劉成龍，梁浩，白小龍

(寧夏師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 固原 756000)

煤矸石是采煤過(guò)程和洗煤過(guò)程中排放的固體廢物[1]，其占用土地資源、污染周?chē)h(huán)境[2]，急需對(duì)煤矸石進(jìn)行資源化綜合利用。陶粒是一種多用途人工合成材料，密度小、質(zhì)量輕、保溫、阻燃、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高[3]。陶粒原料以黏土和頁(yè)巖為主，導(dǎo)致許多優(yōu)質(zhì)土地破壞和流失[4]，對(duì)自然資源造成不可逆的破壞[5]。以工業(yè)固體廢棄物替代黏土、頁(yè)巖生產(chǎn)陶粒[4，6-7]，保護(hù)了自然資源，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物資源化利用的目的[8-10]。

利用煤矸石制備新型緩釋陶粒，考察緩釋劑濃度、焙燒溫度和時(shí)間對(duì)產(chǎn)品中鐵的緩釋性能影響，確定焙燒方法，為煤矸石的高效資源化利用提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

煤矸石，取自固原市彭陽(yáng)縣王洼煤礦，化學(xué)成分見(jiàn)表1；無(wú)水乙醇、硫酸鐵銨、冰乙酸、氨水、無(wú)水乙酸鈉、磷酸二氫鉀、鹽酸、硫酸、抗壞血酸、鄰菲啰啉均為分析純。

DHG-9030A型臺(tái)式電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；SX2-18-12型箱式電阻爐；BRUKER D8型 X射線衍射儀；Zeiss Sigma 500型掃描電子顯微鏡；UV752型紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)；PE-150×250型顎式破碎機(jī)。

表1 煤矸石的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical components of coal gangue

注：LOI指燒失量。

1.2 陶粒制備

將煤矸石進(jìn)行機(jī)械活化，通過(guò)粉碎機(jī)破碎，研磨后過(guò)100目篩，干燥備用。按液固比15∶4加入30 g/L的磷酸二氫鉀溶液，混合、造粒，粒徑控制在3～7 mm之間，(290±10)℃干燥2 h，在800 ℃焙燒1 h，冷卻至室溫，得到陶粒產(chǎn)品。

1.3 陶粒中鐵的緩釋與測(cè)定

將陶粒置于250 mL廣口瓶中，加入200 mL蒸餾水，密封，提取。陶粒浸液采用鄰菲啰啉分光光度法[11]測(cè)量鐵離子含量，研究各因素對(duì)鐵離子緩釋效果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷酸二氫鉀溶液濃度對(duì)陶粒中鐵離子緩釋性能的影響

磷酸二氫鉀溶液按液固比15∶4與煤矸石粉末混合，造粒，干燥2 h，在800 ℃溫度下焙燒1 h。磷酸二氫鉀溶液濃度對(duì)陶粒中鐵離子緩釋性能的影響見(jiàn)圖1。

圖1 磷酸二氫鉀濃度對(duì)煤矸石陶粒中鐵離子緩釋性能的影響Fig.1 Effect of potassium dihydrogen phosphateconcentration on the sustained release properties ofiron ions in coal gangue ceramsite

由圖1可知，鐵離子含量隨著浸泡時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì)。在3～9 h時(shí)，鐵離子的釋放速率較低；9 h以后隨著液體充滿(mǎn)陶粒內(nèi)部空隙，以及其硬度發(fā)生一定程度的降低，使鐵離子釋放速率明顯提高，36 h后釋放速率變緩。磷酸二氫鉀濃度為30 g/L時(shí)，鐵離子緩釋性能較好，相同時(shí)間內(nèi)，鐵離子的緩釋量最高。

2.2 焙燒溫度對(duì)陶粒中鐵離子緩釋性能的影響

磷酸二氫鉀溶液濃度30 g/L，液固比15∶4與煤矸石粉末混合，造粒，干燥2 h，焙燒溫度對(duì)陶粒中鐵離子緩釋性能的影響見(jiàn)圖2。

圖2 焙燒溫度對(duì)煤矸石陶粒中鐵離子緩釋性能的影響Fig.2 Effect of calcination temperature on the sustainedrelease properties of iron ions in coal gangue ceramsite

由圖2可知，焙燒溫度800 ℃時(shí)，鐵離子的緩釋性能最好，釋放量最高。合理控制焙燒溫度，使陶粒緩慢陶化，焙燒的溫度過(guò)高或者過(guò)低，都不利于陶粒產(chǎn)品的空隙產(chǎn)生以及陶化層的形成，從而影響陶粒鐵離子緩釋性能。溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致陶化層過(guò)于致密，使其浸泡緩釋時(shí)間延長(zhǎng)和釋放速率降低；溫度過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致陶化層過(guò)薄甚至未形成陶化層，導(dǎo)致在浸泡的過(guò)程中鐵離子釋放速率過(guò)快，甚至陶粒產(chǎn)品泡爛掉。

2.3 焙燒時(shí)間對(duì)陶粒中鐵離子緩釋性能的影響

磷酸二氫鉀溶液濃度為30 g/L，液固比15∶4與煤矸石粉末混合，造粒，干燥2 h，于850 ℃溫度下焙燒，焙燒時(shí)間對(duì)陶粒中鐵離子緩釋性能的影響見(jiàn)圖3。

圖3 焙燒時(shí)間對(duì)煤矸石陶粒中鐵離子緩釋性能的影響Fig.3 Effect of roasting time on the sustained releaseproperties of iron ions in coal gangue ceramsite

由圖3可知，焙燒時(shí)間為100 min時(shí)，鐵離子的緩釋性能最好，同等條件下釋放量最高。陶粒產(chǎn)品在不同的焙燒時(shí)間下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷逐漸變化的過(guò)程，合適的焙燒時(shí)間能有效地提高煤矸石陶粒的鐵離子緩釋性能。

2.4 ICP-MS元素分析

為進(jìn)一步了解鉀肥添加劑磷酸二氫鉀具體的緩釋性能，特別對(duì)10，20，30，40，50 g/L的磷酸二氫鉀溶液所生產(chǎn)的煤矸石陶粒產(chǎn)品進(jìn)行了ICP-MS元素含量分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 新型煤矸石緩釋陶粒中各元素的含量Fig.4 Contents of various elements in the newtype of coal gangue slow release ceramsite

由圖4可知，在煤矸石中存在9種含量相對(duì)較高且植物生長(zhǎng)必需的元素，分別為Fe、K、Ca、P、Mn、Mg、Cu、Zn、B[11]。Fe是植物體葉綠素合成和呼吸作用的必需元素；K能促進(jìn)植物的光合作用以及體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成和運(yùn)輸；Ca能穩(wěn)定植物細(xì)胞壁，保持一些植物體內(nèi)重要酶的活性以及促進(jìn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；P能提高植物的抗寒性和抗旱性；Mn直接參與光和作用，酶的組分及調(diào)節(jié)酶的活性，促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)；Mg是葉綠素的構(gòu)成元素，許多酶的活性劑；Cu是植物體內(nèi)許多酶的活性劑和促進(jìn)花器官發(fā)育的重要元素；Zn參與光和作用，作為許多酶的成分參與生長(zhǎng)素和碳氮代謝作用；B參與細(xì)胞壁物質(zhì)的合成，促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)分裂和碳水化合物運(yùn)輸和代謝[12]。

3 結(jié)論

當(dāng)磷酸二氫鉀濃度為30 g/L、焙燒溫度為800 ℃、焙燒時(shí)間為100 min時(shí)，煤矸石緩釋陶粒的鐵離子緩釋性能最好。在此條件下，鐵離子能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的緩釋速率，并達(dá)到較高的緩釋含量。