PDF《硫酸铵焙烧粉煤灰的熟料溶出动力学研究》

・147・ 硫酸铵焙烧粉煤灰的熟料溶出动力学研究 隋丽丽

1 ,付云鹏

2 ,王莹

1 ,翟玉春

3 (1.

沈阳医学院,辽宁 沈阳 110034;

2. 辽宁大学 辽宁 沈阳 110000;

3. 东北大学, 辽宁 沈阳 110819;

) 摘要:对硫酸铵焙烧粉煤灰的熟料溶出过程进行了动力学研究,根据不同温度、不同搅拌强度、不同液 固比中 Al2O3 的溶出率和反应时间的关系,计算该反应的表观活化能为 19.93 kJ/mol,熟料的溶出过程受通过固 体产物层的内扩散控制,动力学方程为:1+2(1-x)-3(1-x)2/3 =4.52exp {-19929/RT}・t.在液固比 8:1,溶出温度为 90℃,搅拌强度为

300 r/min,溶出时间

70 min 的条件下,Al2O3 的溶出率可达 84%. 关键词:粉煤灰;

硫酸铵;

氧化铝;

熟料溶出;

动力学 doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2019.01.032 中图分类号:TD134 文献标志码:A 文章编号:1000-6532(2019)01-0147-05 收稿日期:2017-10-23;

改回日期:2018-06-25 基金项目:沈阳医学院科技发展基金(20186055);

国家自然科学基金(61372195);

辽宁省教育厅科学研究 一般项目 ( L2012374) 作者简介 : 隋丽丽(1980-),女,博士研究生,主要从事资源综合利用的研究. 我国电力供应 75% 以上是由燃煤电厂供应,每 年燃煤约

4 亿t,得到的固体废物就是粉煤灰 [1-3] , 年产量亿吨以上,因为利用率不足,导致粉煤灰 占用大面积耕地,成为我国最大的污染源之一, 严重危害了生态环境和人体健康 [4-6] ,所以粉煤灰 的充分利用具有重要的现实意义.粉煤灰的主要 成分是 Al2O3 和SiO2 [7-9] ,从粉煤灰中提取有价化 合物对实现资源综合利用和经济可持续发展也具 有重大的战略意义和生态效益 [10-12] .目前,利用 粉煤灰中提取氧化铝的技术主要包括:碱法烧结 法、直接酸浸法 ( 加压酸浸法 )、酸碱联合法和硫 酸铵 ( 硫酸氢铵 ) 焙烧法 [13-15] . 近年来,孙培梅等对粉煤灰焙烧熟料的溶出 过程进行了系统的动力学分析,证明熟料的溶出 过程是提取氧化铝的一个重要工序 [16-19] ,直接影 响氧化铝的提取率和其生产技术经济指标,因此, 研究熟料溶出过程动力学,探索溶出过程的速度 控制步骤,在粉煤灰提铝中起着举足轻重的作用. 本文作者采用硫酸铵焙烧法从粉煤灰中提取氧化 铝,在焙烧工艺研究的基础上,对焙烧熟料的溶 出过程进行了的动力学规律研究.

1 试验 1.1 试验原料和仪器设备 粉煤灰来自黑龙江某电厂,主要物相为莫来 石和石英,见图 1,其化学组成见表 1[20] . 图1粉煤灰的 XRD 图Fig.1 XRD pattern of the raw fly ash 表1原料化学组成 /% Table

1 Composition of the material SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO 其他 50.35 39.47 3.53 2.85 3.80 主要试剂:硫酸铵为工业级;

重铬酸钾、硫 酸锌、EDTA 等均为分析纯;

去离子水.

10 20

30 40

50 60

70 80 2θ/( . ) ・148・ 主要仪器设备:电阻丝加热炉、FP93 控温 仪、DK-S24 型水浴锅、W-02 型搅拌器、D/max- 2500PC 型X射线衍射仪、XEPOSX 荧光分析仪. 1.2 试验过程 将一定比例的硫酸铵和粉煤灰混合均匀,置于 坩埚中,采用电阻丝加热炉焙烧,硫酸铵与粉煤灰 质量比

9 :

1、反应温度

550 ℃,恒温时间

60 min, 反应完毕后取出坩埚,自然冷却至室温作溶出用 料,即焙烧熟料;

将焙烧熟料按照一定的液固比 放入烧杯中,待恒温水浴加热到反应温度后,开 始搅拌,间隔

10 min 取样,过滤,进行检测分析 溶液中氧化铝的含量.

2 结果和讨论 2.1 熟料溶出单因素试验 2.1.1 液固比对 Al2O3 溶出率影响 搅拌强度设定为

200 r/min,反应温度设定为 80℃,反应时间控制在

90 min,考察液固比为 6:1, 7:1,8:1,9:1,10:1 时Al2O3 溶出率,见图 2,当 液固比为 8:1 时,Al2O3 溶出率最高,综合考虑液 固比控制在 8:1. 2.1.2 反应温度对 Al2O3 溶出率影响 搅拌强度设定为

200 r/min,反应时间控制在

90 min,在液固比 8:1 的试验条件下,考察反应温 度对 Al2O3 溶出率的影响,结果见图 3,反应温度 对Al2O3 溶出率影响显著,温度达到 90℃时Al2O3 溶出率可达到 84.7%,溶出率最高. 图2液固比对 Al2O3 溶出率的影响 图3反应温度对 Al2O3 溶出率的影响 Fig .2 Effect of ration of water-to-ore on dissolving ratio of Al2O3 Fig .3 Effect of reaction temperature on dissolving ratio of Al2O3 2.1.3 搅拌强度对 Al2O3 溶出率的影响 液固比为 8:1,反应温度设定为 90℃,反应时 间控制在

90 min,考察搅拌强度为 200,300,400,

500 r/min 时Al2O3 的溶出率,结果如图

4 所示.当 搅拌强度大于

300 r/min 时,搅拌强度对 Al2O3 的溶 出率影响已不明显,搅拌强度控制在

300 r/min,可 以消除外扩散对溶出过程的限制作用. 2.1.4 反应时间对 Al2O3 溶出率的影响 反应温度 90℃、液固比 8:

1、搅拌强度 300r/min, 考察反应时间对 Al2O3 溶出率的影响,结果见图

5 所示.随着反应的进行,Al2O3 溶出率逐渐提高, 当时间达到

70 min 时,氧化铝的溶出率曲线趋于 平稳考虑到能耗,反应时间控制在

70 min. 图4搅拌强度对 Al2O3 溶出率的影响 Fig .4 Effect of different stirring speed on dissolving rate of Al2O3

80 70

60 50

40 85

80 75

70 65

60 55

50 45

100 150

200 250

300 350

400 450

500 550

90 80

70 60

50 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5

50 55

60 65

70 75

80 85

90 95

100 105 Al

2 O

3 溶出率 /% Al

2 O

3 溶出率 /% Al

2 O

3 溶出率 /% 温度 /℃ 搅拌强度 /(r ・ min -1 ) ・149・

10 20

30 40

50 60

70 80 图5反应时间对 Al2O3 溶出率的影响 Fig.5Effect of reaction time on dissolving rate of Al2O3 2.2 溶出反应动力学规律分析 2.2.1 温度的影响 在液固比 8:1,搅拌转速

300 r/min 的条件下, 考察了不同反应温度对 Al2O3 溶出率的影响,结果 见图 6. 图6不同温度时 Al2O3 溶出率与时间 t 的关系 Fig.6 Relationship between dissolving ratio of Al2O3 and t at different temperatures 从图

6 中可知反应温度对 Al2O3 溶出率影响很 大,温度升高,加快了分子运动的速度,促进了氧 化铝的溶解.选择收缩未反应核模型来描述其动力 学过程 [21-22] ,将试验数据代入不同控制步骤的表达 式作动力学关系图,结果见图 7,1+2(1-x)-3(1-x)2/3 与时间 t 在各个温度下呈现良好的线性关系,表明 该过程受通过固体产物层的内扩散控制. 图7不同温度时 1+2(1-x)-3(1-x) 2/3 与时间 t 的关系 Fig.7 Relationship between 1+2(1-x)-3(1-x) 2/3 and t at different temperatures 根据阿累尼乌斯 (Arrhenius) 方程将不同温度 下1+2(1-x)-3(1-x)2/3 与反应时间之间的关系进行线 性回归,将lnk 对1/T 作图,见图 8,可得 E=19.93 kJ/mol.内扩散控制的另一个特征是反应活化能在

10 ~

20 kJ/mol,根据试验的反应活化能值进一步 证明在试验温度范围内,溶出反应受通过固体产物 层的内扩散控制.溶出反应的动力学方程为: 1+2(1-x)-3(1-x)2/3 =4.52exp {-19929/RT}・ t (1) 图8lnk 与T-1 的关系 Fig.8 Relationship between lnk and T-1 2.2.2 搅拌强度的影响 考察反应温度 90℃,液固比 8:1 时,不同搅 拌强度对氧化铝溶出率的影响,结果见图 9.将 试验数据利用(1)式进行处理,结果见图 10, 1+2(1-x)-3(1-x)2/3 与时间 t 呈线性关系,再次表明溶 出过程受通过固体产物层的内扩散控制. 图9不同搅拌强度 Al2O3 溶出率与时间 t 的关系 Fig.9 Relationship between dissolving ratio of Al2O3 and t at di........