吴永峰

（神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

粉煤灰提取氧化铝的除铁工艺研究进展

吴永峰

（神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

铁杂质是影响氧化铝产品质量的主要指标之一，尤其是在酸法粉煤灰提取氧化铝工艺研究中，除铁工艺是该工艺成功与否的关键技术。笔者不仅查阅了粉煤灰方面、酸性溶液体系的除铁技术，还借鉴了国内外专家针对铝土矿、高岭土等固体矿物的除铁方法，从物理法、化学法、生物法等方面进行详细介绍，希望可以为工程与研究人员带来一定启发和参考。

粉煤灰；氧化铝；除铁工艺

随着我国社会经济与工业的发展，人们对氧化铝等有色金属的需求量越来越大，氧化铝作为重要的有色金属，其主要来源于铝土矿的冶炼。但是，优质铝土矿资源呈现逐渐减少的趋势，开发新的氧化铝矿产资源对氧化铝工业的发展具有重大的现实意义。粉煤灰是燃煤电厂的固体废弃产物，由于含有大量氧化铝、二氧化硅等有用成分，已经成为一种潜在的氧化铝矿产资源，受到人们越来越多的关注。

粉煤灰的主要成分为SiO2和Al2O3，同时含有一定量的K2O、Na2O、CaO、MgO、TiO2、Fe2O3及FeO等杂质。这些杂质在一定程度上会影响后期的提铝、提硅工艺设计及铝的提取率等，还会影响产物氧化铝和氧化硅的纯度，为氧化铝的提纯工作带来难度。所以，在粉煤灰提取氧化铝过程中，除铁工艺的研究和应用具有重要的现实意义。

由于粉煤灰的形成条件不同，即流化床粉煤灰和煤粉炉粉煤灰的燃烧条件不同，它们的化学成分、矿物成分及结构都有所不同，使得粉煤灰中铁的存在形式也有所不同[1]。研究表明，粉煤灰中的铁既有以铁的氧化物形式存在的独立矿物，如赤铁矿、磁铁矿等，也有以类质同象形式存在的其他复杂矿物，如尖晶石铁酸盐等。另外，在粉煤灰酸法提取氧化铝工艺中，铁杂质会与铝离子共同进入溶液体系，造成不同酸体系下的铁杂质去除方式不同。

因此，笔者不仅查阅了粉煤灰方面的除铁技术，还借鉴了国内外专家针对铝土矿、高岭土等固体矿物的除铁方法，如物理法中的磁选法、浮选法、浮选-磁选联合法等以及生物法。针对酸性溶液体系的除铁技术，如浓盐酸溶液体系、硫酸铝溶液体系等，主要应用的化学方法包括磁化焙烧法、氯化焙烧法、树脂除铁、有机溶剂萃取以及共沉淀等。

1 物理法

粉煤灰以及固体矿物的物理除铁法主要包括磁选法、浮选法以及浮选-磁选联合法。

1.1 磁选法

磁选法是利用各种矿石或物料中各种矿物成分磁性的差异，在磁力与其他作用力（如重力、离心力、摩擦力和介质阻力等）的共同作用下进行筛选的方法。

在国内，学者张金明等人研究总结了当时选矿技术在粉煤灰中的应用[3]，国外的学者Menderela等采用磁选法进行粉煤灰中回收铁的研究，铁精矿品位可以达到50%以上[4]。吉林大学魏存第教授团队采用干法、湿法磁选方式对粉煤灰进行了除铁研究，除铁率达到55%～60%。

徐俊丰等人利用湿法磁选法对浑江发电厂的粉煤灰进行了选铁试验，以沈阳的Φ600×1800型半逆流永磁筒式磁选机为试验设备，经一级磁选后铁精矿品位达到40%～45%[5]。边炳鑫以XCRS-74型永磁半逆流式磁选机为磁选设备，采用湿法磁选对粉煤灰中的磁珠进行分选，最终得到品位为60%左右的产品[6]。孙少傅、张永锋等人开展了干法与湿法磁选的对比试验，试验表明湿法磁选较干法磁选具有较好的去除效果，湿法磁选去除率可以达到73%[7]。

1.2 浮选法

浮选法是根据矿物颗粒表面物理性质和化学性质的不同，或使用各种浮选剂通过调节入选矿物和浮选介质的物理性质和化学性质，从而达到分离矿石中有用矿物的技术方法。也就是说，它是按矿物可浮性的差异进行分选的方法。

针对阳泉铝土矿尾矿中的铁钛杂质矿物的特点，学者欧阳坚等人采用疏水聚团浮选工艺，加入非极性油，提高了矿物质表面的疏水性，增加微细粒杂质矿物的去除量，最终获得了氧化铁含量为0.85%的产品[8]。

苏成德等人以辽宁凌源的高岭土为原料，以石灰石粉为载体，妥尔油为捕收剂，硫酸铵为抑制剂，利用含铁载体及捕收剂造成的疏水性附着于气泡，从而实现了含铁载体与高岭土精矿的分离，使得产品中氧化铁含量由0.72%降到0.35%，达到了陶瓷釉料铁含量的要求[9]。

1.3 浮选-磁选联合法

为了提高高铝粘土的品位，沈阳铝镁设计研究院的关久明等人采用一次粗选+二次精选的浮选工艺，使原矿中氧化铁含量由1.71%降至1.15%；浮选尾矿经强磁磁选后，氧化铁含量由2.12%降至1.39%，除铁效果明显[10]。

谢岷针对山西阳泉、孝义等地的铝土矿进行了相应的选矿试验研究，提高了铝土矿的品位[11]。采用浮选-磁选联合工艺进行除铁富铝试验，使铝土矿中氧化铝含量由63%～65%提高到74%～75%，氧化铁含量由1.41%降至0.95%。

朱友益采用浮选分级-高梯度磁选联合流程工序对山西阳泉的铝土矿进行了除铁降钛的试验，最终获得的浮选精矿中氧化铁含量从1.38%下降到0.83%，磁选尾矿中氧化铁含量由1.61%降至0.68%[12]。

2 化学法

化学除铁法主要是将不同价态的铁转化为易于去除的铁状态，采用酸溶或磁选等方式去除；或者直接通过化学试剂对铁离子进行吸附、萃取、共沉淀，最后达到去除铁的目的。化学法主要包括：磁化焙烧法、氯化焙烧法、树脂除铁法、有机溶剂萃取法、沉淀法等。

2.1 磁化焙烧法

磁化焙烧法的原理是通过对含铁的弱磁性矿物进行焙烧，促使弱磁性铁矿物转化为磁铁矿或铁，然后通过磁选富集磁铁矿，实现铁质矿物与原矿物的分离。磁化焙烧法包括还原焙烧、中性焙烧和氧化焙烧。此方法广泛应用于铝、铁的分离，如低品位褐铁矿与菱铁矿的选铁、铝土矿除铁和赤泥回收铁等。

美国学者Leon Y.Sadler等采用磁化焙烧法对三水铝石-高岭石型铝土矿进行了除铁研究[13]。在H2还原气氛下，铝土矿在800℃下煅烧后，经一次磁选除铁，获得的铝土矿中氧化铁含量由2.7%变为1.5%，铝土矿回收率为95%。印度学者R.BhimaRao采用磁化焙烧法对铝土矿进行了除铁试验[14]，先将铝土矿在微波炉内焙烧后经磁选除铁，最终获得的铝土精矿中氧化铁含量由5.6%降到2.5%，氧化铝含量由55.9%提高到80%。

在国内，广西冶金研究院的李佩鸿采用还原焙烧法对平果铝厂的赤泥进行铁的回收试验[15]。将还原剂煤与赤泥按一定比例（17%）混合，于马弗炉中在l 000℃左右煅烧2 h，经一次粗选，二次精选，最终可得到含铁量为84.17%海绵铁，它可以作为电炉炼钢的原料。

2.2 氯化焙烧法

氯化焙烧法是在高温（＞320℃）条件下，利用氯气或一些氯化物与铁矿物反应，生成FeCl3气体逸出，从而达到铁与原矿物分离的目的。匈牙利学者Szabo I.在600℃～850℃的温度下，采用氯化除铁法对铝土矿进行了相关的机理实验研究，运用TG、XRD等多种分析手段，发现铝土矿中只有赤铁矿、针铁矿与氯气反应，最终矿物中的氧化铁含量由原来的16.8%下降到3%。

美国学者Weston，David曾以氯化法进行铝土矿选铁。在970℃的温度下，他们利用Cl2和CO的混合气体与铝土矿进行氯化实验，氯化时间为20 min，最后得到的铝土矿中氧化铁含量由原来的1.270%降至0.022%，除铁率高达98.30%。

在国内，学者全宏东采用氯化法对阳泉铝矾土矿进行除铁[16]。氯化温度：1 200℃，氯化时间：1 h，Fe2O3挥发率达到64%～66%，Fe2O3含量由原来的1.08%下降到0.29%～0.31%，除铁效果明显。

2.3 树脂除铁法

树脂除铁法主要是利用离子树脂中的离子交换基团，与溶液中带有的同性电荷的离子进行交换反应，这种交换反应是可逆的。它主要包括阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、吸附树脂以及螯合树脂等。在浓盐酸中，金属离子主要以配合阴离子的形式存在，阴离子交换树脂可以有效地除去浓盐酸中的铁离子，还可以不同程度地除去其他金属离子。

学者刘伟、乔聪震等人选用南开大学化工厂生产的201×7（717）型季胺盐强碱性阴离子交换树脂进行盐酸除铁处理，最后获得的盐酸铁含量可达到分析纯试剂标准[17]。胡岳云针对盐酸的强酸、浓酸特点，选择强酸性阳离子、强碱性阴离子（包括凝胶和大孔型）和螯合性离子交换树脂进行了除铁对比实验，最终发现凝胶法强碱性阴离子交换树脂除铁效果最佳，其盐酸铁含量可以降到0.0001%以下[18]。

张强、梁杰等人[19]采用D201阴离子交换树脂开展了氯化铝溶液中铁杂质的去除试验，其通过加入还原剂和络合剂，大幅提高树脂吸附Fe3+的能力，还可以使用1mol/L盐酸溶液洗脱再生。

2.4 有机溶剂萃取法

从20世纪60年代开始，很多研究人员做关于溶剂萃取法在溶液除铁方面的研究。根据介质溶液特点的不同，选用的萃取剂种类也不同。常用的萃取剂主要有磷酸酯类萃取剂，如中性磷TBP，烷基焦磷酸以及P350、P507等；胺类萃取剂，如伯胺Primene JMT、仲胺7201、季铵Aliquat 336等；脂肪酸类萃取剂，如C5～C9低碳脂肪酸[20]。

学者胡年根采用双氧水为氧化剂，先将硫酸铝溶液中的Fe2+全部转化为Fe3+，以260#磺化煤油作稀释剂，伯胺N1923为萃取剂，对硫酸铝溶液进行萃取除铁试验，得到白色的硫酸铝晶体，其氧化铁含量为0.051%，达到了硫酸铝一级品标准[21]。

薛茹君等人针对由煤系高岭土制备出的硫酸铝铵溶液，采用混合萃取剂N503-P204对溶液进行了萃取除铁处理[22]。在最佳萃取条件下，采用三级逆流处理后，铁的萃取率达到99.2%。随后反应制得碳酸铝铵晶体，经最佳煅烧条件下高温煅烧，得到粒径70 nm，氧化铝含量＞99.95%的超细氧化铝产品。

田占宾针对从粉煤灰制备出的硫酸铝溶液，采用P204做萃取剂，用磺化煤油做稀释剂，在80℃下经3级萃取10 min，生产出的无铁硫酸铝产品达到国标要求[23]。

2.5 沉淀法

刘安昌等人采用有机络合沉淀剂去除硫酸铝溶液中的铁离子，通过加入自制的有机络合剂，搅拌、过滤、真空浓缩、结晶等工序，最终得到白色固体产物结晶Al2（SO4）3，其铁离子含量为0.003%～0.007%[24]。

刘康、薛济来等人利用空气和双氧水对粉煤灰硫酸焙烧熟料溶出液进行协同除铁研究，将溶液中的铁离子氧化为单质铁沉淀，实现铁去除的目的[25]。在优化工艺条件下，综合除铁率可以达到99.25%。

3 生物法

生物选矿作为一种新型的选矿技术，20世纪80年代起才得到人们的重视[26]。它主要是利用微生物或其代谢产物与矿物质的相互作用，产生氧化、还原、溶解、吸附等反应，从而达到去除矿石中的杂质，或者选择性地富集某些金属的新型选矿技术。

俄罗斯学者Andreev P.I.对铝土矿使用粘液杆菌进行除铁处理，首先将粘液杆菌在铝土矿中培养14 d，再用盐酸酸浸除铁，最终氧化铁含量由7%降至1.2%[27]。学者Natarajan.K.A在95℃、浸出8 h的条件下，用黑曲霉菌的代谢物处理铝土矿，最终铁的去除率达到50%[28]。

4 结语

物理法中的磁选法已经成功地应用于粉煤灰的分选中，但应对磁选机器及进料方式等进行改进，加大磁场或增加磁选次数，提高粉煤灰中铁的去除效果。磁化焙烧法在一定程度上可以实现铝铁分离，但效果不理想；氯化法分离效果好，但氯气化学活性强，对工业设备腐蚀性大，有成本高、氯气尾气难处理等问题；有机萃取法和沉淀法，易于受溶液状态影响，实际操作中须精确把控操作参数；采用生物法选矿，铝铁分离洁净，污染少，但其反应时间较长，各种条件限制还不适合工业化发展。相对而言，树脂除铁是一种比较理想的溶液除铁方法，易于工业化。

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The Research Process on Iron removing Technology of Extracting Alumina from Fly Ash

Wu Yongfeng
(Shenhua Zhungeer Energy and Resource Comprehensive Development Co., Ltd., Erdos 010300, China)

Iron impurity is one of the main indexes that affect the quality of alumina products.Especially in the process of extracting alumina from acid fly ash, the iron removal process is the key technology.The author not only refer to the iron removal technique of fly ash, acid solution system, from the experts at home and abroad for iron bauxite, kaolin and other solid minerals, are introduced in detail from the physical, chemical and biological methods, the hope can bring some inspiration and reference for engineering and research personnel.

fly ash；iron removing；alumina

TQ133.1 文献标识码：A 文章编号：1008-9500(2017)08-0058-04

2017-06-26

吴永峰（1984-），男，山西临汾人，硕士研究生，中级工程师，研究方向：粉煤灰综合利用。