宋說講，孔德順

（六盤水師范學院化學與化工系，貴州 六盤水 553004）

近年來，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]。隨著國家政策的支持和鼓勵，高鋁粉煤灰提取氧化鋁和硅酸鈣等逐步產(chǎn)業(yè)化應用，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]。

隨著開發(fā)利用的深入，粉煤灰精加工后實現(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。但是在精加工過程中，作為工業(yè)生產(chǎn)的原材料，高鋁粉煤灰仍需預處理提高鋁硅比率才能進一步深化加工，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，通過堿處理能夠?qū)⒉糠只钚怨枞芙獬鰜恚瑥亩淖兞朔勖夯业某煞直壤?。由此，調(diào)整灰中鋁硅比率以利于實現(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?shù)臈l件下與一定濃度的苛堿溶液發(fā)生脫硅反應進行了研究。

1 實驗

1.1 原料及藥品

高鋁粉煤灰，取自某火電廠。

氫氧化鈉、鹽酸、EDTA、氨水（均為分析純）。

1.2 儀器

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

1.3 脫硅反應

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Na2Ok）溶液，稱取一定質(zhì)量的電廠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)實驗要求，進行系列試驗。其中溫度在100℃以下的，在水浴鍋中水浴加熱反應，溫度在100℃以上的，在脫硅高壓反應釜中進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應條件的選擇

首先測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（為了方便后面計算都以苛堿[Na2Ok]計）與粉煤灰中活性二氧化硅的反應，其反應方程式如下：

根據(jù)方程式可以計算苛堿（Na2Ok）的需要量與SiO2是相近的，但在實際反應中，除SiO2外的其他物質(zhì)還要消耗堿液，所以設(shè)計苛堿投料量高于SiO2的需要量。在液固反應中，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）。本實驗中，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完全反應計算，需要苛堿的量為124.84g，因此在最初考慮單因素試驗時苛堿濃度可以暫時定為150g·L-1，反應溫度定為80℃，反應時間定為2h，最后通過條件優(yōu)化，找到最佳的反應條件。

2.2 不同濃度的Na2Ok溶液對脫硅反應的影響

在上述實驗條件不變的情況下，設(shè)計了不同濃度苛堿與高鋁粉煤灰反應，反應后測得溶出液中SiO2濃度來表示脫硅反應的程度，結(jié)果如表2 所示。

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

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

2.3 反應溫度對脫硅反應的影響

在上述實驗條件不變的情況下，設(shè)計了不同溫度下一定濃度苛堿與高鋁粉煤灰反應，反應后測得溶液中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行反應，在120～140℃之間出現(xiàn)一個拐點，即反應溫度升高到某點時反應達到了一個平衡點，經(jīng)過此點之后二氧化硅濃度下降，可以推測溶液中的二氧化硅可能發(fā)生了副反應。由此可以選取脫硅反應溫度為120℃。

2.4 反應時間

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

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

從表4 可以看出，120℃時脫硅反應時間很快達到了平衡，時間的延長反而對脫硅不利?？梢钥闯龇勖夯抑蠸iO2與Na2Ok脫硅反應在30min 就達到平衡狀態(tài)。結(jié)合反應溫度條件可以看出，升高溫度，脫硅反應速度加快，達到反應平衡狀態(tài)時間縮短。試驗反應溫度設(shè)計在80℃、120min 時，脫硅反應時間可能沒有達到平衡狀態(tài)，后續(xù)試驗中再繼續(xù)探討，這里不做闡述。

2.5 漿液固含量

在反應溫度為120℃，反應時間為30min，苛堿濃度為150g·L-1條件下，設(shè)計了粉煤灰漿液不同固含量時苛堿與高鋁粉煤灰反應，反應后測得溶液中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，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升高。當固含達到400g·L-1時，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行檢測，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)過脫硅反應后，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）脫硅反應會達到一個平衡狀態(tài)，過平衡點后會發(fā)生對脫硅不利的反應，從而導致脫硅效果下降。

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

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[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，2004，16(4)：21-23.

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

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