白泥綜合利用產品設計

張小東 趙飛燕(神華準能資源綜合開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引言

近年來，粉煤灰的綜合利用成為研究熱點，利用方式多樣，成果顯著。神華集團為了綜合利用大量粉煤灰，打造完整的煤炭經濟產業鏈，依托煤-電-路一體化產業優勢，發展循環經濟產業，并針對準格爾煤田的煤燃燒后產生的粉煤灰特性，成功開發出“一步酸溶法”粉煤灰制取氧化鋁的新工藝，并已建成年產4000噸冶金級氧化鋁中試廠，截至目前，經七次中試運行后，與2017進入工業化示范項目的建設中。《粉煤灰綜合利用管理辦法》規定，固體廢棄物綜合利用率必須達到96%，因此，白泥綜合利用意義非凡。

1 白泥理化特性

白泥主要成分(詳見表1)為氧化硅、氧化鋁，呈細粒多孔的結構，具有較強的活性。白泥堆密度為0.62g/cm3，真密度為1.64g/cm3。白泥比表面積91.67m2/g；白泥粒度呈正態分布趨勢，粒徑10～15μm占10%，5～10μm 占30%，5μm 以下占60%，平均粒徑為5.07μm。電鏡掃描發現白泥是一種多孔結構(見圖1)。采用X 射線衍射儀對白泥物相進行分析，從XRD 譜圖(見圖2)中可以看出，白泥以非晶態物質為主，非晶相＞90%，同時存在少量結晶物質，包括石英、銳鈦礦和莫來石。由此可見，白泥是一種細粒多孔結構，具有較強活性的硅鋁酸物質，具有極高的利用價值，白泥的綜合利用成為研究的重點。

表1 白泥的化學成分表(wt%)

圖1 白泥SEM圖

圖2 白泥XRD圖

2 白泥綜合利用產品方案策劃

2.1 硅酸鈉

以硅酸鈉為原料的深加工產品已有50多種，涉及化工、輕工業、紡織工業、機械、農業、建筑等行業。在化工行業硅酸鈉主要用來制備層狀二硅酸鈉、硅膠、沸石分子篩、硅溶膠、白炭黑、硅酸鉀鈉等各種硅酸鹽類產品；在輕工業中，硅酸鈉是洗衣粉、肥皂，水質軟化劑、助沉劑的原料；在紡織工業中用于助染、漂白；在機械行業中廣泛用于鑄造、砂輪制造和金屬防腐劑等；在建筑行業中用于制造水泥、耐火材料、土壤固化劑等；另外用作石油催化裂化的硅鋁催化劑、耐火材料和陶瓷原料、食品防腐以及制膠粘劑等[1]。白泥與氫氧化鈉反應很容易制得硅酸鈉產品。

2.2 硅酸

硅酸原稱偏硅酸，是一種二元弱酸。主要用于氣體及蒸氣的吸附，油脂、蠟的脫色、催化劑及其載體的制備。還用作生產鎢絲的熔劑，分析化學上的化學試劑、接觸劑和色譜分離的吸附劑，制造硅膠和硅酸鹽的原料。另外，在分析化學中能將不溶性氮化物如氟化鈣、氟化鋁轉變為可溶性溶液，進行氟的測定。白泥可與酸反應制得硅酸。

2.3 硅溶膠

硅溶膠亦稱硅酸溶膠，是硅酸多分子聚合物的膠體溶液，其分子式為SiO2·mH2O，外觀多呈乳白色或淡青透明的溶液狀。硅溶膠可作為陶瓷纖維、高溫爐的耐火磚的粘結劑及保溫絕熱耐火材料，廣泛應用于耐火絕熱材料、粘接劑、涂料、陶瓷、冶金等行業。近年來隨著無機高分子建筑涂料業的興起，硅溶膠市場前景廣闊。純度較高的無機硅溶膠價格在6000～7000元/噸。白泥可與酸反應制得硅溶膠。

2.4 硅膠

硅膠按粒徑分為基礎硅膠和微粉硅膠兩大類。基礎硅膠的粒徑為0.5～0.8mm；微粉硅膠的粒徑為1～15μm。硅膠起初主要應用于軍事工業，目前作為干燥劑普遍用于石油化工、環保、醫藥、涂料、食品、輕紡、造紙、生物化學、塑料等領域。微粉硅膠主要用于食品、醫藥和生物化學行業，代表性產品有Syloid、Sylox、Trisyl，Daraclar、Silcron 等。硅膠在涂料工業中，是最重要的無機消光劑。硅膠層析技術在中藥化學中得到了廣泛推廣[2]。

2.5 白炭黑

白炭黑是白色粉末狀X-射線無定形硅酸和硅酸鹽產品的總稱，主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅、超細二氧化硅凝膠和氣凝膠、粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。白炭黑因其粒徑微細，外形不規整，具有較好的分散性是一種良好的填充劑，廣泛用于橡膠、塑料、造紙、燃料、涂料、油墨等工業。二十世紀四十年代初德、蘇、美等國就將其投入了工業化生產，在八十年代初西方國家年產白炭黑已達到52萬余噸。目前，美、日、德是技術先進的二氧化硅產品生產大國。我國由于先前白炭黑產業發展不夠充分，白炭黑的自給率一直很低，主要依賴國外產品的進口，雖然近年來發展較快，成為凈出口國，但是白炭黑的生產規模依然較小，所以目前國內白炭黑行業處于成長階段，整體市場競爭激烈，產品主要以中低技術為主，故其發展和應用前景十分廣闊[3]。

沉淀白炭黑主要用作天然橡膠和合成橡膠的補強劑、牙膏摩擦劑等。用于橡膠制品中，可提高膠料的拉伸強度、彈性及撕裂強度，并可減少橡膠的用量，降低生產成本。顆粒狀、不規則塊狀白炭黑分散性高、混煉吃料快、改變了粉狀白炭黑粉塵飛揚的現象。

我國氣相法二氧化硅生產企業有四家分別為沈陽化工股份有限責任公司、廣州吉必時化學有限公司、上海氯堿廠與甘肅亞盛化工股份有限公司，產能共計4000噸/年

2.6 分子篩

分子篩是一種以硅氧四面體和鋁氧四面體組成的空曠骨架結構的多微孔晶體硅鋁酸鹽物質，表面積很大。化學式為：M2/nOAl2O3·xSiO2·yH2O, 其中M 為金屬離子，n 為金屬離子化合價；x 為SiO2分子數或者SiO2/Al2O3摩爾比；y 為H2O 分子數。分子篩因其多孔的結構可以對分子進行選擇性吸附，向篩子一樣篩選不同大小的分子，進而得名。分子篩通常具備以下特性：具有對氣體和液體良好的可逆吸附性；良好的陽離子交換性能；較高的比表面積和吸附容量；如果在分子篩表面引進有機官能團，能夠吸附廢液中重金屬離子、有機污染物和放射性元素。因此其在石油化工，廢水處理和環境保護等方面有著廣泛的應用[4]。

2.7 透水磚

透水磚可以使雨水透過磚體流入地下，它是建設海綿城市建設的中重要原材料。透水磚分為燒結型透水磚和非燒結型透水磚兩類。燒結型透水磚因強度、透水性、壽命等關鍵性較指標較非燒結型透水磚好，市場占有率高。生產燒結型透水磚主要原料為耐火材料廢料、陶瓷廢料、鋼渣等固體廢棄物。隨著海綿城市的興起，透水磚市場需求量逐年增加，因此制備透水磚的原材料需求也不斷增加。然而，近年來我國環保治理力度空前加大，上述原料產能驟降，進而制約著透水磚生產能力[5]。因此，拓寬透水磚制備原料的來源顯得尤為必要和迫切，白泥的性質多孔結構及基體與陶瓷相近，可開展白泥透水磚的研究。

2.8 地質聚合物

地質聚合物作為一類新型無機高聚合膠凝材料，它的經驗表達式為 ，具有優良的力學性能和抗腐蝕性以及較好的孔隙結構和較低的導熱系數，Mn(—(SiO2)Z)—AlO2)nwH2O，式中：“M”為堿金屬元素，如K+、Na+等；“z”為Si/Al 比，“n”為縮聚度；“w”為結合水的數目(0≤w≤4)。地質聚合物的聚合反應是從單體到二聚體，再到更高聚體的縮聚過程。 它的基本結構單元為硅氧四面體和鋁氧四面體，產物中以離子鍵和共價鍵連結為主、范德華鍵和氫鍵連結為輔。它是一種新型的環境友好型材料可以用于生產新型建筑材料、阻燃保溫材料等，還可以用于重金屬、有毒和放和放射性廢料的吸附，改善環境污染[6]。白泥與地質聚合物在成分、表面基團等方面具有一致性，可以用于地質聚合物的制備。

2.9 橡塑填料

橡塑填料是橡膠填料和塑料填料的合稱。橡膠填料是橡膠工業的主要原料之一，其用量與橡膠填料相當。填料作為補強劑或填充劑添加在橡膠中，能賦與橡膠許多特性。粉煤灰、碳酸鈣、炭黑、高嶺土、煤矸石、滑石粉、白炭黑、油頁巖、赤泥等是橡膠工業中常用的填料。塑料填料，可以提高塑料的強度、耐熱性能等指標。塑料填料主要以無機塑料填料為主，輔以有機填料，如玻璃纖維、粉煤灰、硅藻土、炭黑、高嶺土等[7]。白泥與這些硅酸鹽材料在成分、表面基團等方面具有一致性，可用于制備橡塑調料。

3 結語

白泥是一種活性較強的硅鋁酸物質，可在硅酸鈉、硅酸、硅溶膠、硅膠、白炭黑、分子篩、透水磚、地質聚合物、橡塑填料等方面開展技術研究及應用研究。白泥綜合利用不僅能解決了白泥堆存帶來的環境問題，還可獲得新產品，是循環經濟產業的重要組成部分。