粉煤灰中镓和氧化铝综合回收工艺研究

摘要

粉煤灰是燃煤电厂排放的工业废渣，我国电力工业的高速发展直接导致粉煤灰的排放量日益增长。这些固体废弃物不仅数量巨大，而且对生态环境构成了严重危害。粉煤灰的综合利用，已越来越受到世界各国的重视。目前，粉煤灰已广泛应用在建材、建工、筑路、农业等领域，但在有用元素回收方面，仍处于研究阶段。镓(Ga)作为当今高新技术的支撑材料，需求量不断增长，而粉煤灰中的含镓量为12～230μg·g－1，极具有回收价值，但尚未有适当的回收方法。传统的溶剂萃取分离回收方法存在镓回收率低、萃取剂耗量大、工艺复杂等不足，难以用于粉煤灰的镓回收。因此寻求高效、低能耗、低成本的环境友好的镓分离方法具有十分重要的现实意义。此外，粉煤灰中氧化铝含量普遍大于30％，若以粉煤灰作为生产氧化铝的原料，不仅能够高效利用废弃物资源，减少对铝土矿资源的消耗，而且能缓解我国对氧化铝产品的需求。本文主要对粉煤灰中镓和氧化铝的分析及分离提取方法进行了研究。
　　 本研究基于盐酸溶液中镓可以稳定配阴离子CaCl4－存在，同条件下聚氨酯泡沫塑料含-NH-基团可加质子形成-NH2+-，两者可发生离子交换缔合作用。故以聚氨酯泡沫塑料为吸附剂，对粉煤灰中镓的吸附分离方法进行了实验。实验首先确定了罗丹明B萃取光度法对镓含量进行定量测定，通过对粉煤灰预处理过程，聚氨酯泡塑的吸附和解析过程的各种影响因素的单因素实验和正交实验，最终得到了粉煤灰中镓提取工艺的最优工艺参数，即：在粉煤灰与无水Na2CO3和Na2O2的质量比为5：5：2、温度为700℃、时间为10min条件下对灰样进行碱熔；经浓度为6molL-1盐酸酸浸出；在浓度为6mol·L－1的盐酸介质中，使用定量泡塑于室温下振荡2h进行吸附，吸附率可达98％以上；最后在NH4Cl溶液的浓度为0.5mol·L-1、恒温振荡45min后，可基本洗脱完全。并且在此工艺过程中干扰离子的影响较小，经两次泡塑吸附过程后，粉煤灰中镓能完全被吸附，而每次吸附后的泡塑须至少经三次洗脱能将镓定量洗脱完全；泡塑经清洗后可多次使用。通过实验最终获得了一种新的具有显著效果的粉煤灰中回收镓的工艺方法。
　　 本文在对已有粉煤灰中氧化铝提取方法的分析探讨的基础上，提出酸浸法提取粉煤灰中氧化铝的工艺。实验首先确立氟盐取代—EDTA容量法对氧化铝进行定量分析测定。通过对添加NaF的粉煤灰预处理过程及酸浸出过程的单因素和正交实验，最终得到了粉煤灰中氧化铝的提取工艺的最优工艺参数，即：在焙烧温度为800℃，焙烧时间为1h，灰样和NaF的质量比为10:2条件下对灰样进行焙烧预处理；然后，在温度为100℃，盐酸浓度为6mol·L-1，液固比为4：1条件下搅拌1h进行铝的酸浸出。在此条件下，氧化铝的浸出率可达65％以上。实验获得了显著可行的酸浸法提取粉煤灰中氧化铝的工艺。
　　 本文对聚氨酯泡沫塑料在酸性条件下的对镓的吸附反应机理进行了初步探讨，结果表明该反应符合一级反应动力学规律，可通过Langmuir-Hinshelwood模型来描述，吸附反应的平均活化能为54.78kJ·mol-1。
　　 最后在综合分析实验研究基础上，提出了酸浸法联合生产粉煤灰中镓和氧化铝的生产工艺，并对工艺流程的设备选择，经济效益等相关方面进行探讨，最终证实了此工艺的实践生产可行性。因此，该工艺具有良好的工业应用前景，将带来很高的社会效益和经济效益，对粉煤灰的综合利用提出了新的技术发展途径和方向。