科技日報記者 王海濱
通訊員 王玉芳
粉煤灰是燃煤電廠等高耗煤企業產生的主要固體廢棄物，是我國排量最大的工業廢渣之一，年產生量高達6億噸，且每年全國仍以近2億噸的存量遞增，累積堆存量已達20多億噸，嚴重汙染環境和阻礙煤炭產業可持續發展。
粉煤灰中富含鋁和硅，還有稀缺金屬鋰和鎵。如何讓粉煤灰變廢為寶，實現高效利用，是我國資源綜合利用面臨的重要問題，也是國家推進節能環保戰略新興產業的重大需求。日前，在國家重點研發計劃重點專項支持下，山西大學資源與環境工程研究所研發團隊攻克關鍵技術，實現了“常壓—自壓”兩段溫和酸浸協同提取粉煤灰中的鋁、鋰、鎵元素，為粉煤灰高值化利用提供了重大原創性技術支撐。
鎖定目標，從粉煤灰中協同提取鋁鋰鎵
3月28日，記者走進山西大學資源與環境工程研究所實驗室，“粉煤灰高值利用關鍵技術與示範”項目團隊正在進行多項深化基礎數據驗證實驗。
山西大學副校長、項目負責人程芳琴教授介紹，我國粉煤灰綜合利用率已達70%，但主要應用在水泥、混凝土、路面磚等建材建工行業，利用途徑單一，利用率有限。而在山西北部和內蒙古中西部產生了大量高鋁粉煤灰，其中富集的高價值鋁元素及鋰鎵等稀散元素往往被拋棄，主要原因是從粉煤灰中提取有價元素的技術不成熟。
高鋁粉煤灰含有40%—50%的氧化鋁，達到中低品位鋁土礦的鋁含量要求，而且高鋁粉煤灰中的鋰、鎵含量也能達到工業開採品位。鋁的提取產品包括氧化鋁、氯化鋁、硫酸鋁等，分別可用於多種工業領域、環保領域等；鋰、鎵則是航空航天、電子產品等重要行業必需的貴重稀缺金屬材料，每噸價值高達10多萬元和70多萬元，具有重要的戰略價值。
程芳琴介紹，她們研發的“粉煤灰高值利用”技術，就是利用科技手段讓粉煤灰實現最大經濟效益、社會效益和生態效益。也就是說，在低成本、低能耗、低渣量狀態下，從高鋁粉煤灰中協同提取鋁鋰鎵和實現高附加值利用。
程芳琴帶領團隊歷經10多年攻關，終於打開了粉煤灰高效利用之門，正致力於產業化應用。
突破關鍵技術，綠色工藝能耗低操作簡便
“用專業術語說，我們攻克了多場耦合活化、非晶相與晶相深度剝離、低濃度鋰/鎵高效富集分離等關鍵技術，實現了常壓—自壓兩段酸浸工藝提取鋁鋰鎵系列產品。”程芳琴介紹說，“通俗點兒解釋就是，此工藝實現了協同提取生產氯化鋁、聚合氯化鋁、硫酸鋁、碳酸鋰、金屬鎵等系列產品，而且廢渣資源化利用，流程短、操作簡單、無‘三廢’排放。”
團隊成員、80後副教授崔靜磊帶著記者在實驗室參觀時，簡要介紹了實驗流程說：“我們的核心技術和工藝，就是實現了低溫常壓狀態下，一個流程提取鋁鋰鎵。”
崔靜磊告訴記者，一般傳統的工藝需要180-240℃的高溫和0.3-0.5MPa，而他們只需要100-140℃的溫度和常壓，且酸和粉煤灰在溶解和反應的過程中，熱量實現了充分的利用，大大節約了能耗。“低溫常壓情況下，反應條件變溫和，設備材料變普通，投資減少了，工人操作也簡單了。”崔靜磊說。
團隊中負責產業化應用的薛芳斌教授說：“我們分別與中科院過程所和太原理工大學等科研院校合作，研發了鋰鎵富集的選擇性吸附材料、離子印跡材料以及離子液體萃取材料，有了這些技術支撐，就像‘撿豆子’一樣，可以把粉煤灰中的鋁、鋰、鎵分別分離，分別吸附，分別提取。”
他們首先在實驗室完成了全過程操作，去年10月，“常壓—自壓兩段酸浸工藝”在山西天一納米材料科技有限公司進行了技術驗證。
據測算，我國山西北部和內蒙古中西部高鋁煤約有500億噸，高鋁粉煤灰中的氧化鋁資源總量在50億噸以上，鋰和鎵資源量分別在2000萬噸、800萬噸以上；目前，積存的高鋁粉煤灰總量已經超過1億噸，而且每年還在以3000萬噸的幅度增長。如果採用常壓—自壓兩段酸浸工藝提取鋁鋰鎵工藝技術，10 萬噸/年粉煤灰處理裝置，可生產約6萬噸結晶氯化鋁、10萬噸聚合氯化鋁，聯產3噸金屬鎵、75噸電池級碳酸鋰，實現年銷售收入3億元以上。
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