徐 巖，彭德強(qiáng)，劉靜宇，徐德永

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，一般每生產(chǎn)1 t原煤就有0.15～0.20 t煤矸石產(chǎn)生。僅2012年我國(guó)煤矸石產(chǎn)量就達(dá)6.20億t，約占全國(guó)工業(yè)固廢產(chǎn)量的40%[1-2]。由于大量煤矸石的露天堆放，已形成2 600余座煤矸石山，累積堆存量在50億t以上，占地面積為20余萬(wàn)畝，這已成為我國(guó)積存量和年產(chǎn)量最大、占用地最多的一種工業(yè)廢棄物[3]。此外，由于煤矸石的成分、堆積方式及堆積地形等原因，全國(guó)約有1/3的煤矸石山發(fā)生自燃。因此，煤矸石的大量堆放帶來(lái)了非常嚴(yán)重的社會(huì)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)問(wèn)題[4]。

豐富的化學(xué)成分和礦物組成使煤矸石具有資源特性，2015年全國(guó)的煤矸石產(chǎn)量為8億t，利用量達(dá)到6.10億t，利用率在75%以上[5]。目前，我國(guó)在煤矸石綜合利用方面取得一些顯著成效，開(kāi)發(fā)伴生鋁資源的新途徑——高鋁粉煤灰提取氧化鋁技術(shù)研發(fā)成功并在逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[6]。與世界其他國(guó)家相比，我國(guó)煤矸石中高嶺石含量豐富(10%～67%)，石英含量(15%～35%)處于中等水平，而高嶺石活性易于激發(fā)的特點(diǎn)，為其進(jìn)一步資源化轉(zhuǎn)化提供了便利。但目前利用煤矸石生產(chǎn)化工產(chǎn)品仍處于研究階段，尚未形成較有規(guī)模的生產(chǎn)模式[7]。

根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策，實(shí)現(xiàn)煤矸石的資源化處理、無(wú)害化利用是進(jìn)一步解決由其帶來(lái)的社會(huì)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題的必要途徑[8]。為了實(shí)現(xiàn)雞西礦區(qū)煤矸石的資源化、無(wú)害化利用，探索以煤矸石為鋁源，采用硫酸作為酸浸劑，與活化煤矸石進(jìn)行反應(yīng)，以提取其中的氧化鋁；基于此進(jìn)一步制備矸石基無(wú)機(jī)絮凝劑，并將其應(yīng)用在煤泥水處理之中。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試驗(yàn)試劑包括硫酸和氧化鈣，均為分析純。試驗(yàn)儀器包括EP150×250型顎式破碎機(jī)，GL-1型密封式煤樣粉碎機(jī)，MD100-2型電子天平，KSW-5-12A型馬弗爐。

1.2 試樣性質(zhì)

試樣來(lái)自雞西礦區(qū)，屬于選后煤矸石。依據(jù)GB T/214—1996《煤中全硫測(cè)定方法》、GB/T 212—2001《煤的工業(yè)分析方法》對(duì)試樣的組分進(jìn)行分析，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 煤矸石的化學(xué)成分

1.3 試驗(yàn)方案

將定量的煤矸石試樣破碎至粒度<0.2 mm，并將細(xì)粒煤矸石試樣置于坩堝；加入一定量的CaO，將坩堝移入馬弗爐內(nèi)；在850 ℃溫度下焙燒2 h，再取出采用冰水快速冷卻；采用密封袋將活化煤矸石試樣密封，并保存在干燥箱內(nèi)備用[9-10]。

為了探索不同因素對(duì)氧化鋁浸出效果的影響規(guī)律，以浸取率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別選取硫酸濃度、酸浸溫度、酸浸時(shí)間、液固比四個(gè)影響因素，在四個(gè)單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)四因素四水平的正交試驗(yàn)確定氧化鋁的最佳浸出方案。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 硫酸濃度對(duì)浸取率的影響

在酸浸時(shí)間為1.50 h、酸浸溫度為100 ℃、液固比為4∶l的條件下，探索硫酸濃度(30%、40%、50%、65%、80%、98%)對(duì)氧化鋁浸出效果的影響規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。

圖1 硫酸濃度與浸取率的關(guān)系曲線

由圖1可知：隨著硫酸濃度的增加，浸取率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；在硫酸濃度為80%時(shí)，浸取率有最大值26.50%。這是因?yàn)槊合倒腆w廢棄物中的鐵氧化物含量較高，在硫酸濃度大于80%時(shí)，隨著濃度的持續(xù)增加，硫酸的氧化性增強(qiáng)；在浸出過(guò)程中鐵氧化物與濃硫酸發(fā)生反應(yīng)，并生成致密物覆蓋在其表面，進(jìn)而阻礙濃硫酸與其中的鋁繼續(xù)反應(yīng)[11-14]。

2.1.2 酸浸溫度對(duì)浸取率的影響

在硫酸濃度為80%、酸浸時(shí)間為1.50 h、液固比為4∶l的條件下，探索酸浸溫度(40、60、80、100、120、140 ℃)對(duì)氧化鋁浸出效果的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

圖2 酸浸溫度與浸取率的關(guān)系曲線

由圖2可知：隨著酸浸溫度的升高，氧化鋁的浸取率逐漸增大，這是因?yàn)闇囟壬呤菇鏊俣燃涌?，故浸取率提高；?dāng)酸浸溫度升高到120 ℃后，繼續(xù)升高溫度，氧化鋁的浸取率無(wú)顯著變化。

2.1.3 酸浸時(shí)間對(duì)浸取率的影響

在硫酸濃度為80%、酸浸溫度為120 ℃、液固比為4∶1的條件下，探索酸浸時(shí)間(1、2、3、4、5、6 h)對(duì)氧化鋁浸出效果的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 酸浸時(shí)間與浸取率的關(guān)系曲線

由圖3可知：隨著酸浸時(shí)間的延長(zhǎng)，浸取率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在浸出反應(yīng)的前2 h內(nèi)，浸出速度較快；酸浸2 h后浸出速度下降，酸浸3 h后浸出過(guò)程基本結(jié)束；再增加酸浸時(shí)間，浸取率幾乎不再變化[14]。

2.1.4 液固比對(duì)浸取率的影響

在硫酸濃度為80%、酸浸溫度為120 ℃、酸浸時(shí)間為3 h時(shí)，探索液固比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)對(duì)氧化鋁浸出效果的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 液固比與浸取率的關(guān)系曲線

由圖4可知:當(dāng)液固比在5∶1以上時(shí)，浸出率達(dá)到最大值29.20%；當(dāng)液固比小于3∶1時(shí)，浸出率偏低，且過(guò)濾困難；當(dāng)選擇液固比為5∶1時(shí)，其中的硫酸損失嚴(yán)重。從浸取率和過(guò)濾條件考慮，在液固比為4∶1時(shí)，兩者都比較理想。

2.2 四因素四水平正交試驗(yàn)

為了確定氧化鋁浸出的最佳條件，通過(guò)正交試驗(yàn)研究不同因素同時(shí)作用時(shí)，氧化鋁浸取率的變化規(guī)律及各因素的影響主次順序[15-16]。硫酸濃度、酸浸溫度、酸浸時(shí)間、液固比為四個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)出的正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果及其分析見(jiàn)表3、表4。由表4可知：極差順序?yàn)镽液固比>R硫酸濃度>R酸浸溫度>R酸浸時(shí)間，說(shuō)明影響氧化鋁浸取率的最主要因素是液固比，硫酸濃度次之，酸浸溫度的影響較小，酸浸時(shí)間的影響最小。綜合分析，氧化鋁的最佳浸出條件為液固比2∶1、硫酸濃度80%、酸浸溫度120 ℃、酸浸時(shí)間2.50 h，此時(shí)氧化鋁的浸取率為37.11%。

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3 結(jié)論

(1)以雞西礦區(qū)的煤矸石為研究對(duì)象，在活化處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)酸浸處理提取其中的氧化鋁具有可行性。

(2)在液固比2∶1、硫酸濃度80%、酸浸溫度120 ℃、酸浸時(shí)間2.50 h的條件下，氧化鋁的浸出效果最好，浸出率為37.11%。

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