用粉煤灰制取白炭黑的工艺现状

徐本军，符秀锋，陈 坤

（贵州大学 材料科学与冶金工程学院，贵州 贵阳 550003）

粉煤灰是煤燃烧后的固体排放物，每燃烧1t煤能产生250～300kg粉煤灰和20～30kg炉渣［1］。粉煤灰中含有大量二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3），两者总量一般在60%以上［2］。粉煤灰的综合利用主要是提取其中的铝和硅化物，或制取白炭黑。

以粉煤灰为原料制取白炭黑主要有气相法、沉淀法、浸出法、熔出法、煅烧法等。近些年来，这些方法都得到了广泛研究，一些方法还得到工业应用。本文总结了这些方法的优缺点，提出影响各方法产品质量及进一步开发利用的制约因素，探讨利用粉煤灰制备白炭黑应注意的问题及研究方向。

1 气相法

气相法主要是通过一定反应将粉煤灰中的硅以气体形式挥发出来，然后利用特定溶液进行水解制取白炭黑。

徐洁明等［3］研究了粉煤灰与氟化钙等的反应，以气相法制备白炭黑。其原理是先对粉煤灰进行焙烧，焙烧物与氟化钙和浓硫酸在加热条件下进行反应，生成的SiF4气体在乙醇溶液中水解，最后将水解沉淀物烘干即得白炭黑产品。反应式如下：

用乙醇溶液作水解液，通过酸解和水解制备白炭黑，方法简洁，有利于提高生产效率、节约成本。但如何更好地控制酸解及水解速率，并且提高液体对气体的吸收率需要进一步研究。

倪良等［4］将浓硫酸滴入经油浴加热至150℃的白炭黑粗产品和氟化钙混合物中使形成SiF4气体，并将气体导入由氨水和分散剂组成的溶液中进行水解制备硅酸铵和氟硅酸铵，然后加入浓氨水使白炭黑析出，再经洗涤、干燥、灼烧等制备白炭黑。

与前一种气相法相比，该法的不同之处只是所用水解液成分不同。本法先用氨水和分散剂组成的溶液将SiF4气体转变为硅酸铵和氟硅酸铵，然后再在浓氨水作用下析出白炭黑，过程较前者稍繁琐，而且更容易引入杂质，成本也相对高一些。

王钧等［5］研究了将反应产生的SiF4气体先与水蒸气结合，然后再进行水解制备白炭黑。反应式如下：

本法制备的白炭黑质量上不如前2种方法，但流程短，所需试剂只有硫酸和氟化钙，若加以改进，对于降低气相法的成本有重大意义。

2 沉淀法

沉淀法生产白炭黑的研究起步较早，相对较成熟，但以粉煤灰为原料的研究并不多，且产品质量较国外同类产品还存在差距。

翟玉祥［2］研究了以沉淀法生产白炭黑，其工艺过程如下：

本法制得的产品纯度不是很高，且工艺流程较为复杂，成胶过程及酸化过程条件不易控制，需要用压滤机及压缩空气，生产过程有些繁琐。

3 浸出法

浸出包括酸浸、碱浸和酸碱联合浸出，是将粉煤灰或经处理过的粉煤灰在酸性或碱性溶液中浸出或综合浸出，最终将其中的硅元素转变为白炭黑。

3.1 酸浸出

酸浸主要用盐酸将粉煤灰中的硅元素转变为硅酸或将粉煤灰中的氧化铝等杂质溶解去除。

王平等［6］以粉煤灰为原料，用酸浸法成功制得白炭黑。先将粉煤灰与烧碱混合进行灼烧激活，然后与盐酸反应，上清液静置陈化，固相即为水和二氧化硅。具体过程如下：

此法工艺简单，操作容易；但酸浸过程及陈化过程易引入杂质，洗涤过程并不能将杂质很好去除，因此会影响产品纯度。如能改进，并有更好的除杂方法，该法不失为一种好方法。

胡将军［7］先利用酸和氟化铵将粉煤灰中的氧化铝去除，再将残渣与烧碱进行碱分解，使没有溶解的SiO2转变为水玻璃，然后加入盐酸陈析得到白炭黑。工艺流程如下：

本法的独特之处在于第一步酸浸时加入了NH4F，提高了粉煤灰中氧化铝的溶解率，并有利于除杂。

余海荣［8］将粉煤灰与石灰石混合后在高温下烧结，然后用盐酸浸出工艺制取白炭黑，实际生产时采用生产乙炔的下脚料电石泥代替石灰石，对于废料的有效利用有重要意义。

3.2 碱浸出

碱浸是将粉煤灰在碱性溶液中进行浸出除去杂质，回收有用元素硅。李歌等［1］研究了以碱溶脱硅液碳化法制备白炭黑。先用NaOH对粉煤灰进行预脱硅，再向脱硅后的滤液通入CO2进行碳化使二氧化硅以偏硅酸胶体形式析出，干燥后进一步制备白炭黑。

这种方法由于受浓度、时间、温度及CO2通气速率等因素影响较为复杂，反应条件不易控制，操作起来也不是很简便。

荆富等［9］利用碱液在常压下浸出粉煤灰，然后用二氧化碳二次碳分浸出液制备高纯白炭黑。具体工艺流程如下：

滤渣进一步处理制备Al2O3。本法第1步碱浸先除去粉煤灰中含量较多的氧化铝，然后通过二次碳分提高滤液中二氧化硅的回收率。碳分后的溶液经处理后再次用于浸出，不仅产品纯度高，所用试剂还可循环利用。碱浸渣用于制备氧化铝。总体来说，本法对于资源的综合利用有一定价值。

3.3 酸碱联合浸出

邓寅生等［10］采用先对粉煤灰进行酸碱两步浸出，浸出渣与碳酸钠混合焙烧，之后再进行二次酸浸法制备白炭黑。工艺流程如下：

本工艺有2步可以制取白炭黑，其中碱浸后所得的白炭黑品质上较二次酸浸后的要高。这种2次酸浸、酸碱浸出相结合的方法大大提高了有用元素的浸出率，且生产过程基本没有污染，是一种较好的方法。

4 熔出法

熔出法的原理主要是将粉煤灰与碳酸钠混合煅烧熔出后，把其中的惰性物质莫来石二氧化硅等活化为活性物质硅铝酸盐［11－13］，然后再用盐酸浸出法制备白炭黑。

班卫静等［11］研究的碱熔出法工艺过程如下：

胡将军［12］及李秀悌等［13］采用的方法与上述方法基本相同。碳酸钠熔出法流程简单，工艺也相对成熟，需要改进的就是要提高成品品质。

5 煅烧法

徐子芳等［14］研究了以低温煅烧法制备白炭黑。先将粉煤灰与碳酸钠混合煅烧，然后用盐酸转化成硅胶，洗涤后再对胶体进行煅烧得到产品白炭黑。本法工艺简单，生产过程无污染，产品纯度很高，具有很好的发展前景。

6 结语

利用粉煤灰制备白炭黑对于提高资源综合利用率、缓解环境压力、提高粉煤灰附加值具有重要意义。目前，以粉煤灰为原料制备白炭黑的方法并不多，还有待于进一步研究。尽可能开发一些工艺简单、易于操作、产品质量高、经济成本相对低的方法仍然是今后研究的重点。

［1］李歌，马鸿文，刘浩，等.粉煤灰碱溶脱硅液碳化法制备白炭黑的实验与硅酸聚合机理研究［J］.化工学报，2011，62（12）：3580－3587.

［2］翟玉祥.用粉煤灰制取白炭黑的工艺方法［J］.黑龙江电力技术，1995，17（3）：148－151.

［3］徐洁明，谢吉民，朱建军.粉煤灰气相法制备纳米白炭黑研究［J］.无机盐工业，2006，3（7）：54－56.

［4］倪良，胡莹海，李晓燕，等.粉煤灰气相－水解法制备纳米白炭黑［J］.橡胶工业2007，54（6）：345－347.

［5］王钧，施善友.新气相法制备白炭黑［J］.硅酸盐通报，2002，21（3）：59－60.

［6］王平，李辽沙.粉煤灰制备白炭黑的探索性研究［J］.中国资源综合利用，2004（7）：25－27.

［7］胡将军.酸溶法从粉煤灰中制取白炭黑的研究［J］.环境科学技术，1996（2）：45－48.

［8］余海荣.由粉煤灰制取铝铁混凝剂和白炭黑［J］.电力环境保护，1992，8（2）：55－57.

［9］荆富，伊茂森，张忠温，等.粉煤灰提取白炭黑和氧化铝的研究［J］.中国工程科学，2012，14（2）：96－106.

［10］邓寅生，徐素娟，谭俊，等.粉煤灰综合利用新工艺［J］.无机盐工业，2009，41（9）：50－53.

［11］班卫静，周霞萍，柯一龙.粉煤灰短流程制取白炭黑的研究［J］.煤矿环保，2011，17（6）：99－102.

［12］胡将军，陈定.碱熔法从粉煤灰中制取白炭黑的研究［J］.适用技术市场，1995（5）：14－15.

［13］李秀悌，姚志通，孙杰.利用粉煤灰制取白炭黑及其表面改性研究［J］.功能材料，2010，41（6）：939－947.

［14］徐子芳，张明旭，李新运.用低温煅烧法从粉煤灰中提取纳米 Al2O3和SiO2［J］.非金属矿，2009，32（1）：27－30.