Question

17．我市某地的煤矸石经预处理后含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量钙镁的化合物等，一种综合利用工艺设计如下：

已知：

离子	开始沉淀pH	完全沉淀pH
Fe3+	2.1	3.2
Al3+	4.1	5.4

请回答下列问题：
（1）“酸浸”后得到的残渣中主要含有的物质是SiO₂．物质X的化学式为CO₂．
（2）“酸浸”时影响铝浸出率的因素可能有（写出两个）盐酸的浓度、反应温度．
（3）为了获得产品Al（OH）₃，从煤矸石的盐酸浸取液开始，若只用CaCO₃一种试剂，后续操作过程是加入CaCO₃调节溶液pH至3.2，过滤洗涤除去Fe（OH）₃后，再继续加入CaCO₃调节溶液pH到5.4，过滤洗涤得到Al（OH）₃．
（4）Al（OH）₃可添加到塑料中作阻燃剂的原因是Al（OH）₃分解时吸收大量热量且分解生成高熔点的Al₂O₃．
（5）以Al和MnO₂为电极，与NaCl和稀氨水电解质溶液组成一种新型电池，放电时MnO₂转化为MnO（OH）．该电池反应的化学方程式是Al+3MnO₂+3H₂O=3MnO（OH）+Al（OH）₃．
（6）预处理后的100t煤矸石经上述流程后，得到39t纯度为95%的氢氧化铝产品．则预处理后的100t煤矸石中铝元素的回收率为96.9%．

Answer 1

分析 含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量钙镁的化合物用盐酸酸浸发生的反应为：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；则过滤的溶液为氯化铁和氯化铝的溶液，加碳酸钙消耗溶液中的氢离子使三价铁离子、三价铝离子都水解生成氢氧化铁、氢氧化铝的沉淀，所以再加入氢氧化钠，只要氢氧化铝溶解反应为：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液为偏铝酸钠溶液再通入二氧化碳进一步反应又生成氢氧化铝；
（1）能和酸反应的物质有氧化铝和氧化铁，二氧化硅为残渣；X是碳酸钙和水解中的氢离子反应生成二氧化碳；
（2）酸浸”时铝浸出率的影响因素可能是酸的浓度、温度、反应物的接触面积、反应时间等都影响反应速率；
（3）由于Fe³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为2.1和3.2，而Al³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为4.1和5.4．所以为了得到纯净的Al（OH）₃，首先加入CaCO₃调节pH到3.2，得到Fe（OH）₃，将其过滤除去后；
（4）Al（OH）₃的分解反应是吸热反应且生成的氧化铝的熔点高；
（5）根据原电池原理，Al、MnO₂和H₂O发生氧化还原反应生成MnO（OH）和Al（OH）₃；
（6）煤矸石中铝元素的回收率=$\frac{产品中的铝元素质量}{煤矸石中铝元素的质量}$×100%．

解答 解：含SiO₂（63%）、Al₂O₃（25%）、Fe₂O₃（5%）及少量钙镁的化合物用盐酸酸浸发生的反应为：Al₂O₃+6H⁺═2Al³⁺+3H₂O；Fe₂O₃+6H⁺═2Fe³⁺+3H₂O；则过滤的溶液为氯化铁和氯化铝的溶液，加碳酸钙消耗溶液中的氢离子使三价铁离子、三价铝离子都水解生成氢氧化铁、氢氧化铝的沉淀，所以再加入氢氧化钠，只要氢氧化铝溶解反应为：Al（OH）₃+OH^-═AlO₂^-+2H₂O，所得溶液为偏铝酸钠溶液再通入二氧化碳进一步反应又生成氢氧化铝；
（1）能和酸反应的物质有氧化铝和氧化铁，二氧化硅不与酸反应，为残渣；X是碳酸钙和水解中的氢离子反应生成二氧化碳，
故答案为：SiO₂；CO₂；
（2）酸的浓度、温度、反应物接触面积、是否充分搅拌、反应时间等都影响反应速率，
故答案为：酸的浓度；温度；
（3）Fe³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为2.1和3.2，Al³⁺开始沉淀和沉淀完全的pH分别为4.1和5.4，要使铁离子完全沉淀而铝离子不沉淀，则溶液的PH应该为3.2，过滤氢氧化铝沉淀时调节溶液pH为5.4，以使氢氧化铝完全沉淀，
故答案为：加入CaCO₃调节pH到3.2，过滤除去Fe（OH）₃后，再加入CaCO₃调节pH到5.4，过滤得到Al（OH）₃；
（4）Al（OH）₃的分解反应是吸热反应且生成的氧化铝的熔点高，所以Al（OH）₃可添加到塑料中作阻燃剂，
故答案为：Al（OH）₃分解时吸收大量热量且分解生成高熔点的Al₂O₃；
（5）根据原电池原理，Al、MnO₂和H₂O发生氧化还原反应生成MnO（OH）和Al（OH）₃，方程式为Al+3MnO₂+3H₂O=3MnO（OH）+Al（OH）₃；
故答案为：Al+3MnO₂+3H₂O=3MnO（OH）+Al（OH）₃；
（6）煤矸石中铝元素的回收率=$\frac{产品中的铝元素质量}{煤矸石中铝元素的质量}$×100%=$\frac{39t×95%×\frac{27}{78}}{100t×25%×\frac{54}{102}}$×100%=96.9%；
故答案为：96.9%．

点评 本题以工艺流程为载体考查了溶解平衡原理、物质间的反应、除杂等知识点，这种题型是高考常考题型，综合性较强，涉及知识面较广，用教材基础知识采用知识迁移的方法分析解答，难度中等．