探究验证煤矸石的主要成分及工业用途

化学研究性论文
探究煤矸石的主要成分及应用
石嘴山市第三中学
小组成员：任星宇、张子辰、王雨曦、田世莉、宁致远、杨亦非
指导老师：吕龙芬、王雷、冯喜宁
课题摘要：
目前测定煤矸石主要成分的实验主要以国标为基础，并没有方便有效的实验室检验方法。

我们的小组成员集思广益，独立设计了一个利用三价铁离子、三价铝离子特殊化学性质检验煤矸石主要成分的实验并成功验证了煤矸石中主要物质的存在。

同时我们对国标中不适用于实验室与中学生的试剂进行换用，并进行了多次实验。

利用目前实验室现有的器材试剂设计了较为完善的试验。

这样既保证了实验的安全性、可行性，同时又控制了成本。

关键词：
煤矸石化学实验室成分测定显色沉淀
背景前言：
煤矸石是伴生煤的开采加工所产生的一种利用价值不大的固体废料，主要成分为二氧化硅、氧化铝、焦炭、氧化铁以及少量的其他氧化物。

中国历年已积存煤矸石约1000Mt，并且每年仍继续排放约100Mt，不仅堆积占地，而且还能自燃污染空气或引起火灾，但是每年被有效利用煤矸石甚至不到总量的10%。

石嘴山地区是传统的以煤炭开采为主的工业性城市，所以对煤矸石的综合开发利用对拉动本地区经济发展具有重要意义。

一、研究思路
①立足于地区发展的特殊性通过查阅资料文献确定课题；
②设计实验；
③申请获得实验室使用权，准备实验所需的器材药品；
④实施实验，观察并记录实验；
⑤分析实验，通过查阅相关资料；
⑥得出结论，起草实验报告。

二、研究过程
1.准备仪器和药品
①实验器材：离心机、具支试管、铁架台、三脚架、石棉网、蒸发皿、泥三角、烧杯、
漏斗、滴管、试管、玻
璃导管、橡胶导管、胶
塞等；
②实验室化学药
品：煤矸石粉末、氢氧
化钠溶液、过氧化氢溶液、硅酸钠溶液，三氯化铝溶液、三氯化铁溶
液、二氧化硅晶体、稀氨水、氧化钙、稀硝酸、二氧化锰、KSCN溶液、大理石、碳酸钠、PH试纸；
2.仪器的连接
本次试验我们选用30%过氧化氢、二氧化锰作为氧气制取试剂，使用
具支试管作为发生装置，氧气在右侧试管
中产生通入左侧试管，与灼热的煤矸石粉
末共热使杂质充分分解。

我们使用NaOH
溶液作为尾气处理的试剂，用来吸收可能产生污染环境的二氧化硫等气体。

为了使反应更加充分，我们使用火焰温度极高的酒精喷灯对煤矸石粉末进行加热。

过滤装置使用通用的烧杯、漏斗、铁架台、滤纸所组装成的建议简易过滤装置。

加热使用三脚架、石棉网、酒精灯，蒸干滤渣使用泥三角、酒精灯、铁架台
3.实验步骤
①取煤矸石样品研磨成粉，待测药品研磨有助于增大与反应物的接触面积，使反应现象更加明显
②取部分煤矸石粉末与氧气、氧化钙共热使硫化物等杂质反应，达到
固硫的目的。

将放出的气体通入澄清石
灰水，观察到石灰水并未出现浑浊。

（使
用酒精喷灯可以使煤矸石粉末温度达到
1000℃以上，FeS等杂质在这种温度下基本会完全分解）。

③稀硝酸溶解加热后的煤矸石粉末，溶解可能存在的氧化物。

金属氧
化物常温下一般为固体，没有游离的金
属离子存在，所以无法检验金属离子。

常温常压下硝酸盐基本都能溶于水，使
用硝酸可以避免在接下来的探究过程中出现不必要的沉淀影响实验结果
④过滤溶解后的悬浊液（多次过滤减少杂质），滤液为透明无色的液体而并没有显现出三价铁离子盐的颜色，说明滤液中铁离子含量较低⑤用KSCN溶液检验滤液中的三价铁离子。

尽管滤液没有呈现三价铁
离子盐的颜色，取少量加入KSCN溶液后发
生显色反应，溶液变为血红色。

这成功的
验证了滤液中含有铁离子，这也间接地证明了煤矸石样品中含有铁元素
⑥将滤液逐滴加入过量氢氧化钠后通入二氧化碳验证三价铝离子的存在。

由于此前多组对照实验中滤液与稀氨水溶液反应均未出现红褐色氢氧化铁沉淀，所以在验证铝离子
存在的实验中我们排除了三价铁离子
对实验现象的干扰，将滤液直接加入
过量稀溶液中。

反应过程中试管内先
出现白色沉淀于溶液上层，随后震荡试管，沉淀消失。

之后讲二氧化碳通入试管内，沉淀重新出现，这成功的验证了滤液中铝离子的存在，
同时也间接地证明了煤矸石样品中含有铝元素。

⑦在蒸发皿中蒸干含有二氧化硅的滤渣。

由于滤渣并不是干燥的固体，所以滤渣中依然含有部分铝离子、三价铁离子。

这或许会对接下来的实验在成一定的干扰，为了保证实验结果的可靠性，我们对滤渣多次过滤清洗并蒸干。

⑧将蒸干后的滤渣与氢氧化钠溶液共热使二氧化硅溶解。

二氧化硅常温下为无色透明的固体颗粒，实验室现有的药剂无法在现有条件下对固态二氧化硅进行验证。

所以依据二氧化硅在加热条件下可以与NaOH溶液反应生成硅酸钠并电离出硅酸根离子，我们向蒸干的滤渣中加入NaOH溶液使其中的二氧化硅溶解。

⑨过滤悬浊液获得硅酸钠清液。

硅酸钠溶液常温下应该是无色透明溶液，但我们所得到的滤液呈透明的淡黄色，可能的原因是滤渣中残留有少量焦油所导致。

⑩取部分硅酸钠滤液加入稀硝酸生产硅酸沉淀，并使用离心机分离沉
淀。

根据白色沉淀我们成功的
验证了NaOH溶液溶解滤渣过
滤得到的滤液中的确有硅酸
钠存在，这也间接地验证了过
滤前的滤渣、煤矸石样品中含有二氧化硅。

试验成功
三、研究结论
我们通过实验发现煤矸石中主要含有二氧化硅、金属铝氧化物、金属铁氧化物以及其他的一些可燃性物质。

通过调查资料知道煤矸石的无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。

目前全世界主要回收利用煤矸石的方法主要有以下几种：
①回收煤炭和黄铁矿；
②用于发电：主要用洗中煤和洗矸混烧发电。

中国已用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物（发热量每公斤约2000大卡）发电。

炉渣可生产炉渣砖和炉渣水泥；
③制造建筑材料：代替粘土作为制砖原料，可以少挖良田。

烧砖时，利用煤矸石本身的可燃物，可以节约煤炭。

④用盐酸浸取可得结晶氯化铝。

浸取后的残渣，主要为二氧化硅，可作生产橡胶填充料和湿法生产水玻璃的原料。

此外，煤矸石还可用于生产低热值煤气，制造陶瓷，制作土壤改良剂，或用于铺路、井下充填、地面充填造地。

在自燃后的矸石山上也可种草造林，美化环境。

石嘴山市拥有丰富的煤矸石储量，因此我市对于处理利用价值不高的矸石方面，走在全国前列。

全国最好的几家生产制作矸砖的企业全部位于银北地区。

对发热量高的矸石，我市采取与动力煤共热的处理方式，现已建成一座专门使用煤矸石作为原料的火电厂。

基于石嘴山地区对煤矸石的利用情况与矸石区别于一般矿石的特殊成分，我课题组独立设计了一个高效利用矸石的工业应用流程。

专业化验中心的化验结果显示，选取精煤的过程中一级分离出的矸石中主要成分为碳酸钙，碳酸钙受热分解会产生氧化钙——即工业干法固硫的原材料。

二级矸石经过我们课题组的探究，验证了其中含有大量的铁元素与二氧化硅。

故结合本地区丰富的煤炭、矸石、大理石、黄铁矿资源，我们设计将高硫烟煤、焦炭、一级矸石、二级矸石、大理石、黄铁矿加入高炉共热，燃煤产生的热量可以用来供暖供电，而一级矸石与大理石中的钙元素则可以有效固定烟煤中的硫元素防止污染性气体进入大气。

烟煤燃烧后产生的焦炭可以用作冶炼铁矿石的还原剂。

这样即解决了矸石占地及其成分利用难的“心脏病”同时又解决了高硫煤利用难的问题。

燃烧后的炉渣中含有大量的二氧化硅，同时粉碎难度较低，适合用与做水泥与轻质建材。

本设计充分结合了本地区的资源，最大程度上的控制了成本减少了排放，真正的做到了资源的高效利用。

四、发表建议
石嘴山是一个传统形的煤炭工业城市，拥有丰富的煤矸石储量。

从小组调查的结果来看，石嘴山市目前对煤矸石的利用只有做路基等简单、利用率低的途径，大部分的煤矸石处理依然采用集中填埋的方
法处理，使资源过度浪费。

对煤矸石回收利用的研究对于本地区经济进一步发展具有长足而深远的意义。

我们在这里向政府提出倡议：希望政府投入更多的资源去研究煤矸石的回收利用，这既解决了煤矸石处理难题，又为本地区就业开辟了一条新道路。

五、反思
由于本次试验使用的煤矸石并不理想，所以导致对三价铝离子的检验过程中并没有出现预期的明显白色沉淀。

同时我们所使用的制取氧气的发生装置加入反应物的过程十分的不妥当，从试管内喷出的高温浓氧容易使人受伤，应选取锥形瓶与分液漏斗作为发生装置。

高温加热煤矸石粉末的过程中粉末需要与氧气接触以达到充分去除杂质的目的，但是30%过氧化氢溶液反应速率过快会使氧气尚未与煤矸石粉末完全接触，就过快的进入尾气处理装置。

六、参考文献
<GB/T 29162-2012>——中华人民共和国煤矸石处理工业执行标准。