水合物法分离煤系固废浸取液有价元素

A novel hydration method was put forward in this research to separate valuable elements like aluminum salts from the leaching liquid of bulk coal wastes. The reaction between the guest molecule and the water molecule produces hydrates, from which fresh water can be recovered and the guest molecule can be reused by decomposition, and the leaching liquid will be concentrated to separate product crystals. The hydration phase equilibrium date will be measured to select the best hydration-reagent. Nucleation, growth and decomposition of hydrates will be observed by on-line techniques, and the formation kinetics and decomposition kinetics will be obtained. By intensification and optimization, good hydrate crystals are expected to achieved. Molecular simulation will be adopted to explain the interaction mechanism between the hydrates and the environment during the formation and decomposition. Based on the principles of hydrodynamics and transfer process, a crystallizer is expected to be developed in this study. This research is of great significance both for the recovery of valuable elements from coal wastes and the basic study of hydration technology.

针对从大宗煤系固废浸取液中低能耗分离铝盐等有价元素的关键技术瓶颈，本课题提出了水合物法双向结晶的技术方案。该技术利用丙烷等客体分子与浸取液中的水分子络合形成水合物晶体，使浸取液得到浓缩结晶；固液分离后的水合物分解可以回收淡水，客体分子循环使用。课题将测定不同客体分子在煤系固废浸取液中形成水合物的相平衡数据，筛选出适合的客体物质；采用原位分析技术，研究水合物的成核、生长和分解过程规律，建立生长动力学和分解动力学模型，确定调控水合物粒度与形貌的关键因素及其影响机理，以指导过程强化和工艺优化制备出高品质水合物晶体；采用分子模拟方法，在原子尺度深入揭示水合物的形成/分解过程与生长/分解环境之间的内在关系；基于流体力学分析和传递过程原理，优化水合物结晶器构型。课题对于解决煤系固废资源化利用过程中面临的瓶颈问题和加深水合物技术的基础研究都具有重要意义。

针对从大宗煤系固废中提取分离铝盐的研究目标，本项目开展了煤矸石活化、浸取、水合物结晶、水合物结晶器流体力学等研究。. 对煤矸石的工艺矿物学表征表明煤矸石中Al2O3的含量约25%，主要的矿物组成为高岭石与石英。采用机械-热复合活化方法，极大地提高了煤矸石中铝的活性，铝的浸出率达到95%以上。通过曲面响应法确定了酸浸过程中粒径、硫酸浓度、固液比、转速、反应温度主要影响因素，建立了工艺参数与铝浸出率的模型方程。测定了HCFC-141b、环戊烷、乙烯、丙烷等客体物质与不同浓度的AlCl3、Al2(SO4)3溶液形成水合物的相平衡数据。形成水合物的冰点，随着铝盐溶液浓度的增加而线性降低，相同压力下低温更易生成水合物。研究了不同操作条件下水合物的生长和分解过程的动力学规律，探讨了采用水合物法进行浓缩的效果。研究表明，在铝盐溶液体系中，随着水合剂起始添加量增加，水合物的生成速率变快；晶种的添加可以极大地加快水合物的生成速率。使用MS分子模拟软件模拟出水溶液中和使用十二烷基苯磺酸钠 (SDBS)添加剂条件下，硫酸铝晶体六边形片状结构，并为实验结果证实。采用激光粒子测速仪（PIV）对水合物结晶器进行了流场实验研究，并与不同湍流模型进行比较，结果表明标准k-ε模型的计算值与PIV实验值吻合程度最佳。应用多重参考系法（MRF）、标准k−ε模型和物质传递模型，对结晶器的混合性能、固液两相流动进行了数值模拟，从而优化了结晶器几何结构和工艺操作参数，为工业结晶器的开发提供理论支持。探索采用VOF模型对降膜塔结晶器内气液两相进行数值模拟，研究了液膜的形成过程和不同操作条件对液膜厚度的影响。. 研究结果对于煤系固废资源化利用具有参考价值。