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工業固體廢棄物中還藏著一座二氧化硅礦山?
2021年05月31日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:29
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經濟的高速發展離不開工業的支持,因此巨大經濟利潤的背后,也意味著產生了大量的工業固體廢棄物。這些固廢不僅會占據大面積的土地資源,威脅周邊生態環境的平衡和穩定,而且里面本可以利用的大量資源也會遭到浪費。

為了更健康地發展經濟,提高工業固廢資源的處置效果成為了關鍵。雖然這些固廢在它們的來源地看來毫無意義,但換一個場合后,它們完全可以搖身一變成為生產其他產品的原料——比如說高溫熔煉過程產生的爐渣、電力行業及冶金過程產生的粉煤灰、煤炭采掘業產生的煤矸石中就含有大量主要以硅酸鹽、晶態二氧化硅和非晶態二氧化硅等形式存在的二氧化硅,如果將它們全部丟棄,無異于置一座富含二氧化硅的“礦山”于不顧,實在可惜。

固廢中含有的二氧化硅成分

上面已經提到了都有哪些固廢資源值得被回收利用,為了更好地提取其中的SiO2,就必須研究清楚固廢中SiO2的組成及礦相。

①粉煤灰

粉煤灰是指從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰,是燃煤電廠排出的主要固體廢物。其主要晶相為石英和莫來石等礦物相結構,其中SiO2主要分布在石英、莫來石中,以晶態二氧化硅的形式存在;還有部分SiO2存在于鋁硅酸鹽中,以非晶態二氧化硅的形式存在。

②黃磷爐渣

黃磷爐渣是電爐法生產黃磷過程中排放的高溫熔融渣,經水淬后得到的固廢的主要礦物成分是硅鈣石,化學成分主要含有CaO、SiO2及少量鋁、鐵、鎂、磷、氟等元素。黃磷爐渣中沒有結晶相(主要呈非晶態),表明SiO2在黃磷爐渣中主要以非晶態二氧化硅的形式存在。

③煤矸石

煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物,是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石,存在石英、白云母和高嶺石等礦物相結構。其中SiO2主要分布在石英中,以晶態二氧化硅的形式存在。

④銅冶煉渣

銅冶煉渣是煉銅過程中產生的渣,屬有色金屬渣的一種,存在磁鐵礦、橄欖石和鈣長石等礦物相結構,其中SiO2主要存在于鐵橄欖石(Fe2SiO4)中,以晶態二氧化硅的形式存在。

代表性固廢的SEM圖:(a)粉煤灰,(b)黃磷爐渣,(c)煤矸石,(d)銅冶煉渣

SEM分析表明:粉煤灰由多分散球狀顆粒組成,其中不規則的球狀顆粒為莫來石,規則的球狀顆粒為硅鋁玻璃質相;黃磷爐渣中大塊顆粒狀物質為非晶態硅酸鈣;煤矸石的SiO2呈現出明顯的、有規律的層狀結構;銅冶煉渣中呈現白亮狀的物質為銅鐵的硫化物,灰白色的物質為鐵的氧化物,灰黑色的物質為鐵橄欖石。

固廢“出身”的二氧化硅產品

目前處理固體廢棄物的主要思路,是將其中含有的其他物質如Al2O3FeO 等可以被利用的有價成分以及稀土及貴金屬元素先分離提取出來,然后再制備白炭黑、二氧化硅氣凝膠等產品,也可以同時利用固體廢棄物中的二氧化硅和氧化鋁制備沸石。

①白炭黑

白炭黑的化學分子式為SiO2·nH2O,它是一種白色無定形納米二氧化硅物質,具有優異的孔隙率、高分散性、熱穩定性和良好的電絕緣性,常被用于制備催化劑、橡膠增強劑、觸變劑、熱絕緣體和復合材料,是橡膠、化工、電子、醫藥等行業提高產品質量的“工業味精”。

目前利用固廢制備白炭黑主要采用沉淀法工藝,該工藝可細分為酸溶法和堿溶法。酸溶法利用固廢與鹽酸或硝酸混合,使固廢中的Fe2O3Al2O3、稀土金屬或硅酸鹽等轉化為易溶解的氯化物及SiO2沉淀,從而將固廢中的稀土等有價金屬元素或鐵、鋁等雜質元素轉移至液相,富集二氧化硅的濾餅經酸洗除去鐵、炭等雜質,然后通過干燥及煅燒得到白炭黑產品。堿溶法利用固廢與堿在熔融或者水溶液中發生反應制得水玻璃,然后通入CO2或者與鹽酸或硫酸溶液反應,使二氧化硅以絮狀形式沉淀出來,經過濾、清洗、干燥后得到白炭黑產品。

②二氧化硅氣凝膠

二氧化硅氣凝膠由于具有較大的比表面積、大孔容、低體積密度和低導熱系數等特點,可以應用在催化劑、透明隔熱材料、薄膜、射電發光器件、藥物釋放系統等領域。利用固廢制備二氧化硅氣凝膠時,一般采用溶膠-凝膠法工藝,首先將固廢與堿發生反應制得不同模數的水玻璃,然后向水玻璃中加酸溶液使其直接凝膠化,再使用甲醇、乙醇等分子類醇來進行老化,最后用超臨界干燥或者常壓干燥工藝進行干燥。由于常壓干燥設備簡單、便宜,因此具有更廣闊的前景。

③沸石

沸石由于其多孔結構,可以容納多種陽離子,具有吸附、離子交換和催化等一種或多種性質,被廣泛用于以下方面:分離提純過程中的工業吸附劑、制備先進材料的催化劑、膜材料和膜加工的添加劑、離子交換材料、化學傳感器等。沸石一般是由氧化鋁源、硅源形成的鋁硅酸鹽凝膠經水熱處理合成的,但由于氧化鋁源、氧化硅源合成沸石的成本較高,從固廢中尋找合成沸石的廉價材料成為研究熱點。

利用固廢合成沸石的方法主要有兩種:一種方法是傳統的合成方法,即固廢堿熔后水熱合成;另一種方法是微波或超聲波輔助合成新工藝,可以顯著降低沸石合成的時間與能耗,并提高了沸石的結晶度。

總結

總之,通過上述方式使工業固廢資源得到更加充分的利用,讓其中含有的二氧化硅成分變身成為多孔性、耐高溫、電絕緣性和催化性能優良的功能材料,不僅有助于減少環境污染,也能最大限度地發揮固廢的價值,實屬一舉多得,前景相當可觀。

資料來源:

工業固體廢棄物制備二氧化硅功能材料的研究進展,蘇博文,史公初,廖亞龍,張宇,王偉,郗家俊。

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