高铁低铝煤矸石综合利用的基础研究

作     者：师垒垒 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏举佩;马海平

授予年度：2013年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：煤矸石 氧化铝 氧化铁红 酸浸 

摘      要：煤矸石是在煤炭生产和加工过程中产生的一种固体废弃物,同时也是现阶段我国排放量最大的工业废弃物之一。煤矸石的大量堆存不仅占用土地,也对周边环境造成污染,同时在一定程度上造成了资源的浪费。因此,煤矸石资源化综合利用问题将成为我国可持续发展中必须解决的重大资源和环境问题。 目前,煤矸石在发电、生产建筑材料和充填造田等方面己取得广泛应用,但普遍存在技术含量不高、附加值低、经济效益不明显等问题,有时还存在严重的二次污染。煤矸石中含有丰富的铝铁硅等资源,对煤矸石中有价元素的提取,将是煤矸石综合利用的热点。 本文以贵州盘县某矿区的煤矸石为研究对象,采用机械活化的方法激发其活性,与一定浓度的硫酸在加热的情况下进行铝铁矿物的浸出,再用煤矸石调节酸浸液的pH值到1.5左右制备了酸浸中和液,并用水解沉淀法对酸浸中和液中的铝铁进行了分离,制备出了氧化铝和氧化铁红产品。研究表明： (1)机械活化增大了煤矸石的比表面积,使其颗粒表面自由能增加,破坏了煤矸石中矿物的有序结构,使其反应活性提高,为煤矸石中有价元素的溶出创造了条件。 (2)研究了机械粉磨后的煤矸石是否经过热活化处理,确定了煤矸石酸浸时不需经热活化处理就使其中的有价元素达到较高的溶出率。 (3)通过单因素和正交试验考察了酸浓度、反应时间、温度和液固比等因素对煤矸石中有价元素浸出率的影响,确定了煤矸石浸出铝铁的最优工艺条件为酸浓度65%,反应时间4h,温度125℃,液固比3：1,在此条件下,煤矸石中氧化铝和氧化铁的浸出率分别为89.15%,94.24%。 (4)验证了煤矸石中氧化铝酸浸动力学的模型,在硫酸浓度为65%、液固比3：1、反应温度在35℃-95℃的条件下,硫酸浸取煤矸石中氧化铝的化学反应符合粒径缩小收缩芯模型,该化学反应的动力学方程为1—(1—ω)2/3=kt,反应活化能Ea=42.78kj/mol。 (5)通过实验得到了酸浸液制备酸浸中和液的工艺条件：煤矸石用量为反应液质量的35%,反应温度80℃,反应时间2h。 (6)用水解沉淀法对酸浸中和液中的铝铁进行了分离,分离铝后制得的粗制氢氧化铝用氢氧化钠溶液溶解后,进行碳化,得到了纯度高的氢氧化铝,经高温煅烧后得到了氧化铝产品,经化学组成分析知,其含量达到了GB/T24487-2009中二级品的要求;由其XRD图可知,1000℃下煅烧得到的氧化铝主要特征峰与γ-A12O3相符。 (7)脱铝后的酸浸中和液在常温、搅拌并通入空气氧化的条件下制得了氧化铁的过度产物Fe(OH)3,该产物在850℃下煅烧半个小时制得了氧化铁红产品,对其进行化学组成及性能分析知,氧化铁红产品的各项性能指标均达到了GB1863-89中一级品的要求。由其XRD图可知,其衍射峰位置和强度与标准图谱相吻合,没有出现其它杂质峰,说明制得的氧化铁纯度较高。 (8)技术经济分析表明,以煤矸石为原料,采用硫酸浸取的方式制备氧化铝和氧化铁有着巨大的发展潜力。且具有良好的经济效益和社会效益,为煤矸石资源化综合利用提供了一个广阔的平台。