利用粉煤灰制备高纯超细氧化铝粉体的研究

固废处理

利用粉煤灰制备高纯超细氧化铝粉体的研究

方荣利陆胜

(西南科技大学,四川绵阳621002)

解晓斌

(重庆四维瓷业集团股份有限公司,重庆402285)

摘要利用粉煤灰为原料制备高纯超细氧化铝粉体。给出了采用硅酸二钙晶相转变自粉化、高效分散剂)))碳化法从粉煤灰中制备氧化铝方法的工艺路线,确定了从粉煤灰制备高纯超细氧化铝粉体的最佳工艺条件,为粉煤灰的高价值利用开辟了一条新途径。

关键词粉煤灰晶相转变自粉化氧化铝

1引言

粉煤灰是燃煤电厂排出的废渣。粉煤灰中的氧化铝含量一般可达到22%~35%,是一种很好的制备氧化铝的资源。本课题利用粉煤灰制备高纯超细氧化铝,用来对陶瓷、橡胶、特种工程塑料等传统材料进行改性处理,可使陶瓷、橡胶、特种工程塑料的耐热冲击性提高1~2倍,强度和韧性提高170%,产品光洁度得到极大改善,产品具有很强的市场竞争力;用于生产集成电路基片,可使基片的热稳定性提高2~ 3倍,平整度提高115倍,此行业超细氧化铝需求量不少于5000t P a;由于纳米氧化铝耐高温、抗氧化等优良性能,在人工晶体、高效催化剂、涂料、高温陶瓷、密封粘结剂、医药、激光材料、屏蔽材料等领域有着广泛的用途。

2实验材料、实验方法与技术路线

211实验材料

粉煤灰取自四川江油火电厂排出的废渣;石灰石:从市场购买,其化学组成示于表1。

表1主要原材料的化学组成%

项目SiO

2

Al2O3Fe2O3Ti O2CaO MgO其它粉煤灰521102613841451146315031336112石灰石016211000158-541501344216 212实验方法及流程

将粉煤灰与石灰石碎粒在105e烘干1h,并磨细到通过0108mm方孔筛的筛余<8%,按拟定的CaO P SiO2配料比,加水成小球,并按拟定的粉煤灰活化、自粉化条件处理粉煤灰;用8%的Na2CO3液从活化粉煤灰自粉化料中提取Al2O3,并按拟定的碳化温度、碳化时间、碳化速度等制备纳米Al2O3,用激光粒度分析仪对制备的Al2O3进行粒度测定。流程见图1。

粉煤灰Na2CO3

石灰石

粉磨

烧结

自粉化冷却

溶出

残渣过滤

烧结

水泥

NaAlO2粗液

脱硅

控制过滤

NaAlO2精液

高效分散剂碳化

过滤

Al(OH)3

灼烧

Al

2

O3

Na2CO3

溶

液

循

环

图1利用粉煤灰制备纳米Al

2

O3工艺流程示意图

3实验结果与讨论

311粉煤灰中Al2O3的活化

用X射线衍射法对火电厂排出的废渣粉煤灰的矿物组成进行分析,试样中的主要矿物相为莫来石(3Al2O3#2SiO2)和石英(SiO2)。由于莫来石中的Al2O3的活性差,直接采用酸法、碱法从莫来石中提取氧化铝均很困难。为从粉煤灰中提取氧化铝,需将粉煤灰进行处理,使莫来石中的Al2O3成为活性氧化铝。为使粉煤灰中的氧化铝活化,我们在粉煤灰中加入一定量的外加剂与石灰石并在高温下煅烧,使粉煤灰中的莫来石和石英变为硅酸二钙和七铝十二钙(C12A7)。

通过活化粉煤灰的X衍射图(图2),知道其主要

40

环境工程2003年10月第21卷第5期

图2活化粉煤灰的X衍射图

组成矿物为硅酸二钙(C2S)与七铝十二钙(C12A7)。C12A7中的Al2O3活性较高,易被Na2CO3液提取。312自粉化料制备

31211C2S晶相转变的意义

将粉煤灰与石灰石的混合物经高温煅烧处理,虽可使粉煤灰中的氧化铝活化,但煅烧后的产物都是块状烧结物。为了从高温煅烧产物中提取氧化铝,需将块状烧结物粉磨至一定细度,这将消耗大量电能。若利用C2S晶相转变过程中产生的体积膨胀(处于介稳的B2C2S向稳定的C2C2S转变),造成C2S连同其它矿物一起粉化(C2S晶相转化产生的体积膨胀粉化),可省去粉磨工序,这不仅可节省电能,而且化学粉碎形成的粉末比机械粉磨生成的粉末更细,有利于Al2O3的提取。粉煤灰、石灰石等原料中所含的微量元素可阻止硅酸二钙晶相转变(即B2C2S y C2C2S转变),从而影响烧结产物的自粉化效果。为能使烧结产物的自粉化率达到100%,因此寻找B2C2S y C2C2S转变的最佳条件具有十分重要的意义。

31212因素及水平的选择

影响C2S晶相转变的因素很多,主要因素有配料比(CaO P SiO2)、煅烧温度、煅烧时间、样品冷却方式等,采用正交设计法,按L9(34)正交表安排实验。

表2自粉化实验影响因素水平表

水平(摩尔比)

A

煅烧温度

B P e

煅烧时间

C P h

冷却方式

D

1210P1101340110空气中直接冷却

2215P1101260210高温炉中自然冷却3115P1101300015700e保温1h,空气中冷却

31213实验结果

以试样自粉化后粒径小于0101mm的颗粒所占重量百分率作为粉化率,进行正交实验直观分析。

由直观分析得出,影响粉煤灰和石灰石配合料的煅烧产物自粉化的主要因素是煅烧温度及CaO P SiO2比,在CaO P SiO2=215,煅烧温度1340e,煅烧时间1h,煅烧试样降至700e保温1h后从高温炉中取出,试样置于空气中冷却,煅烧产物的自粉化率达到100%。自粉化料的化学组成及粒度分布分别如下表3、表4所示。

表3自粉化料的化学组成%

试样C aO Si O2Fe2O3MgO Al2O3S O3

A58171251752167113491840120

B58114251312149112591860125表4激光粒度分析仪对自粉料粒度的分析结果

颗粒粒径P L m

013~014014~015015~016016~017017~018>018百分率%8135231063016518169111138114累计%813531139621048017391186100

313从自化料中提取氧化铝

31311因素及水平的选择

用碳酸钠液提取自粉化料中的氧化铝,其影响因

素主要有浸取液浓度、浸取时间、浸取温度、自粉化料与浸取液比率等,各因素的水平如表5所示。

表5碳酸钠浸取实验因素与水平表

水平浸取液浓度%浸取温度B P e浸取时间C P h料液比112室温1101B3

28802101B2

341000151B4

31312实验结果

根据正交表安排实验,其实验结果见图3

。

图3氧化铝浸取率与影响因素的关系图

实验结果表明,碳酸钠溶液浓度为8%时,溶出温度为80e左右,溶出液固比不低于3,溶出时间在1h即可获得较为理想的氧化铝溶出率。在此条件下,粉煤灰中氧化铝的回收率可达到80%以上。314高效分散剂)))碳化法制备纳米氧化铝

41

环境工程2003年10月第21卷第5期