粉煤灰作为排放量最大的固体废弃物之一,其研究和利用领域越来越广泛。粉煤灰中往往含有较大量的氧化铝,有的甚至高达50%。从粉煤灰中提取氧化铝已经成为实现此种固体废弃物高附加值利用的最佳途径之一。然而,粉煤灰提取氧化铝过程中还会排放大量的固体废弃物-粉煤灰提铝渣。如果不对这些粉煤灰提铝渣进行利用,将会产生二次污染,直接影响粉煤灰综合利用率。因此,对粉煤灰提铝渣的利用研究至关重要。从已有的文献报道可以看出,直至目前有关粉煤灰提铝渣的相关研究寥寥无几。本文对酸法提取氧化铝方法所产生的粉煤灰提铝酸溶渣特性进行探究,在此基础上根据其特点开展相关利用研究,为粉煤灰提铝渣的综合利用提供理论依据和实践经验。粉煤灰酸溶渣主要由无定形二氧化硅和部分未溶出的氧化铝组成,形态为不规则状颗粒,其化学组成与沸石相近,可以作为合成沸石的原料。实验采用一步水热法,通过调整水热温度、时间、碱度、固液比、晶种使用量合成不同类型高纯度单一相的沸石。对原料、合成沸石进行形貌、物相、比表面积、孔径、红外等分析,并对酸溶渣合成沸石的机理进行探究。结果表明:以酸渣为原料可以制备结晶度高、物相纯净的X型和P型沸石,两种沸石的比表面积为314.8 m2/g和78.1 m2/g,具有作为吸附剂材料的潜力。利用沸石比表面积大的特点,对其作为吸附剂吸附水中有机染料和重金属离子进行了探究。以两种不同类型的沸石分别对染料亚甲基蓝和Cr3+为目标污染物进行吸附实验。考察了吸附时间、溶液p H值等因素对有机染料和重金属离子吸附效率的影响。结果表明:两种沸石对有机染料和重金属离子的吸附量大、去除率高,6 h可达到了吸附平衡。X型沸石对两种污染物的吸附量均高于P型沸石。X型和P型沸石对亚甲基蓝和重金属离子的吸附符合Langmuir等温吸附模型。通过动力学研究表明,两种沸石吸附过程符合二级动力学模型,是受内扩散和吸附剂表面活性点位吸附共同控制。利用粉煤灰酸溶渣中非晶态二氧化硅含量高的特点,采用一步水热方法进行托勃莫来石的制备。考察初始反应体系中Ca O/Si O2摩尔比、水热温度、水热时间等对托勃莫来石晶体形成的影响,并比较了酸溶渣中未燃碳和未被提取出的氧化铝对合成的影响。结果表明:初始反应体系中的钙硅摩尔比在0.8-1.1、水热温度高于180 oC、水热时间6 h时可合成结晶度良好的托勃莫来石晶体。通过对酸溶渣煅烧处理,研究酸溶渣中未燃碳对合成托勃莫来石的影响。结果表明:酸渣中的未燃碳对托勃莫来石的形成过程无显著影响,但降低了托勃莫来石的结晶度。酸溶渣中剩余氧化铝在合成托勃莫来石碱性条件下的溶出,可以加速托勃莫来石结晶的形成。托勃莫来石结构孔洞中含有大量的Ca2+和Na+,可以与溶液中重金属离子进行离子交换,因此,可用于污水处理。利用这一特性,对托勃莫来石吸附重金属离子Cr3+进行了探究。通过调整吸附剂使用量、溶液p H值、污染物初始浓度等影响因素优选最佳的使用条件。结果表明:纯净的托勃莫来石对Cr3+的吸附容量为4.0 mmol/g,含有未燃碳的托勃莫来石适用于Cr3+的初始浓度为0-20 mmol/L,而纯净的托勃莫来石的适用范围为0-35 mmo/L。通过对吸附动力学的研究结果表明吸附过程可以分为三个阶段:首先,托勃莫来石表面的Ca2+和Na+与Cr3+进行交换并发生络合反应,主要受表面吸附控制;其次,Cr3+沿着孔道进入托勃莫来石晶体结构中,同结构中的Ca2+进行交换,部分发生络合反应,此时主要受颗粒内扩散控制;最后,在平衡过程中,溶液中Ca2+和Cr3+浓度不再发生变化,结构完全被破坏逐渐接近于平衡。托勃莫来石在吸附Cr3+的过程中,结构逐渐被破坏,吸附过程为不可逆过程。未燃碳的存在降低了托勃莫来石的结晶度,因此,含碳托勃莫来石的最大吸附容量小于纯净托勃莫来石的最大吸附容量。利用酸渣为硅质原料与氢氧化钙反应制备硬硅钙石超轻纤维处理,考察了初始反应体系中Ca O/Si O2摩尔比、水热温度、水热时间等对硬硅钙石晶体形成的影响。结果表明:粉煤灰酸溶渣与氢氧化钙在Ca O/Si O2摩尔比为1.0间,水热温度为240 oC、水热时间为72 h、硅质原料溶液中Si O2浓度低于34 g/L时,可以形成结晶度较好的硬硅钙石。硬硅钙石的形成过程分为以下四个阶段:即C-S-H凝胶的生成、钙硅凝胶向托勃莫来石转变、托勃莫来石转变成硬硅钙石、硬硅钙石晶体的形成及长大。使用电石渣代替纯化学试剂氢氧化钙,仍可实现与硅质废渣合成硬硅钙。探究了电石渣中碳、铝等杂质对合成硬硅钙石的影响。实验结果表明:电石渣中的氧化铝可以促进硬硅钙石纤维的形成与生长,而电石渣中残留碳对硬硅钙石纤维的形成起阻碍作用。硬硅钙石的形成过程分为以下五个阶段:即C-S-H凝胶的生成、钙硅凝胶向托勃莫来石和针钠钙石转变、针钠钙石转变成托勃莫来石,托勃莫来石转变成硬硅钙石、硬硅钙石晶体的形成及长大。通过使用硅微粉代替酸溶渣制备硬硅钙石的比较实验发现,酸溶渣中的氧化铝对硬硅钙石的形成起促进作用。使用硅微粉为原料合成硬硅钙石时,适当加入氧化铝也可以促进反应的进行。
