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工业固废粉煤灰制备水合二氧化硅的方法
发布时间:2016-11-18 17:16:57      点击次数:1381
    为加快建设资源节约型、环境友好型社会,如何利用有限的生产资料创造最大的经济价值,并给环境带来最小的污染,已逐渐成为工业发展的主旋律。本文简单介绍了工业固废粉煤灰在化工生产上的再次利用,并概述了利用固废粉煤灰制备水合二氧化硅的的方法。

    粉煤灰是一种工业固体残渣,是世界上目前为止排量最多的工业废渣。以往,由于我们缺乏对其进行循环利用的知识和技术,粉煤灰一直被视为一种工业废弃物,这种错误的观念直接导致了严重的资源浪费和环境污染。随着国家对环境保护的要求日趋严格,废弃能源的再次利用引起了许多企业的高度重。现在,粉煤灰已经被成功应用于填路筑路和建筑制品中,以及在农业方面的应用也取得了非常好的成效。其实,可以将粉煤灰再一步精细利用,充分利用粉煤灰中的SiO2和Al2O3,用其制备白黑炭和高纯聚合铝等产品。在粉煤灰精细化利用中还有一个非常大的工业用途,就是用固废粉煤灰制备水合二氧化硅,以此为原料制备的SiO2的纯度高达91.7%。当前我国对粉煤灰的再次利用水平还比较低,主要还是将其作为水泥制备过程中的混料,或者是应用于公路建筑上,这种粗犷式的再次利用方式正在朝着精细利用方式的方向发展,广泛推广和使用粉煤灰制备水合二氧化硅就是粉煤灰精细利用的一个成功的典范。

    一、水合二氧化硅在工业上的重要用途

    水合二氧化硅作为一种聚合材料,由于其具有特殊的物理和化学性能,在过去的十年里得到了突飞猛进的发展,并被广泛应用于诸多领域。

    目前,水合二氧化硅被广泛应用作油漆涂料填充剂、塑料增粘剂和触变剂、橡胶补强剂以及合成润滑脂硅脂的稠化剂。随着国家近些年建筑行业的蓬勃发展,对油漆涂料、塑料、橡胶的需求量越来越大,在这些材料的制备中,水合二氧化硅是不可替代的原料,直接决定了这些材料的性能和质量。由于传统的水合二氧化硅制备工艺比较复杂,对原料的要求比较特殊,导致水合二氧化硅的市场价格居高不下。如何降低水合二氧化硅的制造成本,一直是 该领域相关人士不断探讨的问题。

    二、利用工业固废粉煤灰制备水合二氧化硅

    工业固废粉煤灰是一种常见的工业废渣,约占工业废渣总量的30%。利用粉煤灰制备生产水合二氧化硅,已经取得了非常好的经济收益。水合二氧化硅是一种重要的橡胶添加剂,市场的需要量特别大,成功利用粉煤灰进行水合二氧化硅的制备,既节约了制备成本,又大大减少了对环境的污染,具有非常明显的经济收益和环保价值。

    1.粉煤灰制备二氧化硅的原料准备

    利用工业固废粉煤灰制备水合二氧化硅需经过原料准备、激活粉煤灰、工业酸浸泡、除去杂质等一系列阶段。 在原料准备中,必须对即将用于制备水合二氧化硅的粉煤灰进行化学取样化验分析。下面这组数据是粉煤灰中各种物质含量的平均值。

    表-粉煤灰的化学成分

    在用粉煤灰制备水合二氧化硅之前,必须保证二氧化硅的含量符合上述表格中的要求,或者是不低于该表中的平均值,这样能够保证一次性制备水合二氧化硅的总量,以做到能源消耗最小化,目标产物产出最大化,既能够满足经济效益,又满足了对环境保护的要求,符合构建环境友好型、资源节约型社会的要求。

    2.粉煤灰制备二氧化硅的制备原理

    在水合二氧化硅中,SiO2溶于水的部分极易与H2O中的H+结合,生成H2SiO3沉淀,导致在导致在水合二氧化硅溶液中存在游离的羟基,由于羟基中化合键极易与溶液中的有机物结合,生成水合二氧化硅的特殊化学结构。

    水合二氧化硅的制备原理是原料与硅酸的缩聚反应过程,制备过程中所用的原材料的SiO2含量控制在51.1%左右,以增加缩聚反应的程度。水合二氧化硅的主体形态是一种被称为富铝玻璃体(3Al2O3˙SiO2)的物质。

   在粉煤灰中存在着Al3+和Ca2+等正离子,由于其与SiO2相互吸引,导致这些正离子存在于SiO2的周围,将SiO2包围在在中间。利用酸化的方法很难获得处在中间位置的SiO2,所以必先破坏掉SiO2中的三维立体结构-S-O-是所谓的激活过程。在大多数的工业实际制备中,采用碱化法的比较多,激活剂常用NaOH,粉煤灰颗粒会在OH-的作用下出现Si-O键断裂,

-O-Si-O-Si+ OH-→-O-Si-O+-O-Si-OH

    由于网状聚合体Si-O-Al的聚合度很低,在其表面会形成不饱和的活性键,再用盐酸进行浸泡,就会形成水溶性硅溶胶,在PH值和环境温度事宜时,再经过一系列的过滤,除杂等操作,就可以得到水合二氧化硅。硅溶胶是一种聚合反应:

mSi(OH)4 →(SiO2˙nH2O)m+m(2-n)H2O

    三、结束语

    用工业固废粉煤灰制备水合二氧化硅是一种切实可行的方法,这种方法操作简单,是对工业粉煤灰进行循环利用和精细加工的新探索、新发现。利用这种方法制备水合二氧化硅,不仅使有效资源得到了充分利用,而且大大减少了对环境的污染。另外,还有一个优点就是利用这种方法制备的水合二氧化硅纯度非常高,可以满足工业生产中对高纯度水合二氧化硅的质量要求,由于工业废渣数量之大以及该方法制备工艺相对简单,同时也满足了工业生产对水合二氧化硅的数量需要。值得注意的是,虽然,利用工业固废粉煤灰制备水合二氧化硅的方法已经开始应用于工业生产中,但其制备工艺仍存在许多不足,仍需要持续改进,以寻求最佳的制备工艺。
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