用粉煤灰制取白炭黑的工藝現狀

徐本軍，符秀鋒，陳 坤

（貴州大學 材料科學與冶金工程學院，貴州 貴陽 550003）

粉煤灰是煤燃燒后的固體排放物，每燃燒1t煤能產生250～300kg粉煤灰和20～30kg爐渣［1］。粉煤灰中含有大量二氧化硅（SiO2）和三氧化二鋁（Al2O3），兩者總量一般在60%以上［2］。粉煤灰的綜合利用主要是提取其中的鋁和硅化物，或制取白炭黑。

以粉煤灰為原料制取白炭黑主要有氣相法、沉淀法、浸出法、熔出法、煅燒法等。近些年來，這些方法都得到了廣泛研究，一些方法還得到工業應用。本文總結了這些方法的優缺點，提出影響各方法產品質量及進一步開發利用的制約因素，探討利用粉煤灰制備白炭黑應注意的問題及研究方向。

1 氣相法

氣相法主要是通過一定反應將粉煤灰中的硅以氣體形式揮發出來，然后利用特定溶液進行水解制取白炭黑。

徐潔明等［3］研究了粉煤灰與氟化鈣等的反應，以氣相法制備白炭黑。其原理是先對粉煤灰進行焙燒，焙燒物與氟化鈣和濃硫酸在加熱條件下進行反應，生成的SiF4氣體在乙醇溶液中水解，最后將水解沉淀物烘干即得白炭黑產品。反應式如下：

用乙醇溶液作水解液，通過酸解和水解制備白炭黑，方法簡潔，有利于提高生產效率、節約成本。但如何更好地控制酸解及水解速率，并且提高液體對氣體的吸收率需要進一步研究。

倪良等［4］將濃硫酸滴入經油浴加熱至150℃的白炭黑粗產品和氟化鈣混合物中使形成SiF4氣體，并將氣體導入由氨水和分散劑組成的溶液中進行水解制備硅酸銨和氟硅酸銨，然后加入濃氨水使白炭黑析出，再經洗滌、干燥、灼燒等制備白炭黑。

與前一種氣相法相比，該法的不同之處只是所用水解液成分不同。本法先用氨水和分散劑組成的溶液將SiF4氣體轉變為硅酸銨和氟硅酸銨，然后再在濃氨水作用下析出白炭黑，過程較前者稍繁瑣，而且更容易引入雜質，成本也相對高一些。

王鈞等［5］研究了將反應產生的SiF4氣體先與水蒸氣結合，然后再進行水解制備白炭黑。反應式如下：

本法制備的白炭黑質量上不如前2種方法，但流程短，所需試劑只有硫酸和氟化鈣，若加以改進，對于降低氣相法的成本有重大意義。

2 沉淀法

沉淀法生產白炭黑的研究起步較早，相對較成熟，但以粉煤灰為原料的研究并不多，且產品質量較國外同類產品還存在差距。

翟玉祥［2］研究了以沉淀法生產白炭黑，其工藝過程如下：

本法制得的產品純度不是很高，且工藝流程較為復雜，成膠過程及酸化過程條件不易控制，需要用壓濾機及壓縮空氣，生產過程有些繁瑣。

3 浸出法

浸出包括酸浸、堿浸和酸堿聯合浸出，是將粉煤灰或經處理過的粉煤灰在酸性或堿性溶液中浸出或綜合浸出，最終將其中的硅元素轉變為白炭黑。

3.1 酸浸出

酸浸主要用鹽酸將粉煤灰中的硅元素轉變為硅酸或將粉煤灰中的氧化鋁等雜質溶解去除。

王平等［6］以粉煤灰為原料，用酸浸法成功制得白炭黑。先將粉煤灰與燒堿混合進行灼燒激活，然后與鹽酸反應，上清液靜置陳化，固相即為水和二氧化硅。具體過程如下：

此法工藝簡單，操作容易；但酸浸過程及陳化過程易引入雜質，洗滌過程并不能將雜質很好去除，因此會影響產品純度。如能改進，并有更好的除雜方法，該法不失為一種好方法。

胡將軍［7］先利用酸和氟化銨將粉煤灰中的氧化鋁去除，再將殘渣與燒堿進行堿分解，使沒有溶解的SiO2轉變為水玻璃，然后加入鹽酸陳析得到白炭黑。工藝流程如下：

本法的獨特之處在于第一步酸浸時加入了NH4F，提高了粉煤灰中氧化鋁的溶解率，并有利于除雜。

余海榮［8］將粉煤灰與石灰石混合后在高溫下燒結，然后用鹽酸浸出工藝制取白炭黑，實際生產時采用生產乙炔的下腳料電石泥代替石灰石，對于廢料的有效利用有重要意義。

3.2 堿浸出

堿浸是將粉煤灰在堿性溶液中進行浸出除去雜質，回收有用元素硅。李歌等［1］研究了以堿溶脫硅液碳化法制備白炭黑。先用NaOH對粉煤灰進行預脫硅，再向脫硅后的濾液通入CO2進行碳化使二氧化硅以偏硅酸膠體形式析出，干燥后進一步制備白炭黑。

這種方法由于受濃度、時間、溫度及CO2通氣速率等因素影響較為復雜，反應條件不易控制，操作起來也不是很簡便。

荊富等［9］利用堿液在常壓下浸出粉煤灰，然后用二氧化碳二次碳分浸出液制備高純白炭黑。具體工藝流程如下：

濾渣進一步處理制備Al2O3。本法第1步堿浸先除去粉煤灰中含量較多的氧化鋁，然后通過二次碳分提高濾液中二氧化硅的回收率。碳分后的溶液經處理后再次用于浸出，不僅產品純度高，所用試劑還可循環利用。堿浸渣用于制備氧化鋁。總體來說，本法對于資源的綜合利用有一定價值。

3.3 酸堿聯合浸出

鄧寅生等［10］采用先對粉煤灰進行酸堿兩步浸出，浸出渣與碳酸鈉混合焙燒，之后再進行二次酸浸法制備白炭黑。工藝流程如下：

本工藝有2步可以制取白炭黑，其中堿浸后所得的白炭黑品質上較二次酸浸后的要高。這種2次酸浸、酸堿浸出相結合的方法大大提高了有用元素的浸出率，且生產過程基本沒有污染，是一種較好的方法。

4 熔出法

熔出法的原理主要是將粉煤灰與碳酸鈉混合煅燒熔出后，把其中的惰性物質莫來石二氧化硅等活化為活性物質硅鋁酸鹽［11－13］，然后再用鹽酸浸出法制備白炭黑。

班衛靜等［11］研究的堿熔出法工藝過程如下：

胡將軍［12］及李秀悌等［13］采用的方法與上述方法基本相同。碳酸鈉熔出法流程簡單，工藝也相對成熟，需要改進的就是要提高成品品質。

5 煅燒法

徐子芳等［14］研究了以低溫煅燒法制備白炭黑。先將粉煤灰與碳酸鈉混合煅燒，然后用鹽酸轉化成硅膠，洗滌后再對膠體進行煅燒得到產品白炭黑。本法工藝簡單，生產過程無污染，產品純度很高，具有很好的發展前景。

6 結語

利用粉煤灰制備白炭黑對于提高資源綜合利用率、緩解環境壓力、提高粉煤灰附加值具有重要意義。目前，以粉煤灰為原料制備白炭黑的方法并不多，還有待于進一步研究。盡可能開發一些工藝簡單、易于操作、產品質量高、經濟成本相對低的方法仍然是今后研究的重點。

［1］李歌，馬鴻文，劉浩，等.粉煤灰堿溶脫硅液碳化法制備白炭黑的實驗與硅酸聚合機理研究［J］.化工學報，2011，62（12）：3580－3587.

［2］翟玉祥.用粉煤灰制取白炭黑的工藝方法［J］.黑龍江電力技術，1995，17（3）：148－151.

［3］徐潔明，謝吉民，朱建軍.粉煤灰氣相法制備納米白炭黑研究［J］.無機鹽工業，2006，3（7）：54－56.

［4］倪良，胡瑩海，李曉燕，等.粉煤灰氣相－水解法制備納米白炭黑［J］.橡膠工業2007，54（6）：345－347.

［5］王鈞，施善友.新氣相法制備白炭黑［J］.硅酸鹽通報，2002，21（3）：59－60.

［6］王平，李遼沙.粉煤灰制備白炭黑的探索性研究［J］.中國資源綜合利用，2004（7）：25－27.

［7］胡將軍.酸溶法從粉煤灰中制取白炭黑的研究［J］.環境科學技術，1996（2）：45－48.

［8］余海榮.由粉煤灰制取鋁鐵混凝劑和白炭黑［J］.電力環境保護，1992，8（2）：55－57.

［9］荊富，伊茂森，張忠溫，等.粉煤灰提取白炭黑和氧化鋁的研究［J］.中國工程科學，2012，14（2）：96－106.

［10］鄧寅生，徐素娟，譚俊，等.粉煤灰綜合利用新工藝［J］.無機鹽工業，2009，41（9）：50－53.

［11］班衛靜，周霞萍，柯一龍.粉煤灰短流程制取白炭黑的研究［J］.煤礦環保，2011，17（6）：99－102.

［12］胡將軍，陳定.堿熔法從粉煤灰中制取白炭黑的研究［J］.適用技術市場，1995（5）：14－15.

［13］李秀悌，姚志通，孫杰.利用粉煤灰制取白炭黑及其表面改性研究［J］.功能材料，2010，41（6）：939－947.

［14］徐子芳，張明旭，李新運.用低溫煅燒法從粉煤灰中提取納米 Al2O3和SiO2［J］.非金屬礦，2009，32（1）：27－30.