高鋁粉煤灰脫硅反應(yīng)的研究

宋說(shuō)講，孔德順

（六盤(pán)水師范學(xué)院化學(xué)與化工系，貴州 六盤(pán)水 553004）

近年來(lái)，粉煤灰綜合利用方面取得了快速的發(fā)展，主要表現(xiàn)為大摻量利用和高附加值利用兩個(gè)方面。傳統(tǒng)上粉煤灰早已大量用于制備建筑材料，如粉煤灰制磚、燒制水泥、作為混凝土基本材料、切塊和板材及隔熱保溫材料等[1～2]。隨著國(guó)家政策的支持和鼓勵(lì)，高鋁粉煤灰提取氧化鋁和硅酸鈣等逐步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，粉煤灰提取微珠、生產(chǎn)耐火材料和保溫材料也形成一定的規(guī)模[3～5]。

隨著開(kāi)發(fā)利用的深入，粉煤灰精加工后實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的多樣化，如用于冶金的氧化鋁，用于造紙?zhí)盍系幕钚怨杷徕}，用于建筑和保溫材料的硅鈣板，用于制造水泥的硅鈣渣等。但是在精加工過(guò)程中，作為工業(yè)生產(chǎn)的原材料，高鋁粉煤灰仍需預(yù)處理提高鋁硅比率才能進(jìn)一步深化加工，而普通粉煤灰的脫硅研究仍需深入。

研究表明[6]，粉煤灰中玻璃體含有活性較高的硅和鋁的氧化物，通過(guò)堿處理能夠?qū)⒉糠只钚怨枞芙獬鰜?lái)，從而改變了粉煤灰的成分比例。由此，調(diào)整灰中鋁硅比率以利于實(shí)現(xiàn)鋁硅完全分離將成為深化加工的關(guān)鍵一步。本文就高鋁粉煤灰中SiO2在適當(dāng)?shù)臈l件下與一定濃度的苛堿溶液發(fā)生脫硅反應(yīng)進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及藥品

高鋁粉煤灰，取自某火電廠(chǎng)。

氫氧化鈉、鹽酸、EDTA、氨水（均為分析純）。

1.2 儀器

721 型可見(jiàn)光分光光度計(jì)，HH-S4 型數(shù)顯雙列四孔恒溫水浴鍋，D2010W 型電動(dòng)攪拌器，PCF 型高壓反應(yīng)釜。

1.3 脫硅反應(yīng)

取一定量的氫氧化鈉，配制成一定濃度的氫氧化鈉（以苛堿計(jì)Na2Ok）溶液，稱(chēng)取一定質(zhì)量的電廠(chǎng)高鋁粉煤灰加入氫氧化鈉溶液中，配成一定固含的漿液。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，進(jìn)行系列試驗(yàn)。其中溫度在100℃以下的，在水浴鍋中水浴加熱反應(yīng)，溫度在100℃以上的，在脫硅高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件的選擇

首先測(cè)定高鋁粉煤灰的成分如表1 所示。

表1 高鋁粉煤灰的主要成分Tab.1 Main Contents of High Aluminium Fly Ash

從表中可以看出，粉煤灰中SiO2含量為40.27%，Al2O3含量為48.24%，附水11.47%，Al/Si 為1.20。脫硅反應(yīng)的原理是基于一定條件下漿液中氫氧化鈉（為了方便后面計(jì)算都以苛堿[Na2Ok]計(jì)）與粉煤灰中活性二氧化硅的反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下：

根據(jù)方程式可以計(jì)算苛堿（Na2Ok）的需要量與SiO2是相近的，但在實(shí)際反應(yīng)中，除SiO2外的其他物質(zhì)還要消耗堿液，所以設(shè)計(jì)苛堿投料量高于SiO2的需要量。在液固反應(yīng)中，需要一定的液固比例配成一定固含的漿液（本文以固含表示粉煤灰漿液的濃度）。本實(shí)驗(yàn)中，最初設(shè)定粉煤灰在漿液中的固含為300g·L-1，1L 漿液中按SiO2完全反應(yīng)計(jì)算，需要苛堿的量為124.84g，因此在最初考慮單因素試驗(yàn)時(shí)苛堿濃度可以暫時(shí)定為150g·L-1，反應(yīng)溫度定為80℃，反應(yīng)時(shí)間定為2h，最后通過(guò)條件優(yōu)化，找到最佳的反應(yīng)條件。

2.2 不同濃度的Na2Ok溶液對(duì)脫硅反應(yīng)的影響

在上述實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，設(shè)計(jì)了不同濃度苛堿與高鋁粉煤灰反應(yīng)，反應(yīng)后測(cè)得溶出液中SiO2濃度來(lái)表示脫硅反應(yīng)的程度，結(jié)果如表2 所示。

表2 高鋁粉煤灰與不同濃度Na2Ok反應(yīng)的結(jié)果Tab.2 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide

從表2 可以看出，80℃時(shí)粉煤灰中的活性二氧化硅與苛堿溶液發(fā)生了脫硅反應(yīng)，隨著苛堿溶液濃度升高，粉煤灰中的二氧化硅繼續(xù)溶解，進(jìn)入溶液的二氧化硅濃度增大。這說(shuō)明苛堿濃度增大對(duì)溶解粉煤灰中的活性二氧化硅是有利的。在實(shí)際的試驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中，苛堿濃度太大，導(dǎo)致過(guò)濾分離困難，脫硅反應(yīng)后的粉煤灰中附堿需要大量的水洗，實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)上通常傾向于低濃度，因此一般選擇適合過(guò)濾和水洗效果較好的苛堿濃度為150g·L-1。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)脫硅反應(yīng)的影響

在上述實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，設(shè)計(jì)了不同溫度下一定濃度苛堿與高鋁粉煤灰反應(yīng)，反應(yīng)后測(cè)得溶液中SiO2含量，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同溫度粉煤灰與Na2Ok的脫硅反應(yīng)結(jié)果Tab.3 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide with Temperatures

從表3 可以看出，粉煤灰中的活性二氧化硅與苛堿進(jìn)行反應(yīng)，在120～140℃之間出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，即反應(yīng)溫度升高到某點(diǎn)時(shí)反應(yīng)達(dá)到了一個(gè)平衡點(diǎn)，經(jīng)過(guò)此點(diǎn)之后二氧化硅濃度下降，可以推測(cè)溶液中的二氧化硅可能發(fā)生了副反應(yīng)。由此可以選取脫硅反應(yīng)溫度為120℃。

2.4 反應(yīng)時(shí)間

在反應(yīng)溫度為120℃，其他條件不變的情況下，設(shè)計(jì)了不同時(shí)間苛堿與高鋁粉煤灰反應(yīng)，反應(yīng)后測(cè)得溶液中SiO2含量如表4 所示。

表4 不同時(shí)間粉煤灰與Na2Ok的脫硅反應(yīng)Tab.4 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide with different Time

從表4 可以看出，120℃時(shí)脫硅反應(yīng)時(shí)間很快達(dá)到了平衡，時(shí)間的延長(zhǎng)反而對(duì)脫硅不利?？梢钥闯龇勖夯抑蠸iO2與Na2Ok脫硅反應(yīng)在30min 就達(dá)到平衡狀態(tài)。結(jié)合反應(yīng)溫度條件可以看出，升高溫度，脫硅反應(yīng)速度加快，達(dá)到反應(yīng)平衡狀態(tài)時(shí)間縮短。試驗(yàn)反應(yīng)溫度設(shè)計(jì)在80℃、120min 時(shí)，脫硅反應(yīng)時(shí)間可能沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)，后續(xù)試驗(yàn)中再繼續(xù)探討，這里不做闡述。

2.5 漿液固含量

在反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為30min，苛堿濃度為150g·L-1條件下，設(shè)計(jì)了粉煤灰漿液不同固含量時(shí)苛堿與高鋁粉煤灰反應(yīng)，反應(yīng)后測(cè)得溶液中SiO2濃度如表5 所示。

表5 不同固含的粉煤灰漿液脫硅反應(yīng)Tab.5 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide with Solid contents

從表5 可以看出，粉煤灰漿液固含較低時(shí)，所得到的溶液二氧化硅濃度較低，隨著固含升高，脫硅溶液中二氧化硅濃度相應(yīng)升高。當(dāng)固含達(dá)到400g·L-1時(shí)，二氧化硅濃度發(fā)生了下降，這可能是由于漿液較濃稠，二氧化硅反而不一定能夠溶出。由此粉煤灰漿液固含確定在350g·L-1。

2.6 脫硅后粉煤灰的鋁硅比

對(duì)脫硅后粉煤灰（脫硅后固體殘留物）中主要成分氧化鋁和氧化硅含量進(jìn)行檢測(cè)，可以看出其鋁硅比的變化情況，結(jié)果如表6 所示。

表6 脫硅粉煤灰的鋁硅比Tab.6 Alumina Silica Ratio of Desiliconized Fly Ash

從表6 可以看出，經(jīng)過(guò)脫硅反應(yīng)后，脫硅粉煤灰的鋁硅比得到顯著提升，由1.20 升高到1.80 以上。

3 結(jié)論

（1）脫硅反應(yīng)會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，過(guò)平衡點(diǎn)后會(huì)發(fā)生對(duì)脫硅不利的反應(yīng)，從而導(dǎo)致脫硅效果下降。

（2）通過(guò)上述試驗(yàn)，可以得出高鋁粉煤灰堿法脫硅反應(yīng)的試驗(yàn)優(yōu)化條件為苛堿濃度150g·L-1，反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為30min，粉煤灰漿液固含為350g·L-1。

[1]黃衍初，曲長(zhǎng)菱.粉煤灰綜合利用研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1993(1)：23-26.

[2]賽漢胡爾，姚捷.粉煤灰的處理及綜合利用[J].內(nèi)蒙古環(huán)境保護(hù)，2004，16(4)：21-23.

[3]蘇雙青，馬鴻文，鄒丹，等.高鋁粉煤灰堿溶法制備氫氧化鋁的研究[J].巖石礦物學(xué)雜志，2011，11(6)：7-12.

[4]孫俊民，王秉軍，張占軍.高鋁粉煤灰資源化利用與循環(huán)經(jīng)濟(jì)[J].輕金屬，2012，10(10)：1-5.

[5]李會(huì)泉，李少鵬，李勇輝，等.一種利用高鋁粉煤灰生產(chǎn)莫來(lái)石和硅酸鈣的方法[P].CN 102583409A，2012-07-18.

[6]陳勝利，李炳炎，楊久俊，等.利用粉煤灰資源分離提取微珠技術(shù)與設(shè)備的研究及應(yīng)用[J].磚瓦產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，2004(1)：40-43.