基于环境友好的煤矸石制备新型缓释陶粒中铁的缓释性能研究

2020-06-15刘成龙梁浩白小龙

应用化工 2020年5期

刘成龙，梁浩，白小龙

(宁夏师范学院化学化工学院，宁夏固原 756000)

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物[1]，其占用土地资源、污染周围环境[2]，急需对煤矸石进行资源化综合利用。陶粒是一种多用途人工合成材料，密度小、质量轻、保温、阻燃、结构强度高[3]。陶粒原料以黏土和页岩为主，导致许多优质土地破坏和流失[4]，对自然资源造成不可逆的破坏[5]。以工业固体废弃物替代黏土、页岩生产陶粒[4，6-7]，保护了自然资源，实现了固体废弃物资源化利用的目的[8-10]。

利用煤矸石制备新型缓释陶粒，考察缓释剂浓度、焙烧温度和时间对产品中铁的缓释性能影响，确定焙烧方法，为煤矸石的高效资源化利用提供思路。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

煤矸石，取自固原市彭阳县王洼煤矿，化学成分见表1；无水乙醇、硫酸铁铵、冰乙酸、氨水、无水乙酸钠、磷酸二氢钾、盐酸、硫酸、抗坏血酸、邻菲啰啉均为分析纯。

DHG-9030A型台式电热恒温鼓风干燥箱；SX2-18-12型箱式电阻炉；BRUKER D8型 X射线衍射仪；Zeiss Sigma 500型扫描电子显微镜；UV752型紫外可见光分光光度计；PE-150×250型颚式破碎机。

表1 煤矸石的主要化学成分Table 1 Main chemical components of coal gangue

注：LOI指烧失量。

1.2 陶粒制备

将煤矸石进行机械活化，通过粉碎机破碎，研磨后过100目筛，干燥备用。按液固比15∶4加入30 g/L的磷酸二氢钾溶液，混合、造粒，粒径控制在3～7 mm之间，(290±10)℃干燥2 h，在800 ℃焙烧1 h，冷却至室温，得到陶粒产品。

1.3 陶粒中铁的缓释与测定

将陶粒置于250 mL广口瓶中，加入200 mL蒸馏水，密封，提取。陶粒浸液采用邻菲啰啉分光光度法[11]测量铁离子含量，研究各因素对铁离子缓释效果的影响。

2 结果与讨论

2.1 磷酸二氢钾溶液浓度对陶粒中铁离子缓释性能的影响

磷酸二氢钾溶液按液固比15∶4与煤矸石粉末混合，造粒，干燥2 h，在800 ℃温度下焙烧1 h。磷酸二氢钾溶液浓度对陶粒中铁离子缓释性能的影响见图1。

图1 磷酸二氢钾浓度对煤矸石陶粒中铁离子缓释性能的影响Fig.1 Effect of potassium dihydrogen phosphateconcentration on the sustained release properties ofiron ions in coal gangue ceramsite

由图1可知，铁离子含量随着浸泡时间的增加呈上升趋势。在3～9 h时，铁离子的释放速率较低；9 h以后随着液体充满陶粒内部空隙，以及其硬度发生一定程度的降低，使铁离子释放速率明显提高，36 h后释放速率变缓。磷酸二氢钾浓度为30 g/L时，铁离子缓释性能较好，相同时间内，铁离子的缓释量最高。

2.2 焙烧温度对陶粒中铁离子缓释性能的影响

磷酸二氢钾溶液浓度30 g/L，液固比15∶4与煤矸石粉末混合，造粒，干燥2 h，焙烧温度对陶粒中铁离子缓释性能的影响见图2。

图2 焙烧温度对煤矸石陶粒中铁离子缓释性能的影响Fig.2 Effect of calcination temperature on the sustainedrelease properties of iron ions in coal gangue ceramsite

由图2可知，焙烧温度800 ℃时，铁离子的缓释性能最好，释放量最高。合理控制焙烧温度，使陶粒缓慢陶化，焙烧的温度过高或者过低，都不利于陶粒产品的空隙产生以及陶化层的形成，从而影响陶粒铁离子缓释性能。温度过高，会导致陶化层过于致密，使其浸泡缓释时间延长和释放速率降低；温度过低，则会导致陶化层过薄甚至未形成陶化层，导致在浸泡的过程中铁离子释放速率过快，甚至陶粒产品泡烂掉。

2.3 焙烧时间对陶粒中铁离子缓释性能的影响

磷酸二氢钾溶液浓度为30 g/L，液固比15∶4与煤矸石粉末混合，造粒，干燥2 h，于850 ℃温度下焙烧，焙烧时间对陶粒中铁离子缓释性能的影响见图3。

图3 焙烧时间对煤矸石陶粒中铁离子缓释性能的影响Fig.3 Effect of roasting time on the sustained releaseproperties of iron ions in coal gangue ceramsite

由图3可知，焙烧时间为100 min时，铁离子的缓释性能最好，同等条件下释放量最高。陶粒产品在不同的焙烧时间下，内部结构会经历逐渐变化的过程，合适的焙烧时间能有效地提高煤矸石陶粒的铁离子缓释性能。

2.4 ICP-MS元素分析

为进一步了解钾肥添加剂磷酸二氢钾具体的缓释性能，特别对10，20，30，40，50 g/L的磷酸二氢钾溶液所生产的煤矸石陶粒产品进行了ICP-MS元素含量分析，结果见图4。

图4 新型煤矸石缓释陶粒中各元素的含量Fig.4 Contents of various elements in the newtype of coal gangue slow release ceramsite

由图4可知，在煤矸石中存在9种含量相对较高且植物生长必需的元素，分别为Fe、K、Ca、P、Mn、Mg、Cu、Zn、B[11]。Fe是植物体叶绿素合成和呼吸作用的必需元素；K能促进植物的光合作用以及体内营养物质的合成和运输；Ca能稳定植物细胞壁，保持一些植物体内重要酶的活性以及促进对营养物质的吸收；P能提高植物的抗寒性和抗旱性；Mn直接参与光和作用，酶的组分及调节酶的活性，促进种子萌发和幼苗生长；Mg是叶绿素的构成元素，许多酶的活性剂；Cu是植物体内许多酶的活性剂和促进花器官发育的重要元素；Zn参与光和作用，作为许多酶的成分参与生长素和碳氮代谢作用；B参与细胞壁物质的合成，促进细胞伸长分裂和碳水化合物运输和代谢[12]。