粉煤灰高附加值利用的研究现状.pdf

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粉煤灰高附加值利用的研究现状1 粉煤灰高附加值利用的研究现状2 粉煤灰高附加值利用的研究现状3 粉煤灰高附加值利用的研究现状4 粉煤灰高附加值利用的研究现状5
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第9卷第3期2015年9月材料研究与应用MATERIALSRLESEARCHANDAPPLICATIoNV01.9,No.3Sept.2015——文章编号:16739981(2015)03-015804粉煤灰高附加值利用的研究现状木尹月1,马北越墩,张战2,于凯11.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110819;2.武汉科技大学材料与冶金学院.湖北武汉430081摘要:综述了粉煤灰在处理污水、废气,提取氧化物和稀有金属以及制备陶瓷材料和沸石分子筛等方面的高附加值利用研究现状。并指出了对其进一步利用的研究发展方向.关键词:粉煤灰;高附加值利用;研究现状中图分类号:TQl70.9文献标识码:A火力发电厂的粉煤灰是指由静电除尘器从燃煤电厂锅炉烟气中回收的细灰(约占70%~85%)和炉底收集的灰渣(约占15%~30%)组成的一种工业固体废弃物.它是原煤送人发电厂后经磨碎后与提前预热好的空气同时喷人燃煤锅炉燃烧,部分未燃烧的矿物质随烟气排放之前被除尘器收集下来的粉体.粉煤灰的形成过程主要为:原煤一多孔碳粒一多”孔性玻璃体一玻璃珠【.截止到2007年。我国已探明的煤炭储量约为11804.45亿吨.基于我国丰富的煤炭资源,采用燃烧煤炭发电仍是供电主体。排放的粉煤灰将会随发电量的增加而增加.预计到2020年,我国粉煤灰的累积储量会超过30亿吨【2】.粉煤灰的贮存会造成土地资源的浪费,露天堆放时,在有风的天气会导致严重的粉尘污染。在雨天会侵蚀和污染土壤,随雨水流走的灰浆不仅会污染江海湖泊、阻塞河道的畅通,而且会使水体富营养化、破坏生态平衡【3】.目前。粉煤灰在美国和H本的利用率高达80%.而国内仅为40%.在环境保护和能源危机的压力下。我国对粉煤灰的利用已从低技术含量的初级利用(如:填埋、筑路、建材和农业等)向绿色环保的高附加值利用(如:处理污水和废气、提取化工原料、合成陶瓷材料)转变.本文综述了粉煤灰的高值化利用现状,并指出了其未来发展的方向.1粉煤灰的高附加值利用目前。粉煤灰的高附加值利用主要集中在处理污水、废气,提取氧化铝、氧化硅及稀有金属,合成陶瓷材料和沸石分子筛等方面.1.1处理污水和废气由于粉煤灰具有海绵状结构、孔隙率高、比表面积大等特点,决定了其吸附方式为物理吸附.它具有很强的吸附能力.可吸附废水中的耗氧物质及悬浮物质,降低废水的色度【4】.粉煤灰中的活性基团(氧化钙、氧化镁、未燃尽的碳粒、SiO:和A1:0,等)使其还具有化学吸附能力.低钙粉煤灰中的活性基团与废水中的磷、氟反应。通过凝聚和吸附作用使废水净化:高钙粉煤灰中的钙离子与废水中的磷酸根离子反应生成磷酸钙沉淀,起到净化废水的作用.另外。粉煤灰的高碱度使其表面在处理废水时带负电荷,通过沉淀或静电吸附去除废水中带正电荷的重金属离子[51.粉煤灰在处理废气时主要依靠其高碱度和未燃——收稿日期:20150702}基金项目:武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室开放基金资助(FMRU2014011第一作者:尹月(1991一),男,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生※通讯作者:马北越(1978一),男,辽宁沈阳人,博士,副教授,硕士生导师.万方数据第9卷第3期尹月.等:粉煤灰高附加值利用的研究现状159尽的碳粒.粉煤灰中含有氧化钙、氧化镁等碱性物质.可与烟气中硫的氧化物和氮的氧化物发生中和反应净化烟气.当粉煤灰与Ca(OH):混合后净化SO:的效果更好[61,这是由于Ca(OH):与粉煤灰中的活性物质硅反应生成了比表面积大、含水量高的水合硅酸钙,SO:溶于水可生成CaS03与CaS04.目前,利用粉煤灰开发的脱硫工艺有粉煤灰干式脱硫、喷雾干燥脱硫和增湿活化脱硫.粉煤灰中的未燃尽的碳粒可作为废气处理的吸附剂,吸附烟气中的固体颗粒和脱硫除氮.因较活性炭成本低.可作为活性炭吸附氮氧化物的前驱体.碳粒活化后可去除汞蒸气和有机物等有害物质171.1.2提取氧化铝、氧化硅和稀有金属粉煤灰中丰富的铝资源是提取铝的途径之一.粉煤灰中的氧化铝和氧化硅主要以莫来石和石英的—形式存在.AlSi键结合很牢固,使粉煤灰活性很低.是提取铝和硅的技术难点【8】.从粉煤灰中提取铝和硅实际上是使莫来石中的Al进入溶液,Si进入渣,实现Al和si的分离,然后再分别从溶液和渣中提取Al和Si.石灰石烧结法提取氧化铝是把石灰石和粉煤灰一起煅烧,生成12CaO・7A1203和2CaO・SiO:,铝酸钙以偏铝酸钠(NaAl02)溶出,实现硅铝分离.反应方程式为[91:7(3A1203"Si02)+64CaO一3(12CaO・7A1203)+14(2Ca0・Si02)12CaO・7A1203+12Na2C03+33H20=一14NaA岣}聃12CaC03+10NaOH此外,也可将粉煤灰中的硅以硅胶的形式提取,以进一步制备白炭黑(Si02.nil20).先将粉煤灰粉碎至粒度小于120目(125仙m),再按如下步骤制备白炭黑【10】:将粉碎后的粉煤灰与纯碱按质量比1:50混合℃均匀。在1400~1500下保温1h,再在高于100oC—下水萃浸溶45h,经过滤除杂和浓缩等工序,制得硅酸钠.将制得的硅酸钠配成水玻璃溶液(模数为——℃2.43.6,Si02含量为4%~10%),然后在2832,5%~20%的硫酸中酸浸8~16℃h。再升温至80.搅—拌,调节溶液pH为57,熟化20min,经过滤、洗涤、干燥和分选,即可制得白炭黑.采用这种方法制备的白炭黑活性和纯度高。有较好的应用前景.粉煤灰中还含有少量的镓和锗、碳和铁等.镓主要存在于粉煤灰非晶质或Si02一A1203玻璃体内.由于镓、锗的需求量大且来源受限,从粉煤灰中提取镓、锗是一条获取镓、锗的途径,我国提取镓的方法有酸浸法、碳酸化处理法和氧化还原法.采用氧化还原法从粉煤灰中提取锗.是将粉煤灰预处理后,锗以GeO:的形式存在,经CO还原,再经化学处理即得到锗inl.粉煤灰中的铁主要是以Fe20,的形式存在,其质量分数为1.5%~15.4%.当粉煤灰中的含铁量大于7%时可采用磁选法回收铁。但所回收的铁中含有大量的S等有害元素,后续利用处理较困难.粉煤灰中未燃尽的碳粒可采用电选法和浮选法回收1121.1。3制备陶瓷材料粉煤灰中的主要组分是A1:0,和SiO:,非常适合Ⅷ制备莫来石和塞隆等陶瓷材料【1.1.3.1制备莫来石和莫来石一氧化锆复合材料莫来石(3A1203"2SiO:,A16si20。,)具有熔点高、热膨胀系数低且耐侵蚀性能优异【141.广泛应用于冶金、化工和环保等领域.利用带有一定活性的含硅、铝的原料在合适的反应条件下热处理,均可合成莫来石,制备出致密莫来石陶瓷㈣和多孔莫来石陶瓷【161,还可以合成莫来石晶须材料【171.近年来。为降低莫来石的制备成本,材料工作者致力于利用粉煤灰、铝渣等工业废弃物制备莫来石及其复合材料。变废为宝.以粉煤灰和锆英石为原℃料。在1500和1600烧结4h制备莫来石一氧化锆材料.由锆英石转化而成的ZrO:相(其平均粒径约为5~10¨m)可均匀地分布于莫来石基质中,改善了莫来石的整体性能【14】.以粉煤灰和工业铝矾土为原℃料,在1600烧结4h可制备出高强度(断裂强度为186.19MPa)和高致密度(相对密度为93.94%)的莫来石陶瓷【151.以粉煤灰和NH4Al(S04)2・12H20为原℃料,NaHEPO。・2H20为添加剂,在1300烧结10h—可制备出直径为0.61.8斗m、长径比大于30的莫来石晶须【堋.1.3.2制备塞隆和塞隆一氮化锆复合材料塞隆(SIMON)是由A1或AI+M(M为Mg或Li等金属)及以0原子部分置换SLN。中的Si和N原子而形成的一大类固溶体的总称,分为届一SiAION‰’(Si妇AlzOzN,0<z<4.2),0一SiAION(SihAlpl+小h,“≤0<x<0.3)和ot-SiAION(M,Sil2如l~O。N1钿,0<x2)’三种类型【13191.为降低成本和环保,可使用粉煤灰、冶金炉渣、煤矸石及稻壳等工业固态废弃物来合成塞隆刚.根据粉煤灰的成分组成特点.研究者们多用其万方数据160材料研究与应用2015合成卢一SiAION粉和晶须,以达到粉煤灰的增值利用、降低塞隆的制备成本和保护环境的目的.以粉煤灰为原料,碳黑、活性炭或石墨粉为还原—℃剂,在流动的N2气氛下,在13501550下反应6~20h,即可合成卢一SiAlON粉【蚴捌.改变反应温度和炭量,粉煤灰中的主要物相(A16Si20。3和SiO:)会生’—成0一SIMON和XSIMON等中间相,最终形成卢一‘SiAION.可能涉及到的化学反应为式(1)一(5)19,231:0.17A16Si2013(s)+10.64Si02(s)+16.47C(s)+5.49NE(g)一6Si,.8业10・70117N1.s3(s)+16.47CO(g)A16Si2013(s)+Si02(s)+3C(s)+N2(g)一Si3A16012N2(s)+3CO(g)Sil.出k1701.17N1.韶(s)+O.83A1203(s)+1.83C(s)+0.61N2(g)=0.61Si3A1303Ns(s)+1.83CO(曲SiAl6012N2(s)+3Si02(s)+12C(s)+4N2(g)=2Si3A1303N5(s)+12CO(g)AloSi2013(s)+4Si02(s)+15C(s)+5N2(g)=2Si业1303N5(s)+15CO(g)产物的物相检测和反应体系的热力学分析结果2ZrO:(s)+2ZrN(s)+N2(g)=4ZrON(s)表明【191,当加入较少的C且在较低的温度下进行还原反应时,莫来石相易与SiO:,C和N:发生反应生’—成0一SIMON(式1)和XSiAION(式2),但在高温下继续反应,最终会形成届一SiAION(式3和式4)相;当加入大量的C且直接在高温下热处理时。莫来石相可直接与Si02,C和N:发生反应形成届一SIMON相(式5).以粉煤灰和石墨粉为原料,在1420oC下还原氮化反应不同时间(0.5,1,2,4,6和8—h),可制备出JBSIMON晶须[231.当反应时间由6h延长至8h时.材料形貌由须状向棒状转化.口一SIMON晶须的形成,遵循气一液一固机理,在合成过程中,形成的中间产’—物除0一SIMON和XSIMON外。还有气相SiO(式6),气相SiO与莫来石、C和N:反应形成卢一SIMON晶须(式7).Si02(1)+C(s)一SiO(曲+CO(曲(6)A16Si2013(s)+4SiO(g)+l1C(s)+5N2(g)=一2SiAl303Ns(s)+l1CO(g)(7)以粉煤灰、活性炭和锆英石为原料,在流动的℃—N:气氛下加热至1550还原反应615h,可以制备出塞隆一氮化锆复合粉幽.在1550cC下保温15h后,合成的复合粉中届一SIMON的平均粒径约为2斗m,ZrN(ZrON)的平均粒径约为1p,m;其合成过程包括粉煤灰和锆英石中的Al:O,和SiO:组分氮化反应合成口一SiAION(z=2)(式8)和ZrO:组分转化生成ZrN和Z向N的过程(式9~式11).2ZrSi04(s)+A16SizO,3(s)+4SiOz(s)+22C(s)十“7N2(g)-----2ZrN(s)+2Si4A1202Ns)+A1203(s)+22CO(曲(8)2ZrOz(s)+2C(s)+Nz(g)=2ZrON(s)+2CO(g)(9)ZrSi04(s)+C(s)+Nz(g)一ZrON(s)+SiO(g)+9CO(g)(10)1.4制备沸石分子筛(1)(2)(3)(4)(5)(11)利用粉煤灰和沸石成分相近的特性[zsl,可使用粉煤灰合成高附加值的沸石,克服采用AI(OH),合成沸石成本高,工艺复杂的缺点.目前,利用水热合成法和碱熔融法,可制备A,4A,13X,X和NaA(Y)珏13沸石分子筛,合成的沸石分子筛具有造价低、原料来源充足和性能优良的优点.利用高A1:0,含量的粉煤灰合成的沸石分子筛的离子交换能力强,过滤效率高.∞吴连凤等人利用粉煤灰合成13X沸石分子筛的方法是:首先对粉煤灰进行磁选除铁和酸浸除杂,即先将粉煤灰与3mol/L的盐酸按质量比1:3混合。℃在65下反应5h后.样品中Si/Al的质量比为2.91,w(Fe203)=2.07%,w(CaO)=2.03%,再以除杂后的粉煤灰为原料,采用碱熔融一水热法合成出13X沸石分子筛.除杂后的粉煤灰与NaOH按质量比1:1.7℃进行配料,在600的碱熔温度下焙烧2h,将熟料研磨成粉末后,加水搅拌并进行陈化,在陈化阶段加入20%(质量分数)的导向剂和1.5%(质量分数)的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),搅拌均匀陈化6h℃后,将其转移至高压釜中,于100晶化20h后取出,经过滤、干燥等处理后,即得13X型沸石分子筛.吴连凤等人还对合成的13X型沸石分子筛进行了水吸附和CO:吸附实验,通过对产品的高温一真空活化,得到其最佳水吸附量为35.93%,最佳CO:吸附量为14.08%.宫振宇等人嘲以粉煤灰为原料,采用碱熔融一水热法合成出A型沸石分子筛,研究了碱熔融温度、灰碱质量比(粉煤灰与NaOH)、水热晶化温度和晶化时间等对产物性能的影响.实验结果表明,在碱熔融温度600oC,灰碱比1:2,晶化温度90℃。晶化时间24h的工艺条件下制备的A型分子筛的晶型较好且比表面积大.万方数据第9卷第3期尹月,等:粉煤灰高附加值利用的研究现状1612结束语将粉煤灰进行简单填埋、用于建筑和道路工程是对其有价组分的浪费,开展对其生态化综合利用,是重要的发展方向.从对粉煤灰的高附加值利用和环境保护的角度出发.今后的研究工作的重点是:(1)绿色增值产品开发,将粉煤灰改性后用于批量处理废水或制成沸石分子筛以净化废气;(2)强化对粉煤灰中的有价组分尤其是对稀有金属的规模化提取;(3)结合莫来石、塞隆等陶瓷材料在冶金、化工和环保等领域的应用特点,开展粉煤灰规模化制备高性能陶瓷材料的研究工作.我国粉煤灰的堆积量巨大.属大宗固态废弃物。对其进行规模化高附加值利用的研究工作任重而道远.参考文献:【1]张强,梁杰,石玉桥,等.粉煤灰综合利用现状叨.广州化工,2013,41(14):6-8.[2】袁春华.粉煤灰的特性及多种元素提取方法研究叨.广东化工,2009,36(1—1):101103.[3】李乃霞,韩飞.粉煤灰的应用研究进展[J】.广东化工,2009,41(5):101-102.【4】宋子言,刘秉钺,王井,等.利用粉煤灰处理污水的研究和进展【J].辽宁化工,2007,36(5):343-346.【5】花蓉,周笑绿,谭小文,等.粉煤灰基固体材料在废水处理—领域的应用叨.粉煤灰综合利用,2010(2):5456.【6】张浩,许荣华.粉煤灰资源化利用现状及其展望[J】.山西—能源与节能。2008(2):2123.[7】施云芬,陈媛,徐云菲.粉煤灰在烟气处理中的研究进展—叨.硅酸盐通报,2014,33(12):32253229,3244.[8】佟志芳,邹燕飞,李英杰.从粉煤灰提取铝铁新工艺研究阴.轻金属,2009(1):13=16.[9】郎吉清.粉煤灰提取氧化铝的研究进展【J】.辽宁化工,—2010,39(5):509510,513.【10】陈伟雄.我国白炭黑生产概况田.化工科技市场,2005(6):—4546.[1l】吉涛,方莹,李镇,等.粉煤灰精细化利用现状及前景【J】.—混凝土,2012(1):7677,80.【12】盛昌栋,张军.粉煤灰中残碳的特性和利用【J】.粉煤灰综合利用,2005(1):3-5.[13]卢忠鑫,蒋茂明,马北越,等.粉煤灰合成陶瓷材料的研究进展[J】.稀有金属与硬质合金,2012,40(1):41-43.【14】MABY,LIY,CUISG,eta1.Preparationandsinteringpropertiesofzireonia-mullite-corundumcompositesusingflyashandzircoll[J】.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2010,20(12):2331-2335.[15】DONGYC,FENGXY,FENGXF,eta1.Preparationof——lowcostmulliteceramicsfromnaturalbauxiteandindus.-trialwasteflyash叨.JournalofAlloysandCompounds,2008,460(1-2):599-606.【16】杨铎,杜海燕,李世慧,等.粉煤灰制多孔莫来石陶瓷的结构与性能[J】.稀有金属材料与工程,2011,40(增刊1)-25-28.[17】PARKYM,YANGTY,YOONSY,eta1.Mullitewhiskersderivedfromcoalflyash【J】.MaterialsScienceandEngineeringA,2007,454-455:518-522.[18】MABY,LIB,DINGYS,eta1.Areviewonpreparationofnon-oxidesmaterialsfromflyash【J】.AdvancedMateri-als—Research,2012,531:280283.[19】MABY,LIY,YANC,eta1.Effectsofsynthesistempera-tureandrawmaterialscompositiononpreparationof口一SIMONbasedcompositesfromflyash【J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2012,22(1):129-133.[201郝洪顺,徐利华,翟玮,等.硅铝系固体废弃物合成SIMON材料的研究进展叨.无机材料学报,2010,25(11):1121一1127.【21】鲁晓勇,张德,蔡水洲.粉煤灰合成SIMON粉体研究[J].—耐火材料,2005,39(4):259262,265.[22】马啸尘,尹洪峰,张军战,等.粉煤灰的化学组成对其碳热还原氮化产物相组成和显微结构的影响阴.耐火材料,2008,42(2):117-119.【23]ZHAOH,WANGPY,YuJL,eta1.AmechanisticstudyonthesynthesisofB-SiMONwhiskersfromcoalflyash[J].MaterialsResearch—Bulletin,2015,65:4752.[24】MABY,SUNMG,DINGYS,eta1.Fabricationof卢一SiAl0N/ZrN/ZmNcompositesusingflyashandzireonO].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2013,23(9):2638-2643.[25]张雪峰,郭俊温,贾晓林,等.粉煤灰沸石合成研究新进展阴.硅酸盐通报,2011,30(1):120-124.【26】吴连凤.粉煤灰制备分子筛及性能研究【D】.沈阳:东北大学.2013.【27】宫振宇,王明华,王凤栾,等.用粉煤灰在不同条件下合—成A型分子筛叨.材料与冶金学报,2012,11(2):111115.(下转第171页)万方数据第9卷第3期刘华夏.等:废弃PET的醇解及其不饱和聚酯树脂的制备与表征171polyesterificationwithrecycledPETaSrawmaterialsandtheeffectsofglycolysisconditionsonpropertiesoftheunsaturatedpobresterresinWaSdiscussedinthispaper.Theresultsshowedthattheoptimalglycolysisis1,2一propanediolasglycolysis.zincacetateasacatalyst(inanamountoflwt.%PETpolyester),glycolysistemperatureof190oCandglycolysistimeis3.5hunderanatmosphereofnitrogen,atwhichthemolecularweightoftheglycolysisproductsdistributedfrom3000~5000.Meanwhile,anunsaturatedpolyesterresinwithacidvaluebelow30mgKOH/gWaSobtainedbycondensationpolymerizationoftheglycolysisproductswithmaleicanhydrideatthetemperatureof—190200oCandreactiontimel.5hundertheatmosphereofnitrogen.Thecomprehensivepropertiesoftheresultedunsaturatedpolyesterresin,suchasviscosity,acidvalue,solidcontentandstability,canmeettherequirementspracticalapplication.≈№!奢!奢!爷!爷!奢!奢!奢!!哥!每!奢!奢!奢!昂!奢!名、!写、!;乱!牙、!畚!糸!糸!;氰!;乱!甜甜甜磊吧磊世献尕石茄吧名吧石也磊也写也才也矗吧写也石世名也石峙石\!分(上接第161页)YINYuel,MABeiyuel,ZHANGZhan2,YUKail1.SchoolofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUn&ersity,Shenyang110819,China,"2.SchoolofMaterialsandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,ChinaAbstract:Inthispaper,theresearchsituationofhighvalueutilizationofcoalashintreatmentsofwastewaterandgases,extractionofoxidesandraremetalsaswellaspreparationofceramicmaterialsarereviewed,andtheresearchdevelopmentdirectionsontheutilizationofcoalasharealsoproposed.Keywords:coalash;highvalueutilization;researchsituation万方数据
清华君
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