基于環境友好的煤矸石制備新型緩釋陶粒中鐵的緩釋性能研究

劉成龍，梁浩，白小龍

(寧夏師范學院 化學化工學院，寧夏 固原 756000)

煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物[1]，其占用土地資源、污染周圍環境[2]，急需對煤矸石進行資源化綜合利用。陶粒是一種多用途人工合成材料，密度小、質量輕、保溫、阻燃、結構強度高[3]。陶粒原料以黏土和頁巖為主，導致許多優質土地破壞和流失[4]，對自然資源造成不可逆的破壞[5]。以工業固體廢棄物替代黏土、頁巖生產陶粒[4，6-7]，保護了自然資源，實現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、焙燒溫度和時間對產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 實驗部分

1.1 試劑與儀器

煤矸石，取自固原市彭陽縣王洼煤礦，化學成分見表1；無水乙醇、硫酸鐵銨、冰乙酸、氨水、無水乙酸鈉、磷酸二氫鉀、鹽酸、硫酸、抗壞血酸、鄰菲啰啉均為分析純。

DHG-9030A型臺式電熱恒溫鼓風干燥箱；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型紫外可見光分光光度計；PE-150×250型顎式破碎機。

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

注：LOI指燒失量。

1.2 陶粒制備

將煤矸石進行機械活化，通過粉碎機破碎，研磨后過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，得到陶粒產品。

1.3 陶粒中鐵的緩釋與測定

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]測量鐵離子含量，研究各因素對鐵離子緩釋效果的影響。

2 結果與討論

2.1 磷酸二氫鉀溶液濃度對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陶粒中鐵離子緩釋性能的影響見圖1。

圖1 磷酸二氫鉀濃度對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間的增加呈上升趨勢。在3～9 h時，鐵離子的釋放速率較低；9 h以后隨著液體充滿陶粒內部空隙，以及其硬度發生一定程度的降低，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，鐵離子緩釋性能較好，相同時間內，鐵離子的緩釋量最高。

2.2 焙燒溫度對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，焙燒溫度對陶粒中鐵離子緩釋性能的影響見圖2。

圖2 焙燒溫度對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，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，焙燒的溫度過高或者過低，都不利于陶粒產品的空隙產生以及陶化層的形成，從而影響陶粒鐵離子緩釋性能。溫度過高，會導致陶化層過于致密，使其浸泡緩釋時間延長和釋放速率降低；溫度過低，則會導致陶化層過薄甚至未形成陶化層，導致在浸泡的過程中鐵離子釋放速率過快，甚至陶粒產品泡爛掉。

2.3 焙燒時間對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，焙燒時間對陶粒中鐵離子緩釋性能的影響見圖3。

圖3 焙燒時間對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，焙燒時間為100 min時，鐵離子的緩釋性能最好，同等條件下釋放量最高。陶粒產品在不同的焙燒時間下，內部結構會經歷逐漸變化的過程，合適的焙燒時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

為進一步了解鉀肥添加劑磷酸二氫鉀具體的緩釋性能，特別對10，20，30，40，50 g/L的磷酸二氫鉀溶液所生產的煤矸石陶粒產品進行了ICP-MS元素含量分析，結果見圖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種含量相對較高且植物生長必需的元素，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能促進植物的光合作用以及體內營養物質的合成和運輸；Ca能穩定植物細胞壁，保持一些植物體內重要酶的活性以及促進對營養物質的吸收；P能提高植物的抗寒性和抗旱性；Mn直接參與光和作用，酶的組分及調節酶的活性，促進種子萌發和幼苗生長；Mg是葉綠素的構成元素，許多酶的活性劑；Cu是植物體內許多酶的活性劑和促進花器官發育的重要元素；Zn參與光和作用，作為許多酶的成分參與生長素和碳氮代謝作用；B參與細胞壁物質的合成，促進細胞伸長分裂和碳水化合物運輸和代謝[12]。

3 結論

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