煤矸石是煤矿生产过程中产生的垃圾，是主要的煤系固体废弃物。很多矿山周围都是堆积如山的煤矸石，不仅污染环境，还占用了大片土地。我国煤矸石总存量约45亿t[1-2]，造成了严重的环境污染和资源浪费。煤矸石中含有大量的铝元素，氧化铝的含量约占25%，是一种可利用的资源[3-4]。利用后不仅解决了煤矸石的占地和环境污染问题，还变废为宝创造了更多的经济效益[2，6-8]。用硫酸浸出煤矸石可以制备硫酸铝。后者是一种常见的絮凝剂，多用于污水处理。
本实验对郑州矿区某矿煤矸石进行了分析研究。经过多次实验，在最佳条件下，铝的溶出率可稳定达到89.6%，制备的硫酸铝纯度可达95%，为煤矸石的开发利用提供了新的思路。
第一，实验部分
(1)材料
将郑州某矿的块状煤矸石粉碎至40目，其成分如表l所示。
(2)仪器设备
马弗炉、酸度计、电子天平、粉碎机、混合器。
(3)试剂
浸出试剂:1:l盐酸(用蒸馏水稀释2倍的浓盐酸)、1:2硫酸(用蒸馏水稀释2倍的浓硫酸)、王水(浓硝酸:浓盐酸= 3:1)；铝的测定试剂:10%磺基水杨酸，0.02mol/L CuSO4，0.02mol/L EDTA，l:l盐酸，l:l氨水，pH 5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液，PAN指示剂。
(4)实验方法
称取适量干燥煤矸石样品，在马弗炉中一定温度下焙烧，烧结产物在一定温度下用一定量硫酸浸出。试验了焙烧温度、焙烧时间、酸度、浸出温度、浸出时间等因素对铝浸出率的影响，得出了煤矸石中铝的最佳浸出条件。铝的测定方法:EDTA连续测定法。
二、实验结果及分析
(一)活化温度的影响
煤矸石不经活化处理直接用浓硫酸和王水浸出2h，溶出率仅为3.6%。取40目煤矸石50g40，在磁性蒸发皿中于400℃、600℃、800℃、1000℃、1200℃灼烧5h，冷却后取10g加入1:2硫酸灼烧5h。结果如表2所示。
根据表2中的数据，溶出速率与温度的关系如图1所示。当煅烧温度超过500℃时，煤矸石中的al2o 3 & # 8226；二氧化硅& # 8226；2H2O组分开始脱落一些羟基，并从结晶变为无定形。700℃时活性最高。1000℃后，新相γ-Al2O3和莫来石形成，铝的溶解迅速减少。
(2)浸出时间的影响
称取800℃煅烧的煤矸石30g，加入1:1盐酸150mL萃取，温度控制在85℃，多次吸收1mL浸出液进行分析。结果如表3所示。
根据表3中的数据，做出溶解速率-溶出时间图，如图2所示。实验表明，适宜的浸出时间为5h。浸出时间过长，溶出率上升缓慢，但浸出时间过短，溶出率低，达不到生产目的。
(三)酸种类的影响
酸浸中使用的强酸是硝酸、盐酸和硫酸。基于技术可行性和经济合理性的原则，所用的酸应选自HCl和H2SO4。10g矿样分别用1:1的盐酸和1:2的硫酸，加酸量的1.5倍，在800℃处理，制成100mL(矿样失重率为11.3%)。结果表明，盐酸的溶解率为68.78%。硫酸的溶解率为89.6%。可以看出，在酸量相同、浸出时间相同的条件下，硫酸的浸出率远高于盐酸，而且工业硫酸的浓度相当大，价格也比盐酸便宜很多。因此，用硫酸浸出煤矸石具有较好的经济效益。
(4)浸出温度的选择
10g样品经800℃处理后，用1.5倍的硫酸浸出5h。在不同温度下浸提，结果见表4。并做出温度-溶解速率曲线，如图3所示。从表4和图3可以看出，铝的溶解速率随着温度的升高而增加。但过高的温度不仅浪费能源，而且使溶液容易沸腾，因此最佳浸出温度为85 ~ 90℃。
(5)酸度的选择
浓硫酸比重大，粘稠，太稠无法搅拌，难以溶解矿样；稀释率过高，浸出效果差。实验证明，用1:2硫酸浸出矿样效果较好。
(6)酸量的选择
用酸浸出煤矸石，考虑到经济效益，要选择尽可能少的酸，提取尽可能多的铝。实验结果如表5和图4所示。煅烧煤矸石中含有约3l%的A12O3，用1.5倍的酸浸出效果最好，浸出率达89.6%。
从图4中可以看出，用1.5倍酸的硫酸浸出矿石样品可以获得高的铝溶解率。酸太多容易浪费，酸太少溶解率太低，剩余的硫酸可以在生产过程中回收利用。
(七)搅拌的影响
实验表明，在浸出时间相同(5h)、浸出温度相同(85℃)的情况下，溶出率仅为52%，充分搅拌时可达89.6%。
综上所述，浸出煤矸石的最佳条件为:将粉煤灰在高温炉中800℃煅烧5h，用1.5倍酸量的l:2硫酸浸出，浸出温度控制在85℃左右5h，剧烈充分搅拌，al溶出率可达89.6%。
(八)硫酸铝产品的制备
硫酸铝的制备主要采用两种方法:
(1)过滤浸出液，蒸发，当其密度为1.25-1.30时停止蒸发，自然结晶，得到硫酸铝晶体。
②过滤浸出液，取部分过滤母液，加碱，控制pH值在7左右，生成Al(OH)3沉淀。将另一部分母液加入过滤后的氢氧化铝中，中和未反应完全的硫酸，调节pH值至1.0-2.0，将母液蒸发至密度为1.25-1.30，冷却至自然结晶。制备硫酸铝晶体的工艺流程如图5所示。
所得硫酸铝晶体经分析纯度可达95%以上。重量法测得浸出渣中二氧化硅含量为80.88%。
三。结论
1.本实验详细探讨了从煤矸石中提取铝盐的最佳条件，铝的溶出率达到89.6%。
2.工艺流程简单，易于操作。产品硫酸铝晶体纯度可达95%，工艺中废渣含二氧化硅80%，一般硅酸盐厂可考虑。
3.煤矸石中含有10%左右的碳，活化后可以节约大量能源，非常有利于工业化大生产。
参考
高，龚明明，王，等.煤矸石活化提取氧化铝[J].中国矿业，2007，16 (6): 88-90，102。
[2]海顿H，Mttrray。高岭土、蒙脱石和坡缕石的传统和新应用:综述[J].应用粘土科学，2000，17: 207-221
，张虹，张，等.煤矸石中氧化铝溶出的实验研究[J].环境工程学报，2007，11 (1): 99-103。
康仁，冶金专家。综合利用煤矸石生产氧化铝和电解铝[J].轻金属，2005 (1): 64
李亚峰，苏永斌。煤矸石用作混凝剂的原理、条件及效益分析[J].化学矿物与加工，2002，31 (3): 29-30，21。
[6]Kaka Li G . Perraki L . Tsivilis等。高岭土的热处理:矿物学对火山灰活性的影响[J].应用粘土科学，2001，(20): 73-80。
侯富春，顾明春。用煤矸石制备结晶氯化铝和聚合氯化铝[J].长春光学精密机械学院学报，1999，22 (1): 65-67
杨建国张保军。用煤矸石生产聚合氯化铝的研究[J].可再生资源研究，2001 (4): 28-30。
