宋说讲，孔德顺

（六盘水师范学院化学与化工系，贵州 六盘水 553004）

近年来，粉煤灰综合利用方面取得了快速的发展，主要表现为大掺量利用和高附加值利用两个方面。传统上粉煤灰早已大量用于制备建筑材料，如粉煤灰制砖、烧制水泥、作为混凝土基本材料、切块和板材及隔热保温材料等[1～2]。随着国家政策的支持和鼓励，高铝粉煤灰提取氧化铝和硅酸钙等逐步产业化应用，粉煤灰提取微珠、生产耐火材料和保温材料也形成一定的规模[3～5]。

随着开发利用的深入，粉煤灰精加工后实现了产品的多样化，如用于冶金的氧化铝，用于造纸填料的活性硅酸钙，用于建筑和保温材料的硅钙板，用于制造水泥的硅钙渣等。但是在精加工过程中，作为工业生产的原材料，高铝粉煤灰仍需预处理提高铝硅比率才能进一步深化加工，而普通粉煤灰的脱硅研究仍需深入。

研究表明[6]，粉煤灰中玻璃体含有活性较高的硅和铝的氧化物，通过碱处理能够将部分活性硅溶解出来，从而改变了粉煤灰的成分比例。由此，调整灰中铝硅比率以利于实现铝硅完全分离将成为深化加工的关键一步。本文就高铝粉煤灰中SiO2在适当的条件下与一定浓度的苛碱溶液发生脱硅反应进行了研究。

1 实验

1.1 原料及药品

高铝粉煤灰，取自某火电厂。

氢氧化钠、盐酸、EDTA、氨水（均为分析纯）。

1.2 仪器

721 型可见光分光光度计，HH-S4 型数显双列四孔恒温水浴锅，D2010W 型电动搅拌器，PCF 型高压反应釜。

1.3 脱硅反应

取一定量的氢氧化钠，配制成一定浓度的氢氧化钠（以苛碱计Na2Ok）溶液，称取一定质量的电厂高铝粉煤灰加入氢氧化钠溶液中，配成一定固含的浆液。根据实验要求，进行系列试验。其中温度在100℃以下的，在水浴锅中水浴加热反应，温度在100℃以上的，在脱硅高压反应釜中进行。

2 结果与讨论

2.1 反应条件的选择

首先测定高铝粉煤灰的成分如表1 所示。

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

从表中可以看出，粉煤灰中SiO2含量为40.27%，Al2O3含量为48.24%，附水11.47%，Al/Si 为1.20。脱硅反应的原理是基于一定条件下浆液中氢氧化钠（为了方便后面计算都以苛碱[Na2Ok]计）与粉煤灰中活性二氧化硅的反应，其反应方程式如下：

根据方程式可以计算苛碱（Na2Ok）的需要量与SiO2是相近的，但在实际反应中，除SiO2外的其他物质还要消耗碱液，所以设计苛碱投料量高于SiO2的需要量。在液固反应中，需要一定的液固比例配成一定固含的浆液（本文以固含表示粉煤灰浆液的浓度）。本实验中，最初设定粉煤灰在浆液中的固含为300g·L-1，1L 浆液中按SiO2完全反应计算，需要苛碱的量为124.84g，因此在最初考虑单因素试验时苛碱浓度可以暂时定为150g·L-1，反应温度定为80℃，反应时间定为2h，最后通过条件优化，找到最佳的反应条件。

2.2 不同浓度的Na2Ok溶液对脱硅反应的影响

在上述实验条件不变的情况下，设计了不同浓度苛碱与高铝粉煤灰反应，反应后测得溶出液中SiO2浓度来表示脱硅反应的程度，结果如表2 所示。

表2 高铝粉煤灰与不同浓度Na2Ok反应的结果Tab.2 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide

从表2 可以看出，80℃时粉煤灰中的活性二氧化硅与苛碱溶液发生了脱硅反应，随着苛碱溶液浓度升高，粉煤灰中的二氧化硅继续溶解，进入溶液的二氧化硅浓度增大。这说明苛碱浓度增大对溶解粉煤灰中的活性二氧化硅是有利的。在实际的试验和生产过程中，苛碱浓度太大，导致过滤分离困难，脱硅反应后的粉煤灰中附碱需要大量的水洗，实验室和生产上通常倾向于低浓度，因此一般选择适合过滤和水洗效果较好的苛碱浓度为150g·L-1。

2.3 反应温度对脱硅反应的影响

在上述实验条件不变的情况下，设计了不同温度下一定浓度苛碱与高铝粉煤灰反应，反应后测得溶液中SiO2含量，结果如表3 所示。

表3 不同温度粉煤灰与Na2Ok的脱硅反应结果Tab.3 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide with Temperatures

从表3 可以看出，粉煤灰中的活性二氧化硅与苛碱进行反应，在120～140℃之间出现一个拐点，即反应温度升高到某点时反应达到了一个平衡点，经过此点之后二氧化硅浓度下降，可以推测溶液中的二氧化硅可能发生了副反应。由此可以选取脱硅反应温度为120℃。

2.4 反应时间

在反应温度为120℃，其他条件不变的情况下，设计了不同时间苛碱与高铝粉煤灰反应，反应后测得溶液中SiO2含量如表4 所示。

表4 不同时间粉煤灰与Na2Ok的脱硅反应Tab.4 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide with different Time

从表4 可以看出，120℃时脱硅反应时间很快达到了平衡，时间的延长反而对脱硅不利。可以看出粉煤灰中SiO2与Na2Ok脱硅反应在30min 就达到平衡状态。结合反应温度条件可以看出，升高温度，脱硅反应速度加快，达到反应平衡状态时间缩短。试验反应温度设计在80℃、120min 时，脱硅反应时间可能没有达到平衡状态，后续试验中再继续探讨，这里不做阐述。

2.5 浆液固含量

在反应温度为120℃，反应时间为30min，苛碱浓度为150g·L-1条件下，设计了粉煤灰浆液不同固含量时苛碱与高铝粉煤灰反应，反应后测得溶液中SiO2浓度如表5 所示。

表5 不同固含的粉煤灰浆液脱硅反应Tab.5 Action of High Aluminium Fly Ash and Sodium Hydroxide with Solid contents

从表5 可以看出，粉煤灰浆液固含较低时，所得到的溶液二氧化硅浓度较低，随着固含升高，脱硅溶液中二氧化硅浓度相应升高。当固含达到400g·L-1时，二氧化硅浓度发生了下降，这可能是由于浆液较浓稠，二氧化硅反而不一定能够溶出。由此粉煤灰浆液固含确定在350g·L-1。

2.6 脱硅后粉煤灰的铝硅比

对脱硅后粉煤灰（脱硅后固体残留物）中主要成分氧化铝和氧化硅含量进行检测，可以看出其铝硅比的变化情况，结果如表6 所示。

表6 脱硅粉煤灰的铝硅比Tab.6 Alumina Silica Ratio of Desiliconized Fly Ash

从表6 可以看出，经过脱硅反应后，脱硅粉煤灰的铝硅比得到显著提升，由1.20 升高到1.80 以上。

3 结论

（1）脱硅反应会达到一个平衡状态，过平衡点后会发生对脱硅不利的反应，从而导致脱硅效果下降。

（2）通过上述试验，可以得出高铝粉煤灰碱法脱硅反应的试验优化条件为苛碱浓度150g·L-1，反应温度为120℃，反应时间为30min，粉煤灰浆液固含为350g·L-1。

[1]黄衍初，曲长菱.粉煤灰综合利用研究进展[J].环境科学进展，1993(1)：23-26.

[2]赛汉胡尔，姚捷.粉煤灰的处理及综合利用[J].内蒙古环境保护，2004，16(4)：21-23.

[3]苏双青，马鸿文，邹丹，等.高铝粉煤灰碱溶法制备氢氧化铝的研究[J].岩石矿物学杂志，2011，11(6)：7-12.

[4]孙俊民，王秉军，张占军.高铝粉煤灰资源化利用与循环经济[J].轻金属，2012，10(10)：1-5.

[5]李会泉，李少鹏，李勇辉，等.一种利用高铝粉煤灰生产莫来石和硅酸钙的方法[P].CN 102583409A，2012-07-18.

[6]陈胜利，李炳炎，杨久俊，等.利用粉煤灰资源分离提取微珠技术与设备的研究及应用[J].砖瓦产品开发，2004(1)：40-43.