粉煤灰堿溶提硅綜合實驗設計

＊陳治平 高佳萌 李昕玥 計蓓 周文武 賀新福

（西安科技大學化學與化工學院 陜西 710054）

煤炭長期以來是我國的主要消耗能源[1-3]，我國一半以上的煤炭是用于火力發電，火力發電會產生大量粉煤灰[4-5]。2020年我國粉煤灰產量為781萬噸，預計到2024年為925萬 噸[6]，粉煤灰已經成為工業固體廢料方面最大的污染源[7-8]。放置粉煤灰不僅是對土地資源的浪費，而且對其堆積地周圍的空氣及水資源甚至是土壤都會產生很大的影響[9-11]。隨著人們的環境保護意識越來越強，國家對節能減排的重視程度也日益加深。十九屆五中全會通過的“國民經濟和社會發展第十四個五年規劃”提出了持續推動綠色發展，促進人與自然和諧共生的理念，對我國的生態文明建設提出了更高的目標。要從根本上解決粉煤灰引起的污染問題，對其進行合理的開發利用是最為有效的途徑。2021年3月國家發改委發布了《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》指出要持續提高粉煤灰綜合利用水平，深入推動有價組分提取，加強高附加值產品應用推廣。

目前，我國粉煤灰利用主要集中在建筑、建材和筑路等方面[12-13]，這些簡單的利用方式雖然減少了粉煤灰的堆放，但是卻浪費了粉煤灰中富含的硅、鋁資源，實現粉煤灰中硅、鋁資源的高附加值利用，不僅有利于環境保護，還具有一定的經濟價值。粉煤灰的高價值資源化利用大都處于商業化的初步階段，主要研究集中在提取硅、鋁等有價元 素[14-17]，提取硅、鋁等元素的主要方法有燒結法、酸或者堿浸法。中國大唐集團自主開發的“高鋁粉煤灰提取氧化鋁多聯產技術開發與產業示范”于2012年在世界上首次實現工業化生產，是國內外唯一商業化運行的粉煤灰提取氧化鋁生產線[18]，但是該工藝路線主要針對高鋁粉煤灰，對低鋁粉煤灰不能進行很好的利用。本實驗設計利用低鋁粉煤灰堿溶提硅的綜合實驗，通過本實驗了解低鋁粉煤灰的綜合利用方法，也使學生能夠學會煤系固體廢棄物綜合利用的方法，加深對綠色化學和環境保護的理解，以此提高學生的綜合實驗能力和利用基礎知識解決實際問題的能力。

1.實驗內容

(1)實驗原理

粉煤灰中富含硅元素，從粉煤灰中提取硅的方法主要有酸溶法、堿溶法和酸堿聯合法，堿溶法是在一定的溫度條件下，將粉煤灰與堿溶液混合均勻后反應一段時間，溶出過濾，濾液為硅酸鈉溶液，再將濾液經過碳分得到SiO2。本實驗選擇堿法提硅，即粉煤灰中的二氧化硅與NaOH發生反應生成硅酸鈉液體。該反應在常溫下反應速度非常緩慢，為加快其反應速率，選擇在高溫條件下進行。反應方程式如下[19-20]：

2.實驗材料與方法

(1)實驗試劑與儀器

主要實驗試劑見表1。

表1 實驗藥品

主要實驗設備有YZPR-100微型反應釜，循環水式多用真空泵，抽濾瓶，布氏漏斗，101型電熱鼓風干燥箱，具體型號見表2。

表2 實驗儀器

(2)實驗方法

本綜合實驗主要探究用堿溶法從粉煤灰中提硅時堿溶溫度、液固比、NaOH濃度、堿溶時間等因素對SiO2溶出率的影響。首先對粉煤灰進行預處理，將粉煤灰用研缽磨細后過100目篩子進行篩分，將篩好的粉煤灰放入107℃電熱鼓風干燥箱內進行干燥，除去粉煤灰表面的水分。用電子天平稱取一定量預處理后的粉煤灰和配置好的氫氧化鈉溶液，將二者加入微型反應釜內，將反應釜組裝起來，設定好溫度、時間和攪拌的轉速后啟動反應釜。在反應結束后待其降溫至100℃左右，將物料從反應釜中卸出，趁熱倒入布氏漏斗中進行抽濾，收集濾液，濾液即為提硅產品硅酸鈉（水玻璃），實驗中硅的溶出率采用GB/T 4209-2008推薦方法進行測定。實驗流程如圖1所示。

圖1 粉煤灰堿溶提硅流程圖

3.結果與討論

(1)堿溶溫度對SiO2溶出率的影響

由于SiO2與NaOH常溫下反應較慢，實驗須在高溫條件下進行，因此選用可在高溫高壓下進行反應的YZPR-100型號的微型反應釜。確定每次粉煤灰的進料量為30g。在液固比為2，NaOH溶液濃度為20wt.%，反應時間為2h的條件下，以溫度作為實驗單因素變量考察溫度對粉煤灰中SiO2溶出率的影響。實驗結果如圖2所示，通過圖中的折線走向趨勢，可以看出在反應溫度達到150℃之前，SiO2溶出率隨著溫度的升高而增加，150℃時SiO2溶出率最高，之后繼續升高溫度，SiO2溶出率呈下降趨勢，最佳堿溶溫度為150℃。

圖2 溫度對SiO2溶出率的影響

(2)液固比對SiO2溶出率的影響

設定堿溶溫度為150℃，NaOH溶液的濃度為20wt.%，反應時間為2h，通過改變粉煤灰與NaOH溶液的質量比，來確定液固比作為單因素對粉煤灰中SiO2浸出率的影響。實驗結果如圖3所示。由圖3可知，液固比為2時，SiO2浸出率最高，在液固比為2之前，隨著液固比的增高，粉煤灰中SiO2溶出率呈上升趨勢；液固比為2之后，NaOH的量過多，與SiO2反應生成了較多的硅酸鈉附著在SiO2表面，阻礙了反應的進行，導致SiO2溶出率隨液固比增高呈下降趨勢，最佳堿溶液固比為2。

圖3 液固比對SiO2溶出率的影響

(3)NaOH濃度對SiO2溶出率的影響

在得出最佳反應溫度為150℃，最佳液固比為2后，固定反應時間為2h。配制不同濃度的NaOH溶液與粉煤灰進行脫硅反應，探究NaOH溶液的濃度對SiO2溶出率的影響。結果如 圖4所示，在NaOH溶液濃度小于20wt.%時，SiO2浸出率與NaOH濃度呈正比，NaOH濃度大于20wt.%之后，SiO2溶出率與NaOH濃度成反比關系。這也是因為NaOH量的增加，生成了較多硅酸鈉附著在SiO2表面，阻礙了反應的進一步發生，最佳NaOH濃度為20wt.%。

圖4 NaOH濃度對SiO2溶出率的影響

(4)堿溶時間對SiO2溶出率的影響

在探究出最佳反應溫度150℃，最佳液固比為2，最佳NaOH濃度為20wt.%后，改變反應時間，探究反應時間對SiO2溶出率的影響。結果如圖5所示，隨著反應時間的增加，粉煤灰中SiO2的溶出率升高，到反應時間3h溶出率達到最高，之后繼續增加反應時間，SiO2溶出率開始下降，最佳堿溶時間為3h。

圖5 堿溶時間對SiO2溶出率的影響

綜上可知，堿溶提硅的最佳反應條件為堿溶溫度150℃，液固比2，NaOH溶液濃度20wt.%，堿溶時間3h，在此條件下SiO2溶出率為60.76wt.%。

4.結論

粉煤灰富含硅，本文設計了采用堿溶方法對燃煤電廠粉煤灰進行提硅的綜合實驗。通過單因素試驗方法考察了堿溶條件對SiO2溶出率的影響。結果表明，此實驗所用粉煤灰堿溶提硅的最佳反應條件為堿溶溫度150℃，液固比2，NaOH溶液濃度20wt.%，堿溶時間3h，在此條件下SiO2溶出率為60.76wt.%。本實驗對我國粉煤灰的綜合治理和高值資源化利用具有一定的理論價值和現實意義，能夠讓學生了解煤系固體廢棄物綜合利用相關知識，實驗中采用單因素實驗實驗方法評價堿溶過程的影響因素，堿溶、抽濾、滴定等操作過程能夠有效培養學生的動手能力，提高綜合實驗素質。