CN111592001A - 一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业固废回收处理技术领域，公开了一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法。将粉煤灰与碱式金属盐活化剂及金属盐调节剂混合研磨过筛，然后在700～1100℃温度下焙烧活化处理，所得固体与水搅拌混合均匀后在70～200℃温度下水热反应，反应液冷却后过滤，固体经洗涤烘干得到LDHs纳米级粉体，滤液经碳分法处理，得到纳米白炭黑SiO2。本发明方法既可以解决粉煤灰的堆积问题，又能高值化回收利用粉煤灰中的有价金属及其二氧化硅。整个过程环保无污染，没有产生有害的三废排入环境，具有成本低廉，经济环保，流程简单，易于操作的优点。
Description
技术领域
本发明属于工业固废回收处理技术领域，具体涉及一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法。
背景技术
随着现代工业与城市的飞速发展，我国对燃煤的需求也越来越大，因此，粉煤灰的产量逐年增加。粉煤灰中主要是由氧化铁、氧化铝、氧化钙、氧化钠等金属氧化物和二氧化硅等无机化合物组成的细小粉尘。堆积成山的粉煤灰严重占用了我国的耕地面积，造成了严重的土地资源的浪费，并且粉煤灰中的金属盐会破坏土地酸碱平衡，甚至会污染地下水。因此，将粉煤灰进行低成本的资源化利用是亟需解决的研究内容。
粉煤灰中含有的金属离子可以进行回收利用，然而粉煤灰中的金属离子难以分离，在现有的粉煤灰回收有价金属研究中，研究的粉煤灰大多为高铝粉煤灰，回收低铝粉煤灰将会产生较大的成本，因此，我国产生的粉煤灰中许多低铝粉煤灰并没有进行回收，而是将粉煤灰用作水泥，烧制砖块或者陶瓷等。如专利CN201810355143.2中公开了将粉煤灰与石英矿尾渣、改性软木颗粒、生石灰等进行混合，进行预处理后再压制成保温砖。该专利有效的将粉煤灰进行了回收利用，但是没有经粉煤灰中的铝、铁、钙等金属盐进行充分的利用。专利CN104445307A公开了一种粉煤灰的处理方法，通过将粉煤灰研磨后添加碳酸钠焙烧处理，烧结产物用水浸取，浸取液用二氧化碳碳分并过滤后得到硅胶与氢氧化铝混合物。然后用盐酸进行中和，过滤后得到硅胶，再经煅烧得到白炭黑。得到的氯化铝溶液进行蒸发浓缩，结晶，热解获得初氧化铝，将含有三氧化二铁的初氧化铝用拜耳法进行处理，得到冶金级氧化铝和高铁渣。该专利虽然回收了粉煤灰中的二氧化硅成分，且回收了铁和铝金属成分，但仍然无法实现粉煤灰的全资源化利用。
层状双氢氧化物(Layereddoublehydroxides，LDHs)，又叫类水滑石，主要是由镁八面体和铝氧八面体组成。层状双金属氢氧化物主要是由两种或两种以上的二价和三价金属离子构成，其中二价金属离子包括Mg2+，Ca2+，Ni2+，Cu2+，Co2+等，三价金属离子包括Fe3+、Al3+、Cr3+等阳离子。阴离子包括CO3 2-，NO3 -，Cl-，OH-，SO4 2-，PO4 3-等。层状双金属氢氧化物因其特殊的结构、高比表面积，以及弱碱性等特点，被广泛的应用于水环境中的重金属离子和有机染料等污染物的降解、催化和医药等领域。
因此将粉煤灰中的金属氧化物作为金属源制备LDHs纳米级粉体，同时，将粉煤灰中的二氧化硅制备高纯度的纳米白炭黑SiO2，不仅可以有效的避免回收及提纯金属而造成的巨大成本，而且可以将粉煤灰进行高值化的回收利用。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法。本发明方法以粉煤灰为原料，碱式金属盐充当活化剂并且用金属盐调节粉煤灰中的金属离子比例，再采用水热法制备LDHs纳米级粉体与白炭黑。本发明方法与现有的资源化回收利用粉煤灰的方法相比，更加的经济环保、合成方法简单，成本低，环境友好，固废资源化综合利用更彻底。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，包括如下步骤：
(1)将粉煤灰与碱式金属盐活化剂及金属盐调节剂混合研磨过筛，得到固体混合物；
(2)将步骤(1)所得固体混合物在700～1100℃温度下焙烧活化处理；
(3)将步骤(2)中得到的固体与水搅拌混合均匀，随后在70～200℃温度下水热反应，反应完成后冷却至室温；
(4)将步骤(3)的混合溶液进行过滤，固体经洗涤烘干得到LDHs纳米级粉体，滤液经碳分法处理，得到纳米白炭黑SiO2。
优选地，步骤(1)中所述的碱式金属盐活化剂选自碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的至少一种。
进一步优选地，所述碱式金属盐活化剂的加入量为粉煤灰质量的10％。
优选地，步骤(1)中所述的金属盐调节剂选自氢氧化铝、氧化钙、氢氧化钙、硫酸钙、碳酸镁、硫酸镁、氧化镁、氢氧化镁中的至少一种。
进一步优选地，所述金属盐调节剂的加入量为粉煤灰质量的1～2倍。
优选地，步骤(1)所得固体混合物中，二价金属离子和三价金属离子M2+/M3+的摩尔比范围为(2.5～4.5):1；所述二价金属离子包括Mg2+和Ca2+，三价金属离子包括Fe3+和Al3+。
优选地，步骤(2)中所述焙烧活化处理的时间为2～6h。
优选地，步骤(3)中所述固体与水混合的质量比为1:(20～60)。
优选地，步骤(3)中所述水热反应的时间为10～30h。
优选地，步骤(4)中所述烘干的温度为50～105℃。
优选地，步骤(4)中所述碳分法处理的具体步骤为：向步骤(4)的滤液通入30～60min的CO2气体，实时监测直到pH值为9～10；随后将溶液中的H2SiO3沉淀进行沉降分离，固体物经过烘干后得到白炭黑SiO2，液体物(含Na2CO3)与石灰乳进行混合，在95～105℃的条件下进行苛化，得到的CO2和CaO循环使用。
本发明原理如下：
利用碱式金属盐活化剂的碱性将粉煤灰中的二氧化硅、莫来石相等物质的结构破坏，其原理是在高温下粉煤灰中的Al6Si2O13、SiO2能够与碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钾等金属盐发生反应，使二氧化硅和莫来石相中的Si-O-Si、Si-O-Al等化学键断裂，从而破坏粉煤灰中的玻璃微珠。将焙烧后的产物溶于水中，活化后的粉煤灰在水热反应条件下重新晶化，形成LDHs；硅酸盐溶液以离子状态进入溶液中，通过碳分法处理后，硅酸盐以硅酸的形式沉淀下来，最后可以得到白炭黑。
本发明的处理方法具有如下优点及有益效果：
(1)本发明方法既可以解决粉煤灰的堆积问题，又能高值化回收利用粉煤灰中的有价金属及其二氧化硅。
(2)本发明方法通过将粉煤灰与碱式盐混合焙烧可以有效的破坏粉煤灰中的二氧化硅及莫来石相等物质的结构，通过水热法得到LDHs纳米级粉体，上清液用碳分法进行处理可以得到高纯度的白炭黑。通过焙烧、水热处理的方法对粉煤灰进行回收利用，具有成本低廉，经济环保，流程简单，易于操作的优点。
(3)本发明方法在整个粉煤灰回收过程中，没有产生有害的三废排入环境，整个过程环保无污染。粉煤灰中金属离子以及二氧化硅都得到了有效回收，没有浪费其中的有价元素。
附图说明
图1为本发明实施例中所用粉煤灰的能谱分析结果图。
图2为本发明实施例中的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的工艺流程图。
图3为本发明实施例中所用粉煤灰(a)及与金属盐混合、焙烧活化后的粉煤灰(b)的扫描电镜图。
图4为本发明实施例中经焙烧活化后的粉煤灰的外观形貌图。
图5为本发明实施例中所得纳米级LDHs粉体的外观形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中所使用的粉煤灰来源为新疆德安环保公司燃煤产物粉煤灰。其能谱分析结果如图1所示。
实施例1
本实施例的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其工艺流程图如图2所示。具体步骤如下：
(1)将5g粉煤灰与0.5g碳酸钠、2.96g氢氧化钙与2.68g氢氧化镁进行混合研磨。
(2)将(1)中得到的固体放置于马弗炉中进行焙烧，焙烧温度为700℃，焙烧时间为2.5小时。焙烧结束后，自然冷却至室温。
(3)将(2)中得到的固体与水按照1:50的质量比进行混合，充分搅拌10h，随后移入聚四氟乙烯的反应釜中在180℃条件下水热反应24h，自然冷却至室温。
(4)将(3)中得到的悬浊液进行过滤，并且将得到的固体用水洗涤多次，在60℃的烘箱中烘干即可得到纳米级LDHs粉体。过滤得到的硅酸盐溶液用碳分法处理，主要步骤如下：向过滤得到的硅酸盐溶液中通入30-60min的CO2气体，实时监测直到pH值为9-10为止。随后将溶液中的H2SiO3沉淀进行沉降分离，经过烘干后得到白炭黑SiO2。将碳分后的滤液(Na2CO3)与石灰乳进行混合，在95-105℃的条件下进行苛化，得到的CO2可返回泵中循环利用，CaO可循环使用用于苛化。
本实施例中所用粉煤灰(a)及与金属盐混合、焙烧活化后的粉煤灰(b)的扫描电镜图如图3所示。由图3可见，通过金属盐焙烧活化破坏了粉煤灰中的玻璃微珠结构。经焙烧活化后的粉煤灰的外观形貌图如图4所示。
本实施例所得纳米级LDHs粉体的外观形貌图如图5所示。
本实施案例处理5g粉煤灰废渣，回收了3.9g纳米级LDHs粉体，以及2.1g纳米白炭黑SiO2。
实施例2
(1)将5g粉煤灰与0.5g碳酸钠、2.96g氢氧化钙、3.28g氢氧化镁、0.78g氢氧化铝进行混合研磨。
(2)将(1)中得到的固体放置于马弗炉中进行焙烧，焙烧温度为900℃，焙烧时间为2.5小时。焙烧结束后，自然冷却至室温。
(3)将(2)中得到的固体与水按照1:50的质量比进行混合，充分搅拌10h，随后移入聚四氟乙烯的反应釜中在180℃条件下反应24h，自然冷却至室温。
(4)将(3)中得到的溶液进行过滤，并且将得到的固体用水洗涤多次，在60℃的烘箱中烘干即可得到纳米级LDHs粉体。过滤得到的溶液用碳分法处理，即可得到纳米白炭黑SiO2。
本实施案例处理5g粉煤灰废渣，回收了4.4g纳米级LDH粉体，以及2.2g纳米白炭黑SiO2。
实施例3
(1)将5g粉煤灰与0.5g碳酸钠、1.48g氢氧化钙、3.85g氢氧化镁进行混合研磨。
(2)将(1)中得到的固体放置于马弗炉中进行焙烧，焙烧温度为1100℃，焙烧时间为2.5小时。焙烧结束后，自然冷却至室温。
(3)将(2)中得到的固体与水按照1:50的质量比进行混合，充分搅拌10h，随后移入聚四氟乙烯的反应釜中在180℃条件下反应24h，自然冷却至室温。
(4)将(3)中得到的溶液进行过滤，并且将得到的固体用水洗涤多次，在60℃的烘箱中烘干即可得到纳米级LDHs粉体。过滤得到的溶液用碳分法处理，即可得到纳米白炭黑SiO2。
本实施案例处理5g粉煤灰废渣，回收了4.5g纳米级LDH粉体，以及2.1g纳米白炭黑SiO2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将粉煤灰与碱式金属盐活化剂及金属盐调节剂混合研磨过筛，得到固体混合物；
(2)将步骤(1)所得固体混合物在700～1100℃温度下焙烧活化处理；
(3)将步骤(2)中得到的固体与水搅拌混合均匀，随后在70～200℃温度下水热反应，反应完成后冷却至室温；
(4)将步骤(3)的混合溶液进行过滤，固体经洗涤烘干得到LDHs纳米级粉体，滤液经碳分法处理，得到纳米白炭黑SiO2。
2.根据权利要求1所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的碱式金属盐活化剂选自碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：所述碱式金属盐活化剂的加入量为粉煤灰质量的10％。
4.根据权利要求1所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的金属盐调节剂选自氢氧化铝、氧化钙、氢氧化钙、硫酸钙、碳酸镁、硫酸镁、氧化镁、氢氧化镁中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：所述金属盐调节剂的加入量为粉煤灰质量的1～2倍。
6.根据权利要求1所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：步骤(1)所得固体混合物中，二价金属离子和三价金属离子M2+/M3+的摩尔比范围为(2.5～4.5):1；所述二价金属离子包括Mg2+和Ca2+，三价金属离子包括Fe3+和Al3+。
7.根据权利要求1所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：步骤(2)中所述焙烧活化处理的时间为2～6h。
8.根据权利要求1所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：步骤(3)中所述固体与水混合的质量比为1:(20～60)；所述水热反应的时间为10～30h。
9.根据权利要求1所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于：步骤(4)中所述烘干的温度为50～105℃。
10.根据权利要求1所述的一种粉煤灰制备层状双氢氧化物和白炭黑的方法，其特征在于步骤(4)中所述碳分法处理的具体步骤为：向步骤(4)的滤液通入30～60min的CO2气体，实时监测直到pH值为9～10；随后将溶液中的H2SiO3沉淀进行沉降分离，固体物经过烘干后得到白炭黑SiO2，液体物与石灰乳进行混合，在95～105℃的条件下进行苛化，得到的CO2和CaO循环使用。
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