粉煤灰碱溶提硅综合实验设计

＊陈治平 高佳萌 李昕玥 计蓓 周文武 贺新福

（西安科技大学化学与化工学院 陕西 710054）

煤炭长期以来是我国的主要消耗能源[1-3]，我国一半以上的煤炭是用于火力发电，火力发电会产生大量粉煤灰[4-5]。2020年我国粉煤灰产量为781万吨，预计到2024年为925万 吨[6]，粉煤灰已经成为工业固体废料方面最大的污染源[7-8]。放置粉煤灰不仅是对土地资源的浪费，而且对其堆积地周围的空气及水资源甚至是土壤都会产生很大的影响[9-11]。随着人们的环境保护意识越来越强，国家对节能减排的重视程度也日益加深。十九届五中全会通过的“国民经济和社会发展第十四个五年规划”提出了持续推动绿色发展，促进人与自然和谐共生的理念，对我国的生态文明建设提出了更高的目标。要从根本上解决粉煤灰引起的污染问题，对其进行合理的开发利用是最为有效的途径。2021年3月国家发改委发布了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》指出要持续提高粉煤灰综合利用水平，深入推动有价组分提取，加强高附加值产品应用推广。

目前，我国粉煤灰利用主要集中在建筑、建材和筑路等方面[12-13]，这些简单的利用方式虽然减少了粉煤灰的堆放，但是却浪费了粉煤灰中富含的硅、铝资源，实现粉煤灰中硅、铝资源的高附加值利用，不仅有利于环境保护，还具有一定的经济价值。粉煤灰的高价值资源化利用大都处于商业化的初步阶段，主要研究集中在提取硅、铝等有价元 素[14-17]，提取硅、铝等元素的主要方法有烧结法、酸或者碱浸法。中国大唐集团自主开发的“高铝粉煤灰提取氧化铝多联产技术开发与产业示范”于2012年在世界上首次实现工业化生产，是国内外唯一商业化运行的粉煤灰提取氧化铝生产线[18]，但是该工艺路线主要针对高铝粉煤灰，对低铝粉煤灰不能进行很好的利用。本实验设计利用低铝粉煤灰碱溶提硅的综合实验，通过本实验了解低铝粉煤灰的综合利用方法，也使学生能够学会煤系固体废弃物综合利用的方法，加深对绿色化学和环境保护的理解，以此提高学生的综合实验能力和利用基础知识解决实际问题的能力。

1.实验内容

(1)实验原理

粉煤灰中富含硅元素，从粉煤灰中提取硅的方法主要有酸溶法、碱溶法和酸碱联合法，碱溶法是在一定的温度条件下，将粉煤灰与碱溶液混合均匀后反应一段时间，溶出过滤，滤液为硅酸钠溶液，再将滤液经过碳分得到SiO2。本实验选择碱法提硅，即粉煤灰中的二氧化硅与NaOH发生反应生成硅酸钠液体。该反应在常温下反应速度非常缓慢，为加快其反应速率，选择在高温条件下进行。反应方程式如下[19-20]：

2.实验材料与方法

(1)实验试剂与仪器

主要实验试剂见表1。

表1 实验药品

主要实验设备有YZPR-100微型反应釜，循环水式多用真空泵，抽滤瓶，布氏漏斗，101型电热鼓风干燥箱，具体型号见表2。

表2 实验仪器

(2)实验方法

本综合实验主要探究用碱溶法从粉煤灰中提硅时碱溶温度、液固比、NaOH浓度、碱溶时间等因素对SiO2溶出率的影响。首先对粉煤灰进行预处理，将粉煤灰用研钵磨细后过100目筛子进行筛分，将筛好的粉煤灰放入107℃电热鼓风干燥箱内进行干燥，除去粉煤灰表面的水分。用电子天平称取一定量预处理后的粉煤灰和配置好的氢氧化钠溶液，将二者加入微型反应釜内，将反应釜组装起来，设定好温度、时间和搅拌的转速后启动反应釜。在反应结束后待其降温至100℃左右，将物料从反应釜中卸出，趁热倒入布氏漏斗中进行抽滤，收集滤液，滤液即为提硅产品硅酸钠（水玻璃），实验中硅的溶出率采用GB/T 4209-2008推荐方法进行测定。实验流程如图1所示。

图1 粉煤灰碱溶提硅流程图

3.结果与讨论

(1)碱溶温度对SiO2溶出率的影响

由于SiO2与NaOH常温下反应较慢，实验须在高温条件下进行，因此选用可在高温高压下进行反应的YZPR-100型号的微型反应釜。确定每次粉煤灰的进料量为30g。在液固比为2，NaOH溶液浓度为20wt.%，反应时间为2h的条件下，以温度作为实验单因素变量考察温度对粉煤灰中SiO2溶出率的影响。实验结果如图2所示，通过图中的折线走向趋势，可以看出在反应温度达到150℃之前，SiO2溶出率随着温度的升高而增加，150℃时SiO2溶出率最高，之后继续升高温度，SiO2溶出率呈下降趋势，最佳碱溶温度为150℃。

图2 温度对SiO2溶出率的影响

(2)液固比对SiO2溶出率的影响

设定碱溶温度为150℃，NaOH溶液的浓度为20wt.%，反应时间为2h，通过改变粉煤灰与NaOH溶液的质量比，来确定液固比作为单因素对粉煤灰中SiO2浸出率的影响。实验结果如图3所示。由图3可知，液固比为2时，SiO2浸出率最高，在液固比为2之前，随着液固比的增高，粉煤灰中SiO2溶出率呈上升趋势；液固比为2之后，NaOH的量过多，与SiO2反应生成了较多的硅酸钠附着在SiO2表面，阻碍了反应的进行，导致SiO2溶出率随液固比增高呈下降趋势，最佳碱溶液固比为2。

图3 液固比对SiO2溶出率的影响

(3)NaOH浓度对SiO2溶出率的影响

在得出最佳反应温度为150℃，最佳液固比为2后，固定反应时间为2h。配制不同浓度的NaOH溶液与粉煤灰进行脱硅反应，探究NaOH溶液的浓度对SiO2溶出率的影响。结果如 图4所示，在NaOH溶液浓度小于20wt.%时，SiO2浸出率与NaOH浓度呈正比，NaOH浓度大于20wt.%之后，SiO2溶出率与NaOH浓度成反比关系。这也是因为NaOH量的增加，生成了较多硅酸钠附着在SiO2表面，阻碍了反应的进一步发生，最佳NaOH浓度为20wt.%。

图4 NaOH浓度对SiO2溶出率的影响

(4)碱溶时间对SiO2溶出率的影响

在探究出最佳反应温度150℃，最佳液固比为2，最佳NaOH浓度为20wt.%后，改变反应时间，探究反应时间对SiO2溶出率的影响。结果如图5所示，随着反应时间的增加，粉煤灰中SiO2的溶出率升高，到反应时间3h溶出率达到最高，之后继续增加反应时间，SiO2溶出率开始下降，最佳碱溶时间为3h。

图5 碱溶时间对SiO2溶出率的影响

综上可知，碱溶提硅的最佳反应条件为碱溶温度150℃，液固比2，NaOH溶液浓度20wt.%，碱溶时间3h，在此条件下SiO2溶出率为60.76wt.%。

4.结论

粉煤灰富含硅，本文设计了采用碱溶方法对燃煤电厂粉煤灰进行提硅的综合实验。通过单因素试验方法考察了碱溶条件对SiO2溶出率的影响。结果表明，此实验所用粉煤灰碱溶提硅的最佳反应条件为碱溶温度150℃，液固比2，NaOH溶液浓度20wt.%，碱溶时间3h，在此条件下SiO2溶出率为60.76wt.%。本实验对我国粉煤灰的综合治理和高值资源化利用具有一定的理论价值和现实意义，能够让学生了解煤系固体废弃物综合利用相关知识，实验中采用单因素实验实验方法评价碱溶过程的影响因素，碱溶、抽滤、滴定等操作过程能够有效培养学生的动手能力，提高综合实验素质。