关反应:
4HCl+NaAlSiO4(霞石)→NaCl+AlCl3+H2SiO3+H2O ⑦
2HCl+Na2SiO3→2NaCl+H2SiO3
4HCl+NaAlO2→NaCl+AlCl3+2H2O ⑨
(5)氧化铝制备:
将步骤(4)得到的铝盐溶液通过加碱除杂、干燥、煅烧得到氧化铝。加碱除杂主要过程是在铝盐溶液中加入NaOH至pH为6时过滤,滤液为废液,固体滤料为Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物,然后将此混合物用NaOH溶解,并加碱至pH为10时过滤,滤液为NaAlO2溶液,滤渣为Fe(OH)3,将NaAlO2溶液碳分获得Al(OH)3,在110°C干燥,1200°C煅烧获得氧化铝。
(6)白炭黑制备:
将步骤(1)和步骤(4)得到的硅酸胶体水洗、110°C干燥得白炭黑。
以下通过具体实施例对本发明做进一步说明,但本发明的保护范围不仅限于以下实施例。
实施例1
取100g氧化铝含量为35.4%,二氧化硅含量为51.3%的粉煤灰,按照本发明所述步骤:
(1)非晶态二氧化硅提取:
取氢氧化钠60g配置成质量浓度为20%的氢氧化钠溶液,用此溶液浸提粉煤灰中的非晶态二氧化硅,在95°C反应5h,固液分离,形成硅酸钠溶液和残渣,残渣质量为77.2g。
(2)碳酸化分离硅酸:
将步骤(1)得到的硅酸钠溶液通入二氧化碳进行碳酸化,过滤分离后得到碳酸钠溶液和硅酸胶体。将碳酸钠溶液通过浓缩结晶回收得到69g碳酸钠。
(3)配料:
分析步骤(1)得到的残渣,氧化铝含量为45.7%,二氧化硅含量为47.1%,计算铝硅摩尔比为1.14,按钠铝摩尔比1.2,取步骤(2)回收的碳酸钠57g与残渣混合。剩余的碳酸钠及碳酸钠溶液加生石灰苛化后得到氢氧化钠溶液。
(4)烧结:
将步骤(3)得到的配料在850°C烧结3h,得到烧结熟料。烧结过程中的CO2可回用于下一循环中步骤(2)的碳酸化工序。
(5)盐酸酸浸:
将步骤(4)得到的烧结熟料用盐酸溶液酸浸,分离得到铝盐溶液和硅酸胶体。
(6)氧化铝制备:
在步骤(5)得到的铝盐溶液中加入NaOH至pH为6时过滤,滤液为废液,固体滤料为Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物,然后将此混合物用NaOH溶解,并加碱至pH为10时过滤,滤液为NaAlO2溶液,滤渣为Fe(OH)3,将NaAlO2溶液碳分获得Al(OH)3,在110°C干燥,1200°C煅烧获得35.7g氧化铝。氧化铝的含量为95.3%。
(7)白炭黑制备:
将步骤(2)和步骤(5)得到的硅酸胶体水洗、110°C干燥,得54.5g白炭黑,其中二氧化硅含量为90.6%。
经计算,氧化铝的提取率为96.1%,二氧化硅的提取率为96.3%。
该实施例中使用60g固体NaOH,过程中使用57g回收的Na2CO3,剩余的碳酸钠及溶液经苛性化后得到NaOH溶液,折算为固体NaOH约为17g。即活化过程中使用的净碱量为43g。如不预先浸提SiO2,则按粉煤灰中的氧化铝和二氧化硅,理论上活化需要消耗碱(折算为NaOH)51.4g,加上20%的损耗,碱耗为61.7g。采用本发明技术,在活化过程可节约用碱约30%。
实施例2
取100g氧化铝含量为32.3%,二氧化硅含量为56.3%的粉煤灰,按照本发明所述步骤:
(1)非晶态二氧化硅提取:
取氢氧化钠75g配置成质量浓度为25%的氢氧化钠溶液,用此溶液浸提粉煤灰中的非晶态二氧化硅,在110°C反应5h,固液分离,形成硅酸钠溶液和残渣,残渣质量为77.9g。
(2)碳酸化分离硅酸:
将步骤(1)得到的硅酸钠溶液通入二氧化碳进行碳酸化,过滤分离后得到碳酸钠溶液和硅酸胶体。将碳酸钠溶液通过浓缩结晶回收得到74g碳酸钠。
(3)配料:
分析步骤(1)得到的残渣,氧化铝含量为41.6%,二氧化硅含量为45.5%,计算铝硅摩尔比为1.07,按钠铝摩尔比1.3,取步骤(2)回收的碳酸钠56g与残渣混合。剩余的碳酸钠及碳酸钠溶液加生石灰苛化后得到氢氧化钠溶液。
(4)烧结:
将步骤(3)得到的配料在820°C烧结3h,得到烧结熟料。烧结过程中的CO2可回用于下一循环中步骤(2)的碳酸化工序。
(5)盐酸酸浸:
将步骤(4)得到的烧结熟料用盐酸溶液酸浸,分离得到铝盐溶液和硅酸胶体。
(6)氧化铝制备:
在步骤(5)得到的铝盐溶液中加入NaOH至pH为6时过滤,滤液为废液,固体滤料为Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物,然后将此混合物用NaOH溶解,并加碱至pH为10时过滤,滤液为NaAlO2溶液,滤渣为Fe(OH)3,将NaAlO2溶液碳分获得Al(OH)3,在110°C干燥,1200°C煅烧获得31.9g氧化铝。氧化铝的含量为96.4%。
(7)白炭黑制备:
将步骤(2)和步骤(5)得到的硅酸胶体水洗、110°C干燥制得59.6g白炭黑,其中二氧化硅含量为91.1%。
经计算,氧化铝的提取率为95.2%,二氧化硅的提取率为96.3%。
该实施例中使用75g固体NaOH,活化过程中使用56g回收的Na2CO3,剩余的碳酸钠及溶液经苛性化后得到NaOH溶液,折算为固体NaOH约为33g。即活化过程中使用的净碱量为22g。如不预先浸提SiO2,则按粉煤灰中的氧化铝和二氧化硅,理论上活化需要消耗碱(折算为NaOH)49.7g,加上20%的损耗,碱耗约60g。采用本发明技术,可节约用碱约63%。
实施例3
取100g氧化铝含量为28.2%,二氧化硅含量为56.1%的粉煤灰,按照本发明所述步骤:
(1)非晶态二氧化硅提取:
取氢氧化钠87.5g配置成质量浓度为35%的氢氧化钠溶液,用此溶液浸提粉煤灰中的非晶态二氧化硅,粉煤灰和碱溶液按固液比1:2.5,在120°C反应6h,固液分离,形成硅酸钠溶液和残渣,残渣质量为82.7g。
(2)碳酸化分离硅酸:
将步骤(1)得到的硅酸钠溶液通入二氧化碳进行碳酸化,过滤分离后得到碳酸钠溶液和硅酸胶体。将碳酸钠溶液通过浓缩结晶回收得到82g碳酸钠。
(3)配料:
分析步骤(1)得到的残渣,氧化铝含量为33.7%,二氧化硅含量为47.0%,计算铝硅摩尔比为0.844,按钠的摩尔量为1.1[mAl(渣)/51+2(mSi(渣)/60-mAl(渣)/51)],取步骤(2)回收的碳酸钠44g与残渣混合。剩余的碳酸钠及碳酸钠溶液加生石灰苛化后得到氢氧化钠溶液。。
(4)烧结:
将步骤(3)得到的配料在860°C烧结5h,得到烧结熟料。
(5)盐酸酸浸:
将步骤(4)得到的烧结熟料用盐酸溶液酸浸,分离得到铝盐溶液和硅酸胶体。
(6)氧化铝制备:
在步骤(5)得到的铝盐溶液中加入NaOH至pH为6时过滤,滤液为废液,固体滤料为Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物,然后将此混合物用NaOH溶解,并加碱至pH为10时过滤,滤液为NaAlO2溶液,滤渣为Fe(OH)3,将NaAlO2溶液碳分获得Al(OH)3,在110°C干燥,1200°C煅烧获得27.7g氧化铝。氧化铝的含量为96.9%。
(7)白炭黑制备:
将步骤(2)和步骤(5)得到的硅酸胶体水洗、110°C干燥制得63.2g白炭黑,其中二氧化硅含量为90.7%。
经计算,氧化铝的提取率为94.9%,二氧化硅的提取率为96.3%。
该实施例中活化过程共使用87.5g固体NaOH,过程中回收利用44g Na2CO3。即活化过程中使用的净碱量(折算为NaOH)为43.5g。如不预先浸提SiO2,则按粉煤灰中的氧化铝和二氧化硅,理论上活化需要消耗碱(折算为NaOH)52.6g,加上20%的损耗,碱耗为63.1g。采用本发明技术,可节约用碱约45.1%。
实施例4
取100g氧化铝含量为38.2%,二氧化硅含量为48.7%的粉煤灰,按照本发明所述步骤:
(1)非晶态二氧化硅提取:
取氢氧化钠75g配置成质量浓度为30%的氢氧化钠溶液,用此溶液浸提粉煤灰中的非晶态二氧化硅,在130°C反应5h,固液分离,形成硅酸钠溶液和残渣,残渣质量为81.1g。
(2)碳酸化分离硅酸:
将步骤(1)得到的硅酸钠溶液通入二氧化碳进行碳酸化,过滤分离后得到碳酸钠溶液和硅酸胶体。将碳酸钠溶液通过浓缩结晶回收得到72g碳酸钠。
(3)配料:
分析步骤(1)得到的残渣,氧化铝含量为47.1%,二氧化硅含量为37.9%,计算铝硅摩尔比为1.46,配377g原粉煤灰得到铝硅摩尔比约为1的粉煤灰样品,按钠铝摩尔比1.2,将227g碳酸钠与残渣混合。
(4)烧结:
将步骤(3)得到的配料在820°C烧结3h,得到烧结熟料。
(5)盐酸酸浸:
将步骤(4)得到的烧结熟料用盐酸溶液酸浸,分离得到铝盐溶液和硅酸胶体。
(6)氧化铝制备:
在步骤(5)得到的铝盐溶液中加入NaOH至pH为6时过滤,滤液为废液,固体滤料为Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物,然后将此混合物用NaOH溶解,并加碱至pH为10时过滤,滤液为NaAlO2溶液,滤渣为Fe(OH)3,将NaAlO2溶液碳分获得Al(OH)3,在110°C干燥,1200°C煅烧获得38.4g氧化铝。氧化铝的含量为95.8%。
(7)白炭黑制备:
将步骤(2)和步骤(5)得到的硅酸胶体水洗、110°C干燥制得232g白炭黑,其中二氧化硅含量为90.3%。
经计算,氧化铝的提取率为96.3%,二氧化硅的提取率为95.7%。
该实施例中共处理粉煤灰477g,使用75g固体NaOH和227g碳酸钠用于活化,过程中回收72g Na2CO3。即活化过程中使用的净碱量(折算为NaOH)为192g。如不预先浸提SiO2,则按粉煤灰中的氧化铝和二氧化硅,理论上需要消耗碱(折算为NaOH)172g,加上20%的损耗,碱耗为206g。采用本发明技术,可节约用碱约6.8%。

Claims (2)

1.一种从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑的方法,其特征在于:包含以下步骤,
(1)非晶态二氧化硅提取:用氢氧化钠溶液浸提粉煤灰中的非晶态二氧化硅,形成硅酸钠溶液和残渣;
(2)碳酸化分离硅酸:将步骤(1)得到的硅酸钠溶液通入二氧化碳进行碳酸化,过滤分离后得到碳酸钠溶液和硅酸胶体,碳酸钠溶液通过浓缩结晶和加生石灰苛化回收碳酸钠和氢氧化钠;
(3)配料:将步骤(1)得到的残渣与原粉煤灰和步骤(2)回收的碳酸钠混合,得到配料;
(4)烧结:将步骤(3)的配料烧结,得到烧结熟料,烧结过程中的CO2回用于步骤(2)的碳酸化工序;
(5)盐酸酸浸:将步骤(4)得到的烧结熟料用盐酸酸浸,分离得到铝盐溶液和硅酸胶体;
(6)氧化铝制备:将步骤(5)得到的铝盐溶液通过加碱除杂、碳化、干燥、煅烧得到氧化铝;
(7)白炭黑制备:将步骤(2)和步骤(5)得到的硅酸胶体水洗、干燥制得白炭黑;
所述的步骤(1)中NaOH和粉煤灰按质量比0.2~1:1配比;NaOH溶液的质量浓度为20-40%;反应温度为80~150℃;
所述的步骤(3)中配料依据残渣和原粉煤灰中Al2O3和SiO2的含量按铝硅摩尔比确定,具体为:
i.当残渣中铝硅摩尔比>1.2,将残渣和原粉煤灰按比例配成混合料,使其中的铝硅摩尔比为0.9~1.2;碳酸钠再与混合料按Na:Al摩尔比1~2混合;
ii.当残渣中铝硅摩尔比为0.9~1.2,将残渣与碳酸钠按Na:Al摩尔比1~2混合;
iii.当残渣中铝硅摩尔比<0.9,先将残渣与碳酸钠按Na的摩尔分数1~2倍[nAl+2(nSi-nAl)]配比,其中,nAl和nSi分别为残渣中铝、硅的摩尔分数;
所述的步骤(4)中烧结温度为700~950℃。
2.如权利要求1所述的一种从粉煤灰中提取氧化铝和白炭黑的方法,其特征在于:所述的步骤(4)中烧结温度为800~900℃。
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