高铝粉煤灰在碱溶过程中的结构演变及行为.pdf
高铝粉煤灰在碱溶过程中的结构演变及行为 ① 周秋生, 李龙腾, 彭志宏, 张永康, 李小斌, 刘桂华, 齐天贵 (中南大学 冶金与环境学院,湖南 长沙 410083) 摘 要 为了探究高铝粉煤灰在碱溶液中的反应规律,利用 XRD 和 SEM 等手段分析了山西某地高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液反应 前后的结构演变及行为。 研究结果表明高铝粉煤灰主要由莫来石、石英和玻璃态物质组成,其元素分布弥散。 在 120 ℃的氢氧化 钠溶液中,玻璃态物质能被较快分解,而莫来石与石英溶解缓慢,并生成铝酸钠与硅酸钠,二者进一步生成钠硅渣。 180 ℃下添加石 灰时,氢氧化钠溶液浓度不低于 30 g/ L 时才能有效分解莫来石与石英,形成铝雪硅钙石和铝酸钠。 关键词 粉煤灰; 结构演变; 反应行为; 碱溶液 中图分类号 TF803.23; X773文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.05.022 文章编号 0253-6099(2014)05-0089-04 Structure Evolution of High⁃aluminum Coal Fly Ash during Alkaline Treatment Process ZHOU Qiu⁃sheng, LI Long⁃teng, PENG Zhi⁃hong, ZHANG Yong⁃kang, LI Xiao⁃bin, LIU Gui⁃hua, QI Tian⁃gui (School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract In order to explore reaction rule of coal fly ash (CFA) in alkali solution, the structure evolvement and behavior of CFA from Shanxi Province before and after its reaction with sodium hydroxide solution were analyzed by X⁃ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The results showed that the compositions of CFA are predominantly mullite, quartz and vitreous phase matter, with elements dispersed. The vitreous phase matter can be easily decomposed in sodium hydroxide solution at a temperature of 120 ℃, while the mullite and quartz are dissolved slowly to form sodium silicate and sodium aluminate, which then turned to be sodalite. Furthermore, mullite and quartz can be decomposed with sodium hydroxide solution (ρ(Na2O)≥30 g/ L) by adding lime at a temperature of 180 ℃, resulting in products of aluminum tobermorite and sodium aluminate. Key words coal fly ash;structure evolution;reaction behavior;alkaline solution 我国山西、内蒙古等地堆存着大量高铝粉煤灰,既 占用土地,又污染环境[1],危害人体健康[2]。 国内外 主要是将粉煤灰用作生产普通建筑材料的原料[3-4], 然而高铝粉煤灰富含铝、硅等有价元素,若能经济高效 回收其中的氧化铝和二氧化硅,它又是一种非常重要 的含铝和含硅的二次资源。 针对高铝粉煤灰回收铝、 硅等有价元素,国内外已开展了大量工作,其处理方法 可归纳为酸法[5]、碱法[6]和酸碱联合法[7]三大类。 但 都存在一定的问题,尚无经济高效清洁综合回收粉煤 灰中有价元素的方法或技术。 碱法处理高铝粉煤灰主要包括烧结法[8]、预脱硅⁃ 碱石灰烧结法[9]和高压水化学法[10]等。 其中预脱硅⁃ 碱石灰烧结法是一种较有前景的方法,其原理是预先 用碱溶液浸出部分二氧化硅,浸出液用于制作白炭黑, 然后利用碱石灰烧结法从渣中提取氧化铝。 但该法的 问题是碱溶过程中二氧化硅提取率较低,无法实现粉 煤灰高效、经济、清洁提取氧化铝和二氧化硅。 本文从粉煤灰的结构及碱溶法处理粉煤灰的原理 入手,拟通过研究山西朔州某电厂高铝粉煤灰的微观 结构及其与碱溶液的反应行为,探究粉煤灰与碱溶液 反应过程中莫来石、石英和玻璃态物质等主要物相的 结构演变规律,试图为碱法高效清洁综合利用粉煤灰 提供新的思路。 1 实验原料及实验方法 1.1 实验原料 实验所用粉煤灰为山西朔州某电厂高铝粉煤灰,其 主要化学成分与物相分别见表 1 和图 1。 石灰采用分析 纯氢氧化钙在850 ℃下焙烧 2 h 制得,冷却后密封保存; 氢氧化钠溶液采用分析纯 NaOH 和去离子水配制而成。 ①收稿日期 2014-04-25 作者简介 周秋生(1972-),男,湖南涟源人,教授,博士,研究方向为湿法冶金。 第 34 卷第 5 期 2014 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №5 October 2014 表 1 高铝粉煤灰主要化学组成(质量分数) / % Al2O3SiO2Fe2O3TiO2 CaO 36.8044.883.681.253.6 图 1 高铝粉煤灰 XRD 图谱 1.2 实验方法 高铝粉煤灰与碱溶液的反应在以熔盐为加热介质 的 XYF-Φ446 自制钢弹型高压群釜(中南大学机械 厂)和以甘油为加热介质的 DY-8 自制低压群釜(中 南大学机械厂)中进行。 称取 10 g 高铝粉煤灰与一定 浓度的碱溶液混合,控制液固比为 10,在试验设定的 温度下反应预定时间后,对反应后浆液进行过滤,所得 滤饼用沸水洗涤 3 次。 滤液经稀释定容后,分别采用 容量法分析氧化铝浓度和硅钼蓝比色法分析二氧化硅 的浓度;洗涤后湿滤饼于 1005 ℃ 下烘干 24 h,干滤 饼经研磨后密封用于固相分析。 滤饼中以硅渣形式存 在的 SiO2采用酸溶硅法分析。 二氧化硅反应率是指 溶液中二氧化硅质量与赤泥中酸溶硅质量总和占原料 中二氧化硅的质量分数。 将高铝粉煤灰与导电树脂混合,在 XQ-2B 金相 镶嵌机(上海光相制样设备有限公司)上镶样、成型, 成型样品用 1 000 目金相砂纸抛光后保存以待 SEM 分 析。 采用 JSM-6360LV 扫描电镜(日本 JEOL 公司)分 析粉煤灰和粉煤灰抛光后的成型样品;利用 Rigaku TTR-Ⅲ型 X 射线衍射分析仪(日本株式会社理学电 子公司)分析粉煤灰与碱液反应残渣的物相组成。 2 试验结果与讨论 2.1 高铝粉煤灰的物相和结构 由图 1 可见,高铝粉煤灰的主要晶相为莫来石和 石英,且在 X 射线衍射图谱中,2θ 角为 15 ~35区域 出现了较宽大的“丘状”衍射峰,说明粉煤灰中还存在 玻璃态物质[11-12]。 为了从微观层面了解高铝粉煤灰的结构,利用扫 描电子显微镜观察其外部形貌和内部结构,结果如图 2 所示。 从图中可以看出,高铝粉煤灰外部呈大小不 一、不规则的圆球结构,部分为实心圆球,部分表面粗 糙且有孔洞。 粒径较大的粉煤灰颗粒表面粘附有细小 颗粒,粒径较小的粉煤灰颗粒间则存在明显的团聚现 象。 对比可知,高铝粉煤灰内部与外部结构并无明显 区别,粉煤灰内部有孔洞,整体十分致密,这与文献报 道结果相一致[13-15]。 图 2 山西某电厂高铝粉煤灰的 SEM 照片 (a) 外部形貌; (b) 内部形貌 利用 EDX 对高铝粉煤灰颗粒表面元素组成进行 测定,结果见表 2。 由表 2 可知,不同粒度和形状的粉 煤灰颗粒表面 A~E 的 5 个典型位置(见图 2)上 Al、O 和 Si 元素含量基本相当。 由此可见,高铝粉煤灰颗粒 元素分布较均匀,不同颗粒的主要元素含量相近。 表 2 高铝粉煤灰颗粒表面元素组成 位置 元素含量/ % AlOSi A28.6716.8043.70 B32.6313.6853.69 C28.0720.0651.67 D31.7717.4050.84 E31.6121.1247.27 为了进一步明确高铝粉煤灰各物相的嵌布状态, 对粉煤灰颗粒表面的 Al 和 Si 元素进行了面扫描分 析,结果如图 3 所示。 由图 3 可看出,Al 元素和 Si 元 图 3 高铝粉煤灰中 Al、Si 元素的分布 (a) 粉煤灰;(b) 铝元素分布;(c) 硅元素分布 09矿 冶 工 程第 34 卷 素分布弥散,几乎遍布所有区域,且 Al 和 Si 元素的分 布区域相同。 这表明粉煤灰中不存在富铝或富硅的颗 粒,莫来石和石英等物相的分布非常弥散。 由上述对高铝粉煤灰微观结构的研究表明,高铝粉 煤灰颗粒中主要组分大多相互嵌布和胶结,元素分布弥 散,采用普通的物理方法难以实现其中各物相的分离。 2.2 高铝粉煤灰与碱溶液反应过程中的结构演变 2.2.1 高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液的反应行为 有 文献报道[14],OH-能有效破坏高铝粉煤灰中致密的玻 璃体结构。 为了研究高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液反应 过程行为,在 120 ℃、液固比 10(mL/ g)、氢氧化钠溶 液(以 Na2O 浓度计,下同)155 g/ L 条件下,考察了高 铝粉煤灰与氢氧化钠溶液反应时氧化铝、二氧化硅浸 出率和反应率情况,结果如图 4 所示。 图 4 时间对 SiO2和 Al2O3溶出率的影响 从图 4 可知,随着反应时间延长,二氧化硅浸出率 先增加后减少,二氧化硅反应率逐渐增加,最后达到平 衡,而氧化铝的浸出率较低,小于 10%。 为了进一步明确高铝粉煤灰与碱溶液反应的物相 变化,取上述实验的反应残渣进行了物相与扫描电镜分 析,如图 5~6 所示。 对比图 1 和图 5 可知,图 5 物相中 15~35“丘状”衍射峰消失了,说明高铝粉煤灰中玻璃 态物质被分解了,随着高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液反应 时间延长,莫来石和石英相有所溶解,而反应后残渣物 相中的羟基方钠石(Na8Al6Si6O24(OH)2(H2O)2)增多。 对比图 2 与图 6 可知,高铝粉煤灰原灰颗粒较大,碱浸 实验后,颗粒逐渐变小,且表面覆盖很多微小颗粒,推测 为羟基方钠石。 由以上分析可知,高铝粉煤灰在氢氧化钠溶液中 反应时,莫来石和石英会缓慢溶解,而玻璃态物质则溶 解较快且完全,生成硅酸钠和铝酸钠,二者进一步反应 会生成细小羟基方钠石颗粒,导致已经溶出的硅又沉 淀下来,降低了硅的浸出率。 这些细小颗粒覆盖在未 反应颗粒表面,会阻止高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液的 进一步反应。 随着时间延长,反应趋于平衡。 因此在 碱溶液中,要实现高铝粉煤灰中的铝硅分离,关键是要 破坏莫来石与石英和阻止羟基方钠石的形成。 图 5 粉煤灰与氢氧化钠溶液反应后残渣的 XRD 图谱 (a) 溶出时间 30 min;(b) 溶出时间 120 min 图 6 粉煤灰反应后残渣的 SEM 图谱 2.2.2 添加石灰时,高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液的反 应行为 由上述实验分析知,在碱溶液中,从高铝粉煤 灰中实现铝硅分离的前提是分解粉煤灰中莫来石等主 要含铝含硅物相,且分解莫来石的过程中应避免形成 大量的钠硅渣。 莫来石性质稳定,只有在 150 ℃以上 才与碱溶液显著反应[16],且在碱浓度较高的溶液中, 氧化铝容易溶解并与二氧化硅形成羟基方钠石,因此 考虑借鉴高压水化学法,添加石灰以分解莫来石,使硅 形成硅钙化合物,铝进入溶液形成铝酸钠,从而达到铝 硅分离目的。 180 ℃,液固比 10,时间 2 h,CaO 与 SiO2 质量比为 1,碱浓度对莫来石分解的影响见表 3。 由表 3 可知,碱浓度对莫来石分解过程影响较大。 随着碱 浓度降低,氧化铝溶出率急剧降低,当体系中碱浓度为 0 时,氧化铝不溶出。 19第 5 期周秋生等 高铝粉煤灰在碱溶过程中的结构演变及行为 表 3 碱浓度对莫来石分解过程的影响 ρ(Na2O) / (gL -1 )Al2O3浸出率/ %SiO2浸出率/ % 3032.024.61 154.211.04 000 图 7 为 180 ℃,液固比 10,时间 2 h,CaO 与 SiO2 质量比为 1,高铝粉煤灰与不同浓度的氢氧化钠溶液 反应后残渣的 XRD 图谱。 由图 7 可见,碱浓度对粉煤 灰在溶液中物相转变影响较大。 当溶液中碱浓度低于 30 g/ L 时,高铝粉煤灰中莫来石与石英均变化较小, 只有部分玻璃态物质被分解形成硅钙化合物。 由此可 见,在高温水体系中,单独添加石灰溶出粉煤灰,并不 能分解莫来石形成铝雪硅钙石和铝酸钠;高铝粉煤灰 中的莫来石较难分解,需在一定浓度的氢氧化钠溶液 (ρ(Na2O)≥30 g/ L)中添加石灰才能生成铝雪硅钙石 和铝酸钠,实现铝硅分离。 图 7 粉煤灰与不同碱浓度的氢氧化钠溶液反应后残渣 的 XRD 图谱 (a) ρ(Na2O)= 30 g/ L; (b) ρ(Na2O)= 15 g/ L; (c) ρ(Na2O)= 0 g/ L 从高铝粉煤灰中提取氧化铝的前提是实现莫来石 和石英的分解,由上述实验结果来看,在 180 ℃左右的 碱液体系中添加少量石灰能有效分解高铝粉煤灰中的 莫来石与石英,在一定程度上可以实现高铝粉煤灰中 的铝硅分离。 但其中的二氧化硅会与石灰反应生成沉 淀,较难再利用,从资源综合利用的角度看,该方法还 需改进。 3 结 论 1) 高铝粉煤灰由莫来石、石英及玻璃态物质交织 而成,不存在独立的物相。 其结构致密,是颗粒呈大小 不一、不规则的圆球状结构。 各颗粒主要元素 Al、O、 Si 含量分布均匀。 普通物理方法难以实现物相分离。 2) 高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液反应时,玻璃态物 质较快分解,而莫来石和石英相溶解缓慢,在溶液中生 成硅酸钠和铝酸钠,二者进一步生成羟基方钠石。 且 反应时间越长,生成羟基方钠石反应加剧,会降低二氧 化硅的溶出率。 3) 在添加石灰的条件下,高铝粉煤灰在氢氧化钠 溶液浓度不低于 30 g/ L 时能有效分解莫来石、石英和 玻璃态物质,生成铝雪硅钙石和铝酸钠。 参考文献 [1] Siliva L F, Daboit K, Sampaio C H, et al. The occurrence of hazard⁃ ous volatile elements and nanoparticles in Bulgarian coal fly ashes and the effect on human health exposure[J]. Science of the Total Environ⁃ ment, 2012,416513-526. [2] Srivastava S, Chaudhary R, Khale D. Influence of pH, curing time and environmental stress on the immobilization of hazardous waste u⁃ sing activated fly ash[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008,153 (3)1103-1109. [3] Ahmaruzzaman M. A review on the utilization offly ash[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2010,36(3)327-363. [4] Cao Da⁃Zuo, Selic E, Herbell J D. Utilization of fly ash from coal⁃ fired power plants in China[J]. Journal of Zhejiang University(Sci⁃ ence A),2008,9(5)681-687. [5] Bai Guang⁃Hui, Qiao Yun⁃Hai, Shen Bo, et al. Thermal decomposi⁃ tion of coal fly ash by concentrated sulfuric acid and alumina extrac⁃ tion process based on it[J]. Fuel Processing Technology, 2011,92 (6)1213-1219. [6] 王占修, 张秀全, 丁建础. 粉煤灰提取氧化物研究进展[J]. 无机 盐工业, 2011,43(4)15-17. [7] 丁宏娅, 马鸿文, 高 飞, 等. 改良酸碱联合法利用高铝粉煤灰 制备氧化铝的实验研究[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2006,25 (4)348-352. [8] 杨石波, 王际东, 屈一新, 等. 烧结法提取高铝粉煤灰中氧化铝 的实验研究[J]. 无机盐工业, 2008,40(7)47-49. [9] Bai Guang⁃Hui, Teng Wei, Wang Xiang⁃Gang, et al. Alkali desilicat⁃ ed coal fly ash as substitute of bauxite in lime⁃soda sintering process for aluminum production[J]. Transactions of Nonferrous Metals Socie⁃ ty of China, 2010,20(Supplement 1)169-175. [10] 杨重愚. 氧化铝生产工艺学[M]. 北京冶金工业出版社,1993. [11] Gomes S, Francois M. Characterization of mullite in silico aluminous fly ash by XRD, TEM, and Si29MAS NMR[J]. Cement and Con⁃ crete Research, 2000,30175-181. [12] 姚志通, 夏枚生, 叶 瑛. 碳酸钠和氯化钠助剂对粉煤灰碱熔的 影响[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2011,42(5)1220- 1225. [13] Ma Bao⁃Guo, Qi Meng, Peng Jun, et al. The compositions, surface texture, absorption, and binding properties of fly ash in China[J]. Environ Int, 1999,25(4)423-432. [14] 张战军, 孙俊民, 姚 强,等. 从高铝粉煤灰中提取非晶态 SiO2 的实验研究[J]. 矿物学报, 2007,27(2)137-142. [15] Duchesne J, Duong L, Bostrom T, et al. Microstructure study of ear⁃ ly in situ reaction of fly ash geopolymer observed by environmental scanning electron microscopy (ESEM)[J]. Waste Biomass Valoriza⁃ tion, 2010(1)367-377. [16] 王 华, 张 强, 宋存义. 莫来石在粉煤灰碱性溶液中的反应行 为[J]. 粉煤灰综合利用, 2001(5)24-27. 29矿 冶 工 程第 34 卷