粉煤灰組成結(jié)構(gòu)及其對堿溶預脫硅性能的影響

連選，彭志宏，齊天貴，周秋生，劉桂華，李小斌，肖小龍

?

粉煤灰組成結(jié)構(gòu)及其對堿溶預脫硅性能的影響

連選，彭志宏，齊天貴，周秋生，劉桂華，李小斌，肖小龍

(中南大學冶金與環(huán)境學院，難冶有色金屬資源高效利用國家工程實驗室，湖南 長沙，410083)

采用傅里葉紅外光譜和核磁共振波譜儀等現(xiàn)代檢測技術(shù)，研究3種不同類型高鋁粉煤灰的組成結(jié)構(gòu)及其對堿溶預脫硅過程中溶出性能的影響。研究結(jié)果表明：粉煤灰中的硅主要以Q2(架狀硅酸鹽)和Q4(鏈狀硅酸鹽)的形式存在，鋁主要形成四配位的[AlO4]四面體和六配位的[AlO6]八面體。低溫形成的粉煤灰中硅和鋁主要以非晶態(tài)玻璃體形式存在，對堿溶預脫硅過程不利，預脫硅率低；經(jīng)高溫熱處理活化后，非晶態(tài)玻璃體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的γ-Al2O3、β-石英、Al-Si尖晶石和莫來石相，可以明顯改善粉煤灰預脫硅性能。鈣對堿溶預脫硅過程不利，粉煤灰中的鈣易與溶出的硅和鋁發(fā)生反應形成大量的鈣硅渣，導致預脫硅率降低。

高鋁粉煤灰；結(jié)構(gòu)；堿溶液；預脫硅；莫來石

粉煤灰是火力發(fā)電廠產(chǎn)生的固體廢棄物，在我國山西、內(nèi)蒙古等省份堆存有大量未處理的粉煤灰[1]，粉煤灰會污染環(huán)境[2]和損害人體健康[3]。同時，粉煤灰中含有大量的鋁硅組分，相當于一種中級品位的鋁土礦資源。相比鋁土礦，粉煤灰粒度較小，硬度較低，省去了大量繁瑣復雜的破碎、篩選工序，使其可以成為生產(chǎn)氧化鋁的潛在資源[4?5]，所以，資源化綜合利用粉煤灰對于環(huán)境保護和資源利用具有重要的意義[6]。自20世紀50年代以來，很多研究者對從粉煤灰中提取氧化鋁進行了大量的工作[7?8]，先后提出了堿法[9]、酸法[10]和酸堿聯(lián)合法[11]等多種方法，但粉煤灰鋁硅比較低，嚴重制約了這些方法的經(jīng)濟性和實用性[12?13]。預脫硅?堿石灰燒結(jié)法[14?16]是一種有應用前景的資源化綜合利用工藝，先將粉煤灰中部分活性SiO2用堿溶出，提高鋁硅比，然后對預脫硅后的粉煤灰(即脫硅渣)采用堿石灰燒結(jié)法提取氧化鋁。周秋生等[17]研究了高鋁粉煤灰在堿溶過程中的結(jié)構(gòu)演變及行為，但他們并沒有研究不同類型粉煤灰組成結(jié)構(gòu)及其對預脫硅過程的影響。在預脫硅過程中，不同類型粉煤灰的預脫硅率不同，除了與溶出條件有關之外，與粉煤灰的組成結(jié)構(gòu)也有很大的關系。本文作者采用XRD、傅里葉紅外光譜、核磁共振等手段，以3種典型粉煤灰為例，研究不同粉煤灰的組成結(jié)構(gòu)對堿溶預脫硅過程中溶出性能的影響，探索提高粉煤灰鋁硅比和預脫硅率的途徑，以便增加高鋁粉煤灰的利用價值。

1 實驗

1.1 實驗原料

研究的3種典型粉煤灰樣品分別來自不同的電廠，其中，1號粉煤灰來自采用超高壓循環(huán)流化床鍋爐某矸石電廠；2號粉煤灰來自采用超臨界循環(huán)流化床鍋爐的某矸石電廠，矸石電廠循環(huán)流化床鍋爐采用循環(huán)流化燃燒方式，燃燒溫度低，爐膛溫度在850~900 ℃之間；3號粉煤灰來自某燃煤電廠，采用煤粉爐，粉煤灰形成溫度在1 400 ℃左右(以下分別用1號、2號、3號來代表上述3種類型粉煤灰)。

1.2 研究方法

采用分析純NaOH和蒸餾水配制堿溶液。稱取10 g粉煤灰樣品，與100 mL質(zhì)量濃度為155 g/L的堿溶液混合，在120 ℃下于低壓反應釜中反應30 min，對反應后漿液進行過濾，所得濾餅用沸水洗滌3次。濾液經(jīng)稀釋定容后，分別采用容量法分析氧化鋁質(zhì)量濃度和硅鉬藍比色法分析二氧化硅質(zhì)量濃度；洗滌后濕濾餅于(90±5) ℃下烘干24 h，干濾餅經(jīng)研磨后密封用于固相分析。濾餅中以硅渣形式存在的SiO2采用酸溶硅法分析，酸溶硅代表的是以鈉硅渣和鈣硅渣形式存在的硅的質(zhì)量分數(shù)。

采用X線衍射儀(TTR Ⅲ，日本株式會社理學電子)分析物相；采用傅里葉紅外光譜儀(NICOLET 6700，美國尼高力)分析物相結(jié)構(gòu)；用核磁共振波譜儀(AVANCE Ⅲ 400，瑞士布魯克)分析29Si譜和27Al譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰的化學組成和物相分析

對3種粉煤灰樣品的化學組成和物相組成進行分析，結(jié)果如表1和圖1所示。

由表1可知：1號、2號和3號這3種粉煤灰的氧化鋁質(zhì)量分數(shù)分別為39.75%，34.16%和41.73%，都屬于高鋁粉煤灰，其鋁硅質(zhì)量比分別為0.92，0.82和0.83。粉煤灰的化學成分主要是Al2O3和SiO2，兩者質(zhì)量分數(shù)合計占75%~90%。

粉煤灰主要成分除了氧化鋁和二氧化硅之外，還含有一定量的氧化鐵、三氧化硫、氧化鈦、氧化鈣和氧化鈉等。由于矸石電廠采用石灰脫硫，因此，1號和2號粉煤灰中CaO和SO3質(zhì)量分數(shù)較高，CaO質(zhì)量分數(shù)分別為5.14%和10.09%，SO3質(zhì)量分數(shù)分別為1.70%和5.29%。加石灰脫硫后三氧化硫在粉煤灰中以硫酸鈣的形式存在，根據(jù)表1中氧化鈣和三氧化硫的質(zhì)量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)氧化鈣質(zhì)量分數(shù)并不滿足其化學式的摩爾質(zhì)量比((CaO):(SO3)=56:80)，說明有部分氧化鈣處于游離態(tài)。

表1 粉煤灰的化學組成(質(zhì)量分數(shù))

注：鋁硅質(zhì)量比為氧化鋁與二氧化硅的質(zhì)量比。

(a) 1號粉煤灰；(b) 2號粉煤灰；(c) 3號粉煤灰

由圖1可知：1號粉煤灰的物相主要是石英、莫來石、硬石膏和方解石，2號粉煤灰主要物相為硬石膏、石英和赤鐵礦，3號粉煤灰物相主要為莫來石和石英；3種粉煤灰在2角為15°~35°區(qū)域出現(xiàn)了較寬大的“丘狀”衍射峰，說明粉煤灰中還存在非晶態(tài)玻璃體物質(zhì)。其中，1號和2號粉煤灰非晶態(tài)玻璃體物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高，而3號粉煤灰結(jié)晶狀態(tài)較好，非晶態(tài)玻璃體質(zhì)量分數(shù)相對較低。

2.2 粉煤灰的紅外分析

為了研究3種粉煤灰的特征官能團組成，對粉煤灰進行傅里葉紅外光譜分析[18]，結(jié)果如圖2所示。

1—1號粉煤灰；2—2號粉煤灰；3—3號粉煤灰。

紅外圖譜中，3 000~4 000 cm?1之間的特征峰緣于[OH]?伸縮振動，1 430 cm?1附近的峰為碳酸鹽的特征 峰，1 100 cm?1附近的強吸收峰緣于Si—O—Si(Al)非對稱伸縮振動。850 cm?1附近吸收譜帶緣于Si—O—末端氧振動，570 cm?1附近的峰為O—Al—O彎曲振動峰，表示物質(zhì)中存在[AlO6]八面體，它與1 100 cm?1附近的特征峰一起可以說明物質(zhì)中存在莫來石。 470 cm?1附近的中等強度吸收譜對應Si—O的彎曲振動和K—O，Ca—O和Na—O的伸縮振動耦合帶。從圖2可以發(fā)現(xiàn)：1號和2號粉煤灰與3號粉煤灰相比，在570 cm?1附近的曲線峰雜而且不明顯，說明1號和2號粉煤灰中莫來石物相較少，結(jié)晶狀態(tài)較差。

2.3 粉煤灰NMR29Si圖譜和27Al圖譜

為了研究粉煤灰Si元素和Al元素的存在狀態(tài)，對粉煤灰樣品進行NMR核磁共振光譜[19]分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出：3種粉煤灰中的Si在不同的化學位移處主要表現(xiàn)為Q2(鏈狀硅酸鹽)和Q4(架狀硅酸鹽)這2種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，Al主要以四配位和六配位的形式存在。采用擬合分峰形成高斯線形(Gaussian)來計算每一個共振峰的面積，計算結(jié)果如下：1號粉煤灰中以Q2形式存在的硅與以Q4形式存在的硅的質(zhì)量比為0.57，2號粉煤灰中的質(zhì)量比為0.58，3號粉煤灰中的質(zhì)量比為0.79，1號、2號和3號3種粉煤灰以四配位形式存在的Al和以六配位形式存在的Al大約各占一半。石英中的Si以Q4結(jié)構(gòu)存在，而莫來石的結(jié)構(gòu)比較復雜，屬于正交晶系[20]，有一半Al以四配位的形式形成[AlO4]四面體，另一半Al以六配位的形式形成[AlO6]八面體。SCHMUCKER等[20]的研究說明莫來石中Si主要以Q2形式存在，1號和2號粉煤灰XRD圖譜中莫來石相并不多，紅外分析中表征莫來石的特征峰并不穩(wěn)定，說明以Q2存在的Si主要來自于玻璃體中的無定形莫來石；3號粉煤灰XRD圖譜中有大量的莫來石相，紅外分析中也發(fā)現(xiàn)存在穩(wěn)定的莫來石的特征峰，說明以Q2形式存在的Si大部分都是穩(wěn)定的莫來石結(jié)晶相。

(a) 1號粉煤灰29Si NMR圖譜；(b) 1號粉煤灰27Al NMR圖譜；(c) 2號粉煤灰29Si NMR圖譜；(d) 2號粉煤灰27Al NMR圖譜；(e) 3號粉煤灰29Si NMR圖譜；(f) 3號粉煤灰27Al NMR圖譜

結(jié)合本文前面的研究，1號和2號粉煤灰中的硅主要以無定形莫來石、無定形二氧化硅的形式存在，鋁主要存在于非晶態(tài)的剛玉中。3號粉煤灰中硅存在于莫來石、玻璃體和石英中，鋁主要以莫來石等形式存在。Si和Al詳細的存在狀態(tài)見表2和表3。

表2 29Si NMR圖譜化學位移

表3 27Al NMR圖譜化學位移

2.4 粉煤灰預脫硅性能

不同粉煤灰在堿溶液中的預脫硅性能見表4；圖4所示為粉煤灰預脫硅前后的XRD圖譜。

表4 粉煤灰在堿溶液中的預脫硅性能

溶出實驗條件為：Na2O質(zhì)量濃度155 g/L；液固比10:1；120 ℃；30 min。

從表4可知：不同組成和結(jié)構(gòu)的3種粉煤灰在堿溶液中的預脫硅性能相差較大。其中，3號粉煤灰的SiO2溶出率最高，達到59.37%，1號粉煤灰SiO2溶出率為20.95%，而2號粉煤灰SiO2溶出率最低，只有7.31%，說明在相同條件下，組成和結(jié)構(gòu)對粉煤灰的預脫硅性能影響較大。經(jīng)堿溶液預脫硅后，3種粉煤灰脫硅渣的鋁硅比相對原灰都有所提高，其中3號粉煤灰鋁硅比提高幅度最大，鋁硅比由0.83提高到2.09。

(a) 1號粉煤灰和脫硅渣；(b) 2號粉煤灰和脫硅渣；(c) 3號粉煤灰和脫硅渣

從圖4可知：預脫硅后這3種粉煤灰在15°~35°之間出現(xiàn)的“丘狀”衍射峰大大減弱，3號粉煤灰減弱程度最大，2號粉煤灰程度最小，這與預脫硅率相對應。同時也發(fā)現(xiàn)1號和2號粉煤灰脫硅渣中酸溶硅質(zhì)量分數(shù)很高，說明這兩種粉煤灰處理后的渣相中存在較多硅渣。1號和2號粉煤灰中有大量的玻璃體，玻璃體中有很多鋁硅非晶態(tài)化合物，晶型不穩(wěn)定，易與堿液發(fā)生反應生成鈉硅渣和鈣硅渣，所以，在XRD圖譜中發(fā)現(xiàn)1號粉煤灰脫硅渣中形成了大量的鈉硅渣相，2號粉煤灰除了形成鈉硅渣外，還形成了鈣硅渣相。3號粉煤灰物相簡單，非晶態(tài)玻璃體含量較少，其中剛玉和莫來石相比較穩(wěn)定，不會與堿發(fā)生反應，所以，發(fā)生副反應的概率較小。由于鈉硅渣和鈣硅渣的形成，導致已經(jīng)溶出的SiO2又進入渣中，從而造成預脫硅率降低。

2.5 粉煤灰堿溶預脫硅強化

將溶出性能較差的2種粉煤灰(1號和2號粉煤灰)進行熱處理，在1 000 ℃下熱處理1.5 h，自然冷卻，然后考察堿溶預脫硅性能的變化，實驗結(jié)果如表5所示，圖5所示為粉煤灰熱處理前后以及預脫硅后的XRD圖譜分析。

表5 熱處理對粉煤灰堿溶性能的影響

熱處理條件：1 000 ℃；1.5 h；自然冷卻。

溶出實驗條件：Na2O質(zhì)量濃度為155 g/L；液固比為10:1；120 ℃；30 min。

由表5可知：1號和2號粉煤灰經(jīng)過熱處理之后在同樣的堿溶條件下進行預脫硅反應，預脫硅率都有所提高；1號粉煤灰預脫硅率從21.95%提高至60.74%，2號粉煤灰預脫硅率從7.31%提高至25.57%；其中酸溶硅質(zhì)量分數(shù)也都相應減少，1號粉煤灰脫硅渣中從0.94降至0.50，2號脫硅渣中從0.97降至0.86。

由圖5可知：1號和2號粉煤灰預脫硅性能大幅提高，是因為熱處理之后粉煤灰晶型更加穩(wěn)定，其中非晶態(tài)隆起部分減小，且形成更穩(wěn)定的莫來石相和少量長石，而Al主要以莫來石的形式存在，從而大大減少與堿和硅反應生成鈉硅渣的量，所以，溶出率大幅度上升；2號粉煤灰經(jīng)過熱處理后晶型也越趨穩(wěn)定，但由于含有較多的鈣，堿溶過程與硅反應生成鈣硅渣，導致預脫硅率不能大幅度提高，只能達到25.57%。為了更清楚地了解粉煤灰熱處理之后結(jié)構(gòu)上的變化，進行了NMR圖譜分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6所示為1號和2號粉煤灰熱處理后的NMR圖譜，相比熱處理之前，29Si圖譜有了較大的變化，其中Si結(jié)構(gòu)主要由Q2和Q4轉(zhuǎn)變?yōu)镼1，Q2，Q3以及少量Q4結(jié)構(gòu)，27Al在圖譜變化不大，主要還是以四配位與六配位的形式存在[21]。

(a) 1號粉煤灰—熱處理—脫硅渣；(b) 2號粉煤灰—熱處理—脫硅渣

Q3結(jié)構(gòu)說明粉煤灰中存在偏高嶺石，這是由粉煤灰中的高嶺石在熱處理過程中分解形成，存在Q1和Q2結(jié)構(gòu)說明偏高嶺石已經(jīng)部分分解形成莫來石相和無定形SiO2，少量的Q4結(jié)構(gòu)說明還存在石英相，大部分石英相(包括非晶態(tài)石英)在熱處理過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌€(wěn)定的物相，小部分在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英相。其中29Si譜在化學位移為80左右和100左右的峰說明存在Al—Si尖晶石，峰很雜且不明顯，Al—Si尖晶石的中只存在六配位Al，相比熱處理之前，圖譜上代表六配位的峰并沒有增強的趨勢，說明形成的Al—Si尖晶石并不多。對比熱處理前后27Al的NMR圖譜，發(fā)現(xiàn)熱處理后四配位的峰面積有所增大，且比六配位體的峰高而尖銳，說明隨著溫度升高，以六配位形式存在的Al會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗呐湮恍问健?/p>

粉煤灰熱處理后形成的Al—Si尖晶石以非晶態(tài)玻璃體形式存在，但Al的結(jié)晶態(tài)主要以γ-Al2O3和莫來石的形式存在，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易被堿溶出，從而使粉煤灰的脫硅率增加。

(a) 活化后1號粉煤灰29Si NMR圖譜；(b) 活化后1號粉煤灰27Al NMR圖譜；(c) 活化后2號粉煤灰29Si NMR圖譜；(d) 活化后2號粉煤灰27Al NMR圖譜

3 結(jié)論

1) 粉煤灰中的鈣易與溶出的硅和鋁發(fā)生反應生成大量的鈣硅渣，導致預脫硅率降低，高鈣含量不利于堿溶預脫硅。

2) 低溫形成的粉煤灰中硅和鋁主要以非晶態(tài)玻璃體形式存在，易與堿反應最終生成鈉硅渣，對堿溶預脫硅過程不利，導致低預脫硅率；高溫形成的粉煤灰中鋁和硅主要以穩(wěn)定的莫來石相存在，預脫硅率高。

3) 低溫形成的粉煤灰經(jīng)高溫熱處理活化后，由非晶態(tài)玻璃體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的γ-Al2O3、β-石英、Al-Si尖晶石和莫來石相，這一過程有利于預脫硅，1號粉煤灰預脫硅率由21.95%提高至60.74%，2號粉煤灰預脫硅率由7.31%提高至25.57%。

[1] 雷瑞, 付東升, 李國法, 等. 粉煤灰綜合利用研究進展[J]. 潔凈煤技術(shù), 2013, 19(3): 106?109. LEI Rui, FU Dongsheng, LI Guofa, et al. Research progress of fly ash comprehensive utilization[J]. Clean Coal Technology, 2013, 19(3): 106?109.

[2] HE Yi, LUO Qingming, HU Hualong. Situation analysis and countermeasures of China's fly ash pollution prevention and control[J]. Procedia Environmental Sciences, 2012, 16: 690?696.

[3] DWIVEDI S, SAQIB Q, Al-KHEDHAIRY A A, et al. Characterization of coal fly ash nanoparticles and induced oxidative DNA damage in human peripheral blood mononuclear cells[J]. Science of the Total Environment, 2012, 437(6): 331?338.

[4] XU Xuebin, ZHU Yingbao, ZHANG Sheng, et al. Research on optimizing process of pre-desilication of high-aluminum fly ash[J]. Light Metals, 2013, 35(7): 18?21.

[5] LIU Xiaoting, WANG Baodong, XIAO Yongfeng, et al. Alumina extraction from alumina rich fly ash generated from Inner-Mongolia Chinese coal[J]. Advanced Materials Research, 2014, 1065/1066/1067/1068/1069: 1725?1731.

[6] WANG Mingwei, YANG Jing, MA Hongwen, et al. Extraction of aluminum hydroxide from coal fly ash by pre-desilication and calcination Methods[J]. Advanced Materials Research, 2011, 396/397/398: 706?710.

[7] CANTY G A, EVERETT J W. Alkaline injection technology: field demonstration[J]. Fuel, 2006, 85(17/18): 2545?2554.

[8] MATJIE R H, BUNT J R, HEERDEN J H P V, et al. Extraction of alumina from coal fly ash generated from a selected low rank bituminous South African coal[J]. Minerals Engineering, 2005, 18(3): 299?310.

[9] LIU Yuanyuan, WANG Jiajia, LIN Xiang, et al. Microstructures and thermal properties of municipal solid waste incineration fly ash[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2012, 19(3): 855?862.

[10] 石振武. 酸浸法提取粉煤灰中氧化鋁的研究新進展[J]. 廣東化工, 2013, 40(5): 62?63. SHI Zhenwu. The research achievement on acid leaching alumina from fly ash[J]. Guangdong Chemistry, 2013, 40(5): 62?63.

[11] 吳艷, 翟玉春, 李來時, 等. 新酸堿聯(lián)合法以粉煤灰制備高純氧化鋁和超細二氧化硅[J]. 輕金屬, 2007(9): 24?27. WU Yan, ZHAI Yuchun, LI Laishi, et al. Preparation of high-purity A12O3and superfine SiO2from fly ash by the new acid and alkali combination method[J]. Light Metals, 2007(9): 24?27.

[12] 孫培梅, 童軍武, 徐紅艷, 等. 從粉煤灰中提取氧化鋁熟料溶出過程工藝研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2010, 41(5): 1698?1702. SUN Peimei, TONG Junwu, XU Hongyan, et al. Study on leaching process of sintered powder in extracting alumina from fly ash[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2010, 41(5): 1698?1702.

[13] YAN Wei, FENG Youli, YU Minggao, et al.Comprehensive utilization of fly ash[J]. Advanced Materials Research, 2012, 518/519/520/521/522/523: 701?704.

[14] 閆學良. 大唐高鋁粉煤灰預脫硅-堿石灰燒結(jié)法工藝中石灰石煅燒裝置的選擇[J]. 輕金屬, 2013(7): 26?29. YAN Xueliang. Selection of limestone calcination equipment in pre-desilication-soda-lime sintering process for high alumina ash[J]. Light Metals, 2013(7): 26?29.

[15] ZHU Ganyu, LI Huiquan, WANG Xingrui, et al. Synthesis of calcium silicate hydrate in highly alkaline system[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2016, 99(8): 2778?2785.

[16] 王勇, 申立苗, 朱應寶. 高鋁粉煤灰預脫硅堿石灰燒結(jié)法提鋁硅鈣渣脫堿工藝研究[J]. 輕金屬, 2015(8): 10?14. WANG Yong, SHEN Limiao, ZHU Yingbao. Study on dealkalization of silicium-calcium slag from pre-desilication soda lime sintering process with high-alumina fly ash[J]. Light Metals, 2015(8): 10?14.

[17] 周秋生, 李龍騰, 彭志宏, 等. 高鋁粉煤灰在堿溶過程中的結(jié)構(gòu)演變及行為[J]. 礦冶工程, 2014, 34(5): 89?92. ZHOU Qiusheng, LI Longteng, PENG Zhihong, et al. Structure evolution of high-aluminum coal fly ash during alkaline treatment process[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2014, 34(5): 89?92.

[18] MOZGAWA W, KROL M, DYCZEK J, et al. Investigation of the coal fly ashes using IR spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part A Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2014, 132(21): 889?894.

[19] CRIADO M, FERNANDEZ-JIMENEZ A, PALOMO A, et al. Effect of the SiO2/Na2O ratio on the alkali activation of fly ash. part Ⅱ:29Si MAS-NMR survey[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 109(1/2/3): 525?534.

[20] SCHMUCKER M, SCHNEIDER H, MACKENZIE K J D, et al. AlO4/SiO4distribution in tetrahedral double chains of mullite[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2005, 88(10): 2935?2937.

[21] NIE Yimiao, XIA Maohui, NIU Fusheng, et al.29Si and27Al MAS-NMR studies of fly ash changes during the polymerization of mineral polymer[J]. Advanced Materials Research, 2011, 156/157: 794?798.

Composition and structure of coal fly ash and its effect on pre-desilication in alkali solution

LIAN Xuan, PENG Zhihong, QI Tiangui, ZHOU Qiusheng, LIU Guihua, LI Xiaobin, XIAO Xiaolong

(National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Refractory Non-ferrous Metal Resources, School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China)

The compositions and structures of three forms of high aluminum fly ashes and their effects on pre-desilication in alkali solution were studied by using modern detection techniques of Fourier infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance spectrometer. The results show that the silicon in fly ashes exists mainly in the forms of Q2(tecto-silicates) and Q4(chain-silicates), while aluminum is in four-coordinate and tetrahedral crystal [AlO4] or six-coordinate and octahedral crystal [AlO6]. Silicon and aluminum in fly ashes formed at low temperature mainly exist as amorphous vitreous phases, which are disadvantageous to the alkali-soluble pre-desilication process, resulting in a low pre-desilication ratio. Amorphous vitreous phases convert to more stable γ-Al2O3, β-quartz, Al-Si spinel, and mullite phases with the treatment at elevated temperature, which can obviously improve the pre-desilication performance of fly ashes. Additionally, calcium has an adverse effect on alkali-soluble pre-desilication process and decreases the pre- desilication ratio, for it easily reacts with the dissolved silicon and aluminum to form a large amount of calcium aluminosilicate hydrate.

high aluminum fly ashes; structures; alkali solution; pre-desilication; mullite

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.003

TF821

A

1672?7207(2018)07?1590?08

2017?07?12；

2017?10?14

國家自然科學基金資助項目(51374239)；中南大學“創(chuàng)新驅(qū)動計劃”項目(2015CX001) (Project(51374239) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015CX001) supported by Innovation-driven Plan in Central South University, China)

彭志宏，博士，教授，從事堿法冶金過程研究；E-mail: pengzh@csu.edu.cn

(編輯 楊幼平)