一种利用煤矸石制备黄钾铁矾的方法技术

本发明专利技术属于煤系固废资源化利用领域，具体涉及一种利用煤矸石制备黄钾铁矾的方法。包括：1)粉磨：将块状煤矸石原岩粉磨为煤矸石粉末；2)氧化焙烧：对煤矸石粉末进行氧化焙烧，即得黄钾铁矾；其中，块状煤矸石为：a)一种块状煤矸石，该块状煤矸石中至少含有黄铁矿和高岭石；或者b)一种组合物，该组合物至少包括富含黄铁矿的煤矸石和富含高岭石的煤矸石。本发明专利技术方法是基于黄钾铁矾易由黄铁矿氧化而来的优势，对煤矸石在空气气氛中进行焙烧，从而获得具有良好吸附性的黄钾铁矾，达到以废治废的目的。本发明专利技术方法工艺简单、成本低、环境友好、易于工业化，使用本发明专利技术方法可使含黄铁矿的煤矸石转变为可利用的黄钾铁矾，有利于煤系固废资源化。源化。源化。

【技术实现步骤摘要】
一种利用煤矸石制备黄钾铁矾的方法


[0001]本专利技术属于煤系固废资源化利用领域，具体地说，涉及一种利用煤矸石制备黄钾铁矾的方法。

技术介绍

[0002]黄钾铁矾(化学式KFe3(SO4)2(OH)6)，因最早发现于西班牙东南部的Jaroso地区而命名。作为一种含铁硫酸盐的次生矿物，主要形成于酸性、富含硫的环境中。近年来人们发现其具有较高的比表面积和较多的表面羟基，是一种优良的吸附材料。而且其晶体结构中多个晶体化学位置都能被其它元素取代，形成广泛的类质同象。基于这些特性，黄钾铁矾能够将有毒有害元素以共沉淀或吸附的方式固定起来，从而减轻对环境的危害。因此，黄钾铁矾广泛用于含Cu、Pb、Zn、Gd、As等有毒有害废水的治理，对于矿山环境的治理具有良好的应用前景。
[0003]然而，黄钾铁矾晶体稀少，而且往往伴有其他杂质。自然条件下形成的黄钾铁矾量少且不纯，目前有提到黄钾铁矾主要由黄铁矿经氧化作用而形成，但事实上单纯的含有黄铁矿的煤矸石进行氧化焙烧通常是得到赤铁矿或磁铁矿。而人工合成黄钾铁矾的方法分为微生物合成法和化学合成法，其中化学合成法包括硫酸铁和硫酸钾直接合成法和硫酸亚铁氧化法。微生物合成法的优点是制备工艺简单，制备周期较短；缺点则是制备成本较高。而化学合成法则恰恰相反，其优点是制备成本较低，缺点则是制备工艺复杂、制备周期较长。
[0004]如《光谱学与光谱分析》2004年9月第24卷第9期公开了黄钾铁矾的生物合成与鉴定，该文献的方法是利用氧化亚铁硫杆菌的生物催化氧化作用，将FeSO4‑
K2SO4‑
H2O体系中的Fe
2+
全部氧化为Fe
3+
，Fe
3+
再在高浓度硫酸根、K
+
存在和酸性条件下水解生成赭黄色的黄钾铁矾。该方法的不足在于：(1)制备成本较高；(2)氧化亚铁硫杆菌休止细胞的制备过程复杂；(3)产物没有规整的形貌。
[0005]《岩石矿物学杂志》2005年11月第24卷第6期公开了黄钾铁矾的形成条件研究及其环境意义，该文献的方法是在合适的pH值以及介质浓度(硫酸铁溶液、硫酸钾溶液以及氢氧化钾溶液)下实现常温常压下的黄钾铁矾的快速合成。该方法的不足在于：(1)采用的试剂较多，对环境不友好；(2)产物形貌呈不规则粒子状。
[0006]综上，人工合成工艺复杂，成本较高，且使用试剂较多，对环境不友好。
[0007]煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物。目前我国大宗固废累计堆存量约600亿吨，其中煤矸石累计堆存量达70亿吨，且每年以3亿吨的排放量递增。煤矸石是由岩石矿物所组成的复杂混合物体系，主要由黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石、勃母石)、砂岩(石英)、碳酸盐(方解石、菱铁矿、白云石)、硫化物(黄铁矿)以及铝质岩组成。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5和微量元素。北方一些煤系高岭岩纯度较高，常被用作煅烧高岭土的原料，但其中黄铁矿的存在严重影响其煅烧白度。由于某些地层在地质历史时期受海水影响较大，煤系地层及煤层中含有较多的黄铁矿和黄铁矿结核：例如南方的二叠纪煤层，华北地区太原组下部的9
#
‑
15
#
煤层等。煤矸石中的
黄铁矿在长期的堆放过程中易被氧化发热致使矸石堆发生自燃，释放大量的CO2和SO2，浪费资源，污染环境。目前煤矸石主要被用于生产矸石水泥、混凝土的轻质骨料、耐火砖等建筑材料，综合利用技术水平较低，经济效益较差。
[0008]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种利用煤矸石制备黄钾铁矾的方法，达到以废治废、原位利用的目的，是一种高附加值的煤系固体废弃物的综合利用技术，具有重要的社会效益、环境效益和经济价值。
[0010]为实现本专利技术的上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]一种利用煤矸石制备黄钾铁矾的方法，其中，所述的方法包括如下步骤：
[0012]1)粉磨：将块状煤矸石原岩粉磨为煤矸石粉末，混合均匀；
[0013]2)氧化焙烧：对煤矸石粉末进行焙烧，即得黄钾铁矾；
[0014]其中，步骤1)中，所述的块状煤矸石为：
[0015]a)一种块状煤矸石，该块状煤矸石中至少含有黄铁矿和高岭石；
[0016]或者b)一种组合物，该组合物至少包括富含黄铁矿的煤矸石和富含高岭石的煤矸石。
[0017]本专利技术中，煤系固废的来源包括各地区各层位的大宗煤矸石。
[0018]本专利技术可直接以大宗煤矸石固废为原料，仅通过粉磨和氧化焙烧就可得到黄钾铁矾，所得到的黄钾铁矾粒径小，是一种性能良好的吸附材料，可使煤系固废得到充分的利用。
[0019]本专利技术中，煤矸石可以是一种煤矸石，该种煤矸石中至少同时含有黄铁矿和高岭石两种成分，也可以是不同煤矸石形成的组合物，但是这种组合物中至少包括富含黄铁矿的煤矸石和富含高岭石的煤矸石两种不同成分的煤矸石。
[0020]本专利技术中，在焙烧过程中，高岭石热分解释放水(公式1)，与黄铁矿、氧气以及煤矸石中的常量元素K一同参与氧化反应(公式2)，生成黄钾铁矾。
[0021]Al2[Si2O5](OH)4＝Al2O3·
2SiO2+2H2O
ꢀꢀ
公式1
[0022]6FeS2+19O2+6H2O+2K
+
＝2KFe3(SO4)2(OH)6+8SO2ꢀꢀ
公式2
[0023]单纯的含有黄铁矿的煤矸石进行氧化焙烧通常是得到赤铁矿或磁铁矿。目前，材料方向制备黄钾铁矾的方法通常使用水热法、化学合成法等，一般是在酸性(硫酸)水条件下。黄铁矿氧化生成黄钾铁矾(KFe3(SO4)2(OH)6)的过程中，需要水的参与。而普通的水(样品吸附水等)在加热前期到100℃左右便蒸发了。本专利技术中，以含有黄铁矿和高岭石的块状煤矸石为原料，粉磨后进行氧化焙烧，焙烧过程中，煤矸石中的高岭石热分解脱羟基得到水，恰好弥补了普通的水在加热前期到100℃便蒸发了的缺陷。
[0024]进一步地，上述步骤2)中，所述的氧化焙烧为：在空气气氛中，将煤矸石粉末松散的盛放在坩埚中，再将盛放有松散煤矸石粉末的坩埚加热至400～500℃，然后保温一段时间，即得黄钾铁矾。
[0025]本专利技术中，煤矸石粉末松散的放在坩埚中，这样当坩埚在空气气氛中加热至400～500℃时，煤矸石粉末便可以与氧气充分接触，从而使其中的黄铁矿与高岭石脱羟基释放的
结构水发生反应，形成一种酸性环境；加上煤矸石中常量元素K的存在(主要来自伊利石)，黄铁矿相变为黄钾铁矾；再保温一段时间，反应进行完全，便可得到黄钾铁矾。在400～500℃范围内，焙烧温度越高，高岭石脱羟基释放的结构水越多，生成的黄钾铁矾越多。加热温度不宜超过600℃，高岭石脱羟基过程结束后，体系没有水参与反应，随着温度的升高，黄钾铁矾不稳定会受热分解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用煤矸石制备黄钾铁矾的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：1)粉磨：将块状煤矸石原岩粉磨为煤矸石粉末；2)氧化焙烧：对煤矸石粉末进行氧化焙烧，即得黄钾铁矾；其中，步骤1)中，所述的块状煤矸石为：a)一种块状煤矸石，该块状煤矸石中至少含有黄铁矿和高岭石；或者b)一种组合物，该组合物至少包括富含黄铁矿的煤矸石和富含高岭石的煤矸石。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的氧化焙烧为：在空气气氛中，将煤矸石粉末松散的盛放在坩埚中，再将盛放有松散煤矸石粉末的坩埚加热至400～500℃，然后保温一段时间，即得黄钾铁矾。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的加热为加热至450～500℃。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，保温时间为30min～120min。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉辉，刘钦甫，张克楠，张帅，李锦涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：