專利名稱：高鐵煤矸石酸浸液分離鋁鐵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高鐵煤矸石酸浸液分離鋁鐵的方法，屬于煤系固體廢棄物資源化利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中國(guó)是一個(gè)以煤炭為主要能源的發(fā)展中國(guó)家，在一次能源消耗中，煤炭占70%以上，所占比重高出世界平均水平的一倍以上，并且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)仍是以煤炭為主。煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。包括巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)矸石、采掘過程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過程中挑出的洗矸石。其主要成分是Si02、 Al2O3，另外還含有數(shù)量不等的F%03、CaO、MgO, Na2O, K2O, P2O5> SO3和微量稀有元素(鎵、釩、 鈦、鈷)。其排放量相當(dāng)于當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的10%左右，目前已累計(jì)堆存45億噸，占地約12 萬公頃，是目前我國(guó)排放量最大的工礦業(yè)固體廢棄物之一。煤矸石的大量堆放，不僅壓占土地，影響生態(tài)環(huán)境，矸石淋溶水將污染周圍土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在適宜的條件下發(fā)生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和煙塵等有害氣體污染大氣環(huán)境，影響礦區(qū)居民的身體健康。隨著國(guó)家環(huán)保執(zhí)法力度的不斷加大，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，解決煤矸石污染環(huán)境問題顯得越來越突出，自60年代起，很多國(guó)家開始重視煤矸石的處理和利用，其利用途徑概括起來主要有以下幾種(1)回收煤炭和黃鐵礦，殘余物用作建筑材料；(2)用于發(fā)電主要用洗中煤和洗矸混燒發(fā)電，混合物發(fā)熱量每kg約 2000大卡，爐渣可生產(chǎn)爐渣磚和爐渣水泥；(3)制造建筑材料代替粘土作為制磚原料，利用煤矸石本身的熱值，節(jié)約煤炭；(4)代替粘土組分生產(chǎn)普通水泥，燒結(jié)輕骨料；(5)煤矸石還可用于生產(chǎn)低熱值煤氣，制造陶瓷，制作土壤改良劑，或用于鋪路、井下充填、地面充填造地等。煤矸石中氧化鋁、氧化鐵含量與煤的形成過程、周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般氧化鋁含量在20%左右、氧化鐵含量在8%左右，我國(guó)南方地區(qū)的氧化鋁含量偏低，氧化鐵偏高；北方如內(nèi)蒙、山西等地氧化鋁含量則高達(dá)40%左右，氧化鐵則低至3%以下，是我國(guó)未來最為保貴的鋁資源。在低鐵高鋁煤矸石酸法提鋁方面，許多研究人員做了大量的研究工作，獲得了具有創(chuàng)新性的成果，如專利CN1048687 —種用煤矸石生產(chǎn)硫酸鋁的方法，將煤矸石進(jìn)行焙燒， 粉碎成粉狀，按濃流酸比煤矸石粉為1比2. 5，濃硫酸稀釋成16 ISBe的稀酸加入煤矸石粉中，在120 140°C，2 2. 5kg / c m 2條件下反應(yīng)1. 2 2小時(shí)，經(jīng)沉淀去渣，產(chǎn)品質(zhì)量符合HGl - 32 - 77粗制二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；專利CN1072657 —種用煤矸石生產(chǎn)硫酸鋁的方法，將煤矸石粉碎成粉狀，不經(jīng)焙燒，直接與濃度為40 70% (重量)的硫酸在反應(yīng)器中混合，攪拌，通蒸氣升溫使反應(yīng)器壓力為3.5 ^g / cm2，反應(yīng)4 6小時(shí)，經(jīng)沉降去渣，濃縮結(jié)晶，得白色塊狀固體，產(chǎn)品質(zhì)量符合HCl - 32 - 77精制一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；專利CN1174172是一種用煤矸石生產(chǎn)硫酸鋁的方法，經(jīng)過對(duì)煤矸石破碎焙燒、出爐冷卻、浸出、沉淀、過濾、中和、再過濾、濃縮、結(jié)晶等工藝過程得產(chǎn)品硫酸鋁；專利CN1915^9是一種用煤矸石制取硫酸鋁、硅酸鈉及其衍生產(chǎn)品的方法，將煤矸石用鍔式破碎機(jī)破碎，焙燒除掉有機(jī)物，用球磨機(jī)粉碎，使80%通過200目篩，將煤矸石粉置于反應(yīng)釜中和濃度40% 60%的硫酸進(jìn)行反應(yīng)，生成硫酸鋁溶液；將生成的硫酸鋁溶液過濾、送入精制罐中，加入硫化鋇BaS除鐵；專利CN1392109是綜合利用煤矸石聯(lián)產(chǎn)電、鋁、水泥生產(chǎn)工藝，電廠廢料粉煤灰為制鋁原料， 經(jīng)破碎、煅燒、浸取、過濾、脫硅、碳分等工序生產(chǎn)氧化鋁。用高鐵煤矸石酸浸提鋁鐵并進(jìn)行溶液鋁鐵的分離則沒有公開報(bào)道，亦未見有關(guān)硫酸鋁鐵鹽溶液分離鋁鐵的公開報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種利用高鐵煤矸石酸法浸取鋁鐵并進(jìn)行鋁鐵分離的方法。這種方法為高鐵煤矸石回收有價(jià)元素提供一種新的工藝技術(shù)，為氫氧化鋁及鐵紅顏料產(chǎn)品開辟了新的原料資源，能實(shí)現(xiàn)煤矸石有效高附加值綜合利用。本發(fā)明的技術(shù)方案將煤矸石灰破碎、粉磨至一定粒度，煅燒成煤矸石活化渣，然后進(jìn)行酸浸，再將酸浸液中和后過濾分離得到硫酸鋁鐵混合液，最后通過碳酸鈉溶液調(diào)整 PH值，用雙氧水氧化鐵離子，最終分離出水合氧化鐵和氫氧化鋁。其分離過程的具體步驟包括如下
(1)選用煤矸石灰份平均氧化鋁含量為20 27wt%、總鐵含量為10 17wt%的煤矸石， 經(jīng)破碎、粉磨至粒度為過80目篩篩余量< 5%，然后煅燒成煤矸石活化渣；
(2)將煤矸石活化渣與硫酸按固液比為1:3 4混合酸浸，然后將溫度加熱至95 110°C，反應(yīng)3 釙后過濾；
(3)將步驟O)中得到的酸浸過濾液加活化煤矸石渣中和其中的游離酸，反應(yīng)溫度為 90 95°C，當(dāng)反應(yīng)液PH值達(dá)到1 2時(shí)，趁熱過濾分離得中和液，得到含氧化鋁45 70g/ L、氧化鐵25 40g/L的硫酸鋁鐵混合液；
(4)將步驟(3)中的得到的硫酸鋁鐵混合液溫度保持在70 90°C時(shí)，加入碳酸鈉溶液不斷攪拌，直到溶液PH值為2. 5 3. 0時(shí)加入總鐵含量IOmoW的雙氧水，將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)離子，然后直到PH值為3. 7 3. 8時(shí)停止加入碳酸鈉，維持70 90°C溫度下0. 5h 后，過濾分離出水合氧化鐵；
(5)將步驟(4)中分離水合氧化鐵后的過濾液升溫至90 95°C，繼續(xù)加入碳酸鈉溶液， 將溶液PH調(diào)至6 6. 5，維持操作溫度陳化2h，過濾分離出氫氧化鋁。所述步驟(1)中煅燒溫度為700 750°C，煅燒時(shí)間0. 5 lh。所述硫酸濃度為25 35wt%。所述碳酸鈉溶液的濃度為10 25wt%。所述雙氧水的濃度為30wt%。發(fā)明人對(duì)高鐵煤矸石制備硫酸鋁鐵溶液及鐵鋁分離過程從理論上進(jìn)行了深入研究，其原理是煤矸石經(jīng)活化后，以粘土質(zhì)形式存在的氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu)的氧化鋁， 低溫下易分解的鐵鹽轉(zhuǎn)化成氧化鐵及亞鐵，具有良好的反應(yīng)性能，酸浸時(shí)以硫酸鋁、硫酸鐵 (亞鐵)的形式溶出，轉(zhuǎn)入液相中的其它可溶硫酸鹽則視原料組成而定，主要為硫酸氧鈦、硫酸鈦。在酸浸過濾液中加入新鮮煤矸石，殘余游離酸首先與煤矸石中的活性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)， 隨著游離酸的消耗，溶液PH逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)液的PH值> 0. 5時(shí)，硫酸氧鈦、硫酸鈦開始水解，形成二氧化鈦凝膠，在加熱狀態(tài)下，鈦凝膠發(fā)生水解，形成晶紅石，在過濾時(shí)轉(zhuǎn)入渣相， 達(dá)到了游離酸中和及除雜目的。純硫酸鐵溶液在PH為2. 5時(shí)發(fā)生水解，當(dāng)PH值達(dá)3. 5時(shí)
4水解完全，而硫酸鋁水解的最低PH為4. 0，PH值為6. 0時(shí)水解完全，因此，利用這兩種硫酸鹽水解PH值的差異，就可以實(shí)現(xiàn)硫酸鋁鐵溶液中鋁鐵的分離。本發(fā)明所用的設(shè)備均為現(xiàn)有的公知設(shè)備。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1.煅燒煤矸石溫度選擇為750°C，能滿足沸騰循環(huán)流化床的操作條件，在工業(yè)化生產(chǎn)中，熱量用于發(fā)電和生產(chǎn)蒸汽，供給系統(tǒng)自用，同時(shí)煤矸石燒渣活性好、無燒結(jié)現(xiàn)象。2.與傳統(tǒng)煤矸石提鋁相比，同時(shí)回收了鐵。3.與現(xiàn)有發(fā)明煤矸石酸法生產(chǎn)硫酸鋁相比，原料適用范圍廣。4.酸浸在常壓下進(jìn)行，條件溫和、過濾分離容易。


圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖。具體實(shí)施方法 實(shí)施例1
(1)選用煤矸石灰份平均氧化鋁含量為25wt%、總鐵含量為17wt%的煤矸石，經(jīng)破碎、粉磨至粒度過80目篩篩余量<5%，然后煅燒成煤矸石活化渣(煅燒溫度為750°C，煅燒時(shí)間 0. 5h)；
(2)將煤矸石活化渣與硫酸(硫酸濃度為25wt%)按固液比為1:4g/L混合酸浸，然后將溫度加熱至95°C，反應(yīng)4h后過濾；
(3)將步驟O)中得到的酸浸過濾液加活化煤矸石渣中和其中的游離酸，反應(yīng)溫度為 90°C，當(dāng)反應(yīng)液PH值達(dá)到2時(shí)，趁熱過濾分離得中和液，得到含氧化鋁60g/L、氧化鐵35g/ L的硫酸鋁鐵混合液；
(4)將步驟(3)中的得到的硫酸鋁鐵混合液溫度保持在70°C時(shí)，加入碳酸鈉溶液(濃度為25wt%)不斷攪拌，直到溶液PH值為2. 5時(shí)加入總鐵含量IOmoW)的雙氧水(濃度為 30wt%)，將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)離子，然后直到PH值為3. 7時(shí)停止加入碳酸鈉，維持80°C 溫度下0. 5h后，過濾分離出水合氧化鐵；
(5)將步驟(4)中分離水合氧化鐵后的過濾液升溫至90°C，繼續(xù)加入碳酸鈉溶液，將溶液PH調(diào)至6，維持操作溫度陳化2h，過濾分離出氫氧化鋁。經(jīng)分析，氧化鐵折干基質(zhì)量為126. Sg,純度為98. 67%，氧化鋁含量折干基質(zhì)量 217. 8g，純度為 99. 92%。實(shí)施例2
(1)選用煤矸石灰份平均氧化鋁含量為26.32wt%、總鐵含量為15. 45wt%的煤矸石，經(jīng)破碎、粉磨至粒度過80目篩篩余量< 5%，然后煅燒成煤矸石活化渣(煅燒溫度為700°C，煅燒時(shí)間Ih)；
(2)將煤矸石活化渣與硫酸(硫酸濃度為10wt%)按固液比為1:3. 5g/L混合酸浸，然后將溫度加熱至110°C，反應(yīng)池后過濾；
(3)將步驟O)中得到的酸浸過濾液加活化煤矸石渣中和其中的游離酸，反應(yīng)溫度為 92°C，當(dāng)反應(yīng)液PH值達(dá)到1時(shí)，趁熱過濾分離得中和液，得到含氧化鋁64g/L、氧化鐵37g/ L的硫酸鋁鐵混合液；
(4)將步驟(3)中的得到的硫酸鋁鐵混合液溫度保持在80°C時(shí)，加入碳酸鈉溶液(濃度為10wt%)不斷攪拌，直到溶液PH值為2. 7時(shí)加入總鐵含量IOmoW)的雙氧水(濃度為 30wt%)，將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)離子，然后直到PH值為3. 75時(shí)停止加入碳酸鈉，維持 70°C溫度下0. 5h后，過濾分離出水合氧化鐵；
(5)將步驟(4)中分離水合氧化鐵后的過濾液升溫至93°C，繼續(xù)加入碳酸鈉溶液，將溶液PH調(diào)至6. 2，維持操作溫度陳化2h，過濾分離出氫氧化鋁。經(jīng)分析，氧化鐵折干基質(zhì)量為133. 4g，純度為99. 16%，氧化鋁含量折干基質(zhì)量 230. 7g,純度為 99. 83%。實(shí)施例3
(1)選用煤矸石灰份平均氧化鋁含量為27wt%、總鐵含量為10wt%的煤矸石，經(jīng)破碎、粉磨至粒度過80目篩篩余量<5%，然后煅燒成煤矸石活化渣(煅燒溫度為720°C，煅燒時(shí)間 0. 8h)；
(2)將煤矸石活化渣與硫酸(硫酸濃度為17wt%)按固液比為1:3g/L混合酸浸，然后將溫度加熱至100°C，反應(yīng)證后過濾；
(3)將步驟⑵中得到的酸浸過濾液加活化煤矸石渣中和其中的游離酸，反應(yīng)溫度為 95°C，當(dāng)反應(yīng)液PH值達(dá)到1. 5時(shí)，趁熱過濾分離得中和液，得到含氧化鋁70g/L、氧化鐵 25g/L的硫酸鋁鐵混合液；
(4)將步驟(3)中的得到的硫酸鋁鐵混合液溫度保持在90°C時(shí)，加入碳酸鈉溶液(濃度為17wt%)不斷攪拌，直到溶液PH值為3時(shí)加入總鐵含量IOmoW的雙氧水(濃度為30wt%)， 將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)離子，然后直到PH值為3. 8時(shí)停止加入碳酸鈉，維持90°C溫度下 0. 5h后，過濾分離出水合氧化鐵；
(5)將步驟(4)中分離水合氧化鐵后的過濾液升溫至95°C，繼續(xù)加入碳酸鈉溶液，將溶液PH調(diào)至6. 5，維持操作溫度陳化2h，過濾分離出氫氧化鋁。經(jīng)分析，氧化鐵折干基質(zhì)量為88. 5g，純度為98. 53%，氧化鋁含量折干基質(zhì)量 246. 7g,純度為 99. 95%。實(shí)施例4
(1)選用煤矸石灰份平均氧化鋁含量為20wt%、總鐵含量為17wt%的煤矸石，經(jīng)破碎、粉磨至粒度過80目篩篩余量<5%，然后煅燒成煤矸石活化渣(煅燒溫度為730°C，煅燒時(shí)間 0. 7h)；
(2)將煤矸石活化渣與硫酸(硫酸濃度為20wt%)按固液比為1:3g/L混合酸浸，然后將溫度加熱至100°C，反應(yīng)證后過濾；
(3)將步驟O)中得到的酸浸過濾液加活化煤矸石渣中和其中的游離酸，反應(yīng)溫度為 95°C，當(dāng)反應(yīng)液PH值達(dá)到1. 5時(shí)，趁熱過濾分離得中和液，得到含氧化鋁70g/L、氧化鐵 25g/L的硫酸鋁鐵混合液；
(4)將步驟(3)中的得到的硫酸鋁鐵混合液溫度保持在90°C時(shí)，加入碳酸鈉溶液(濃度為22wt%)不斷攪拌，直到溶液PH值為3時(shí)加入總鐵含量IOmoW的雙氧水(濃度為30wt%)， 將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)離子，然后直到PH值為3. 8時(shí)停止加入碳酸鈉，維持90°C溫度下 0. 5h后，過濾分離出水合氧化鐵；
(5)將步驟(4)中分離水合氧化鐵后的過濾液升溫至95°C，繼續(xù)加入碳酸鈉溶液，將溶液PH調(diào)至6. 5，維持操作溫度陳化2h，過濾分離出氫氧化鋁。
經(jīng)分析，氧化鐵折干基質(zhì)量為148. 7g，純度為99. 05%,氧化鋁含量折干基質(zhì)量 167. 3g，純度為 99. 96%ο
權(quán)利要求
1.一種高鐵煤矸石酸浸液分離鋁鐵的方法，其特征在于具體制備步驟包括如下(1)選用煤矸石灰份平均氧化鋁含量為20 27wt%、總鐵含量為10 17wt%的煤矸石， 經(jīng)破碎、粉磨至粒度過80目篩篩余量< 5%，然后煅燒成煤矸石活化渣；(2)將煤矸石活化渣與硫酸按固液比為1:3 4混合酸浸，然后將溫度加熱至95 110°C，反應(yīng)3 釙后過濾；(3)將步驟O)中得到的酸浸過濾液加活化煤矸石渣中和其中的游離酸，反應(yīng)溫度為 90 95°C，當(dāng)反應(yīng)液PH值達(dá)到1 2時(shí)，趁熱過濾分離得中和液，得到含氧化鋁45 70g/ L、氧化鐵25 40g/L的硫酸鋁鐵混合液；(4)將步驟(3)中的得到的硫酸鋁鐵混合液溫度保持在70 90°C時(shí)，加入碳酸鈉溶液不斷攪拌，直到溶液PH值為2. 5 3. 0時(shí)加入總鐵含量IOmoW的雙氧水，將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)離子，然后直到PH值為3. 7 3. 8時(shí)停止加入碳酸鈉，維持70 90°C溫度下0. 5h 后，過濾分離出水合氧化鐵；(5)將步驟(4)中分離水合氧化鐵后的過濾液升溫至90 95°C，繼續(xù)加入碳酸鈉溶液， 將溶液PH調(diào)至6 6. 5，維持操作溫度陳化2h，過濾分離出氫氧化鋁。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的高鐵煤矸石酸浸液分離鋁鐵的方法，其特征在于所述步驟(1)中煅燒溫度為700 750°C，煅燒時(shí)間0. 5 lh。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的高鐵煤矸石酸浸液分離鋁鐵的方法，其特征在于所述硫酸濃度為25 35wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的高鐵煤矸石酸浸液分離鋁鐵的方法，其特征在于所述碳酸鈉溶液的濃度為10 25wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的高鐵煤矸石酸浸液分離鋁鐵的方法，其特征在于所述雙氧水的濃度為30wt%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用高鐵煤矸石活化渣酸浸液分離鋁鐵的方法，屬于煤系固體廢棄物資源化利用技術(shù)領(lǐng)域。該方法是通過煤矸的粉磨、煅燒、酸浸，酸浸液經(jīng)中和游離酸調(diào)整pH為1～2，中和液在加熱狀態(tài)下用10～25%的碳酸鈉溶液分步調(diào)整pH，實(shí)現(xiàn)酸浸液中鋁鐵的分離。這種處理方法對(duì)煤矸石礦物組成無特殊要求，具有原料適應(yīng)性廣，能源利用合理、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、無苛刻工藝條件、產(chǎn)品純度高、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01F7/02GK102515280SQ20111039234
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者任雪嬌, 夏舉佩, 張召述 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)