煤矸石是煤礦生產(chǎn)過程中的垃圾，是主要的煤系固廢，在很多礦井周圍都存在著堆積如山的煤矸石，既污染環(huán)境，又占據(jù)著大片土地，全國煤矸石總堆存量約45億t[1-2]，環(huán)境污染大，資源浪費嚴(yán)重。煤矸石中存在著大量的鋁元素，氧化鋁的含量占到25%左右，是一種可以利用的資源[3-4]，利用后既解決了煤矸石中占地和環(huán)境污染的問題，同時又變廢為寶創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益[2,6-8]。煤矸石經(jīng)硫酸浸取可制備硫酸鋁，后者是常用的絮凝劑，多用于污水處理。
本實驗對鄭州礦區(qū)某礦煤矸石進(jìn)行了分析和研究，經(jīng)多次實驗，在最佳條件下，鋁溶出率可穩(wěn)定達(dá)到89.6%，制備出的硫酸鋁純度可達(dá)95%，為煤矸石的開發(fā)和利用提供了新的思路。
一、實驗部分
（一）材料
鄭州某礦塊狀煤矸石，粉碎至40目，其成分組成見表l。
（二）儀器及設(shè)備
馬弗爐，酸度計，電子天平，粉碎機，攪拌機。
（三）試劑
浸取試劑：1:l鹽酸(蒸餾水稀釋一倍的濃鹽酸)，1:2硫酸(蒸餾水稀釋2倍的濃硫酸)，逆王水(濃硝酸:濃鹽酸=3:1)；鋁測定試劑：10%磺基水楊酸，0.02mol/L CuSO4，0.02mol/L乙二胺四乙酸(EDTA)，l:l鹽酸，l:l氨水，pH值為5.0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，PAN指示劑。
（四）實驗方法
稱取適量經(jīng)烘干處理后的煤矸石樣品，置于一定溫度下的馬弗爐內(nèi)高溫焙燒，燒結(jié)物在一定溫度下用一定量的硫酸浸取，試驗焙燒溫度、焙燒時間、酸度、浸取溫度、浸取時間等因素對鋁的浸取率的影響，擬定煤矸石中鋁的最佳浸取條件。鋁的測定方法：EDTA連續(xù)測定法。
二、實驗結(jié)果及分析
（一）活化溫度的影響
煤矸石不經(jīng)活化處理直接用濃硫酸、逆王水加熱浸取煤矸石2h，其溶出率很低，只有3.6%。分取50g40目的煤矸石于磁蒸發(fā)皿中在400℃、600℃、800℃、1000℃、1200℃的高溫爐中燒5h，冷卻后分取10g加入1:2的硫酸浸取5h，結(jié)果見表2。
根據(jù)表2數(shù)據(jù)作出溶出率和溫度關(guān)系圖，見圖1。煅燒溫度超過500℃時，煤矸石中的A12O3•2SiO2•2H2O組分開始脫掉部分羥基，由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)；700℃時活性達(dá)到最高。1000℃后，形成新物相γ- A12O3和莫來石相，使鋁的溶出量迅速降低。
（二）浸取時間的影響
稱取800℃煅燒后的煤矸石礦樣30g，加1:1鹽酸150mL提取，溫度控制在85℃，多次吸取1mL浸取液進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。
根據(jù)表3數(shù)據(jù)，做溶出率-浸取時間圖，見圖2。實驗表明，浸取時間以5h為宜，時間過長溶出率升高較慢，時間過短，溶出率較低，達(dá)不到生產(chǎn)目的。
（三）酸種類的影響
酸浸取所用的強酸有HNO3、HCl、H2SO4，本著技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的原則，所用酸應(yīng)從HCl、H2SO4中選取。分別用1:1鹽酸和1:2硫酸按1.5倍酸量浸取800℃處理礦樣10g，配制成100mL(礦樣失重率為11.3%)。結(jié)果表明：鹽酸的溶出率為68.78%；硫酸的溶出率為89.6%。由此可看出，在酸用量相同、浸取時間相同的條件下，硫酸的溶出率遠(yuǎn)大于鹽酸，且工業(yè)用硫酸濃度相當(dāng)大，價格也比鹽酸便宜得多，故使用硫酸浸取煤矸石有較好的經(jīng)濟效益。
（四）浸取溫度的選擇
選用1.5倍酸量的硫酸浸取10g經(jīng)800℃處理的樣品，時間5h。分別在不同的溫度下浸取，結(jié)果見表4。并作溫度-溶出率曲線圖，見圖3。由表4、圖3可知，隨著溫度的增加，Al的溶出率也漸高。但溫度過高不僅浪費能量，而且溶液易沸騰，故浸取溫度以85～90℃為宜。
（五）酸度的選擇
濃硫酸比重大，成粘稠狀，太濃不宜攪拌，且也難以溶解礦樣；如果稀釋倍數(shù)過高，則浸取效果較差。經(jīng)實驗證明，用1:2的硫酸浸取礦樣溶出效果較好。
（六）酸量的選擇
用酸浸取煤矸石，考慮到經(jīng)濟效益，就要選用盡可能少的酸，浸取出盡可能多的鋁。實驗結(jié)果見表5及圖4。煅燒后的煤矸石含A12O3約3l%，經(jīng)實驗測得用1.5倍酸量浸取效果最好，溶出率達(dá)89.6%。
由圖4可知，以1.5倍酸量的硫酸浸取礦樣可得到較高的Al溶出率。酸量過大易造成浪費，量過小溶出率過低，且剩余的硫酸可在生產(chǎn)過程中循環(huán)使用。
（七）攪拌影響
實驗表明，在浸取時間相同(5h)，浸取溫度相同(85℃)，不充分?jǐn)嚢钑r溶出率只有52%，大力充分?jǐn)嚢钑r溶出率可達(dá)89.6%。
綜上所述，浸取煤矸石的各種最佳條件是：粉碎后的煤矸石于800℃高溫爐中煅燒5h，用l:2硫酸按1.5倍酸量浸取，控制溫度在85℃左右浸取5h，并大力充分?jǐn)嚢杓纯蛇_(dá)到Al溶出率89.6%。
（八）硫酸鋁產(chǎn)品的制備
硫酸鋁制備主要采取兩種方法：
①將浸取液過濾后蒸發(fā)，待其密度為1.25～1.30時，停止蒸發(fā)，自然結(jié)晶可獲得硫酸鋁晶體。
②將浸取液過濾，取部分過濾母液加入堿，控制pH值為7左右，生成Al(OH)3沉淀。過濾得到的氫氧化鋁加入另一部分母液，中和未完全反應(yīng)的硫酸，調(diào)節(jié)pH值為1.0～2.0，蒸發(fā)母液至密度為1.25～1.30，冷卻自然結(jié)晶。制備硫酸鋁晶體的流程示意圖見圖5。
獲得的硫酸鋁晶體經(jīng)分析其純度可達(dá)95%以上。用重量法測得浸渣中SiO2含量為80.88%。
三、結(jié)論
1.本實驗詳細(xì)探討了從煤矸石中提取鋁鹽的各種最佳條件，使鋁的溶出率達(dá)89.6%。
2.該工藝流程簡單，操作方便，產(chǎn)品硫酸鋁晶體純度可達(dá)95%，工藝中的廢渣含SiO2達(dá)80%，可考慮供一般硅酸鹽工廠使用。
3.該煤矸石中含有10%左右的碳，所以在活化時，可節(jié)省大量的能源，與工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)很有益處。
煤矸石的用處很多，除了做墻體材料、化工產(chǎn)品、制成工藝品等，比如綜合發(fā)電是其最好的利用途徑之一。
并且，他們還可建立了建材生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)原料來自電廠的生產(chǎn)廢料。
建成了年產(chǎn)3600萬塊磚的新型環(huán)保建材廠。年產(chǎn)10萬噸的煤矸石就地消化。每年僅運輸、裝卸、占地費就節(jié)省500多萬元，可新增產(chǎn)值720萬元。在當(dāng)?shù)仄渌a(chǎn)煤企業(yè)，也開始在嘗試用煤矸石制磚、生產(chǎn)化工產(chǎn)品……這為當(dāng)?shù)胤e極探索煤矸石的利用走出了非常有效的一步
全國很多省市都在積極發(fā)展煤矸石電廠，山西更是走在了全國前列。記者從山西省電力公司等山西省有關(guān)部門獲悉，利用煤矸石發(fā)電是今后產(chǎn)煤大省山西電力建設(shè)的重要由于發(fā)展方向。為了促進(jìn)資源的轉(zhuǎn)化和利用，近年來山西省一個又一個的煤矸石電廠應(yīng)運而生。截至到2005年上半年，山西已形成煤矸石綜合利用電廠裝機容量83．5萬千瓦。據(jù)介紹，山西省在汾西、沁源、古交等地已經(jīng)做了煤矸石發(fā)電的“嘗試”并取得良好效果。長治縣委、縣政府有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及以當(dāng)?shù)仄髽I(yè)界人士也都專門到這些地方進(jìn)行了考察，更堅定了大力發(fā)展煤矸石電廠的信心
現(xiàn)在，煤矸石也變廢為寶，成為了循環(huán)
經(jīng)濟鏈中關(guān)鍵的一環(huán)。以前被廢棄的煤矸石，現(xiàn)在被用于塌陷區(qū)的復(fù)墾、修路，值得一提的
是，更大的一部分被源源不斷地運往發(fā)電廠，成為連接煤電這一發(fā)展鏈條中有力的保證。
去年9月，龍泉公司在二電旁邊建起了加氣磚廠，這下，粉煤灰有了用處，村民也有了致富
門路，他們或搞建筑，或從事裝卸、運輸， ... 可觀，伊川鑫泓新型材料廠等6家企業(yè)上馬
了粉煤灰砂漿、砌塊項目，洛陽市天源實業(yè)(集團)公司則正在加緊建設(shè)煤矸石發(fā)電廠。
