白泥综合利用产品设计

张小东 赵飞燕(神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

0 引言

近年来，粉煤灰的综合利用成为研究热点，利用方式多样，成果显著。神华集团为了综合利用大量粉煤灰，打造完整的煤炭经济产业链，依托煤-电-路一体化产业优势，发展循环经济产业，并针对准格尔煤田的煤燃烧后产生的粉煤灰特性，成功开发出“一步酸溶法”粉煤灰制取氧化铝的新工艺，并已建成年产4000吨冶金级氧化铝中试厂，截至目前，经七次中试运行后，与2017进入工业化示范项目的建设中。《粉煤灰综合利用管理办法》规定，固体废弃物综合利用率必须达到96%，因此，白泥综合利用意义非凡。

1 白泥理化特性

白泥主要成分(详见表1)为氧化硅、氧化铝，呈细粒多孔的结构，具有较强的活性。白泥堆密度为0.62g/cm3，真密度为1.64g/cm3。白泥比表面积91.67m2/g；白泥粒度呈正态分布趋势，粒径10～15μm占10%，5～10μm占30%，5μm以下占60%，平均粒径为5.07μm。电镜扫描发现白泥是一种多孔结构(见图1)。采用X射线衍射仪对白泥物相进行分析，从XRD谱图(见图2)中可以看出，白泥以非晶态物质为主，非晶相＞90%，同时存在少量结晶物质，包括石英、锐钛矿和莫来石。由此可见，白泥是一种细粒多孔结构，具有较强活性的硅铝酸物质，具有极高的利用价值，白泥的综合利用成为研究的重点。

2 白泥综合利用产品方案策划

2.1 硅酸钠

以硅酸钠为原料的深加工产品已有50多种，涉及化工、轻工业、纺织工业、机械、农业、建筑等行业。在化工行业硅酸钠主要用来制备层状二硅酸钠、硅胶、沸石分子筛、硅溶胶、白炭黑、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品；在轻工业中，硅酸钠是洗衣粉、肥皂，水质软化剂、助沉剂的原料；在纺织工业中用于助染、漂白；在机械行业中广泛用于铸造、砂轮制造和金属防腐剂等；在建筑行业中用于制造水泥、耐火材料、土壤固化剂等；另外用作石油催化裂化的硅铝催化剂、耐火材料和陶瓷原料、食品防腐以及制胶粘剂等[1]。白泥与氢氧化钠反应很容易制得硅酸钠产品。

2.2 硅酸

硅酸原称偏硅酸，是一种二元弱酸。主要用于气体及蒸气的吸附，油脂、蜡的脱色、催化剂及其载体的制备。还用作生产钨丝的熔剂，分析化学上的化学试剂、接触剂和色谱分离的吸附剂，制造硅胶和硅酸盐的原料。另外，在分析化学中能将不溶性氮化物如氟化钙、氟化铝转变为可溶性溶液，进行氟的测定。白泥可与酸反应制得硅酸。

2.3 硅溶胶

硅溶胶亦称硅酸溶胶，是硅酸多分子聚合物的胶体溶液，其分子式为SiO2·mH2O，外观多呈乳白色或淡青透明的溶液状。硅溶胶可作为陶瓷纤维、高温炉的耐火砖的粘结剂及保温绝热耐火材料，广泛应用于耐火绝热材料、粘接剂、涂料、陶瓷、冶金等行业。近年来随着无机高分子建筑涂料业的兴起，硅溶胶市场前景广阔。纯度较高的无机硅溶胶价格在6000～7000元/吨。白泥可与酸反应制得硅溶胶。

2.4 硅胶

图1 白泥SEM图

表1 白泥的化学成分表(wt%)

图2 白泥XRD图

硅胶按粒径分为基础硅胶和微粉硅胶两大类。基础硅胶的粒径为0.5～0.8mm；微粉硅胶的粒径为1～15μm。硅胶起初主要应用于军事工业，目前作为干燥剂普遍用于石油化工、环保、医药、涂料、食品、轻纺、造纸、生物化学、塑料等领域。微粉硅胶主要用于食品、医药和生物化学行业，代表性产品有Syloid、Sylox、Trisyl，Daraclar、Silcron等。硅胶在涂料工业中，是最重要的无机消光剂。硅胶层析技术在中药化学中得到了广泛推广[2]。

2.5 白炭黑

白炭黑是白色粉末状X-射线无定形硅酸和硅酸盐产品的总称，主要是指沉淀二氧化硅、气相二氧化硅、超细二氧化硅凝胶和气凝胶、粉末状合成硅酸铝和硅酸钙等。白炭黑因其粒径微细，外形不规整，具有较好的分散性是一种良好的填充剂，广泛用于橡胶、塑料、造纸、燃料、涂料、油墨等工业。二十世纪四十年代初德、苏、美等国就将其投入了工业化生产，在八十年代初西方国家年产白炭黑已达到52万余吨。目前，美、日、德是技术先进的二氧化硅产品生产大国。我国由于先前白炭黑产业发展不够充分，白炭黑的自给率一直很低，主要依赖国外产品的进口，虽然近年来发展较快，成为净出口国，但是白炭黑的生产规模依然较小，所以目前国内白炭黑行业处于成长阶段，整体市场竞争激烈，产品主要以中低技术为主，故其发展和应用前景十分广阔[3]。

沉淀白炭黑主要用作天然橡胶和合成橡胶的补强剂、牙膏摩擦剂等。用于橡胶制品中，可提高胶料的拉伸强度、弹性及撕裂强度，并可减少橡胶的用量，降低生产成本。颗粒状、不规则块状白炭黑分散性高、混炼吃料快、改变了粉状白炭黑粉尘飞扬的现象。

我国气相法二氧化硅生产企业有四家分别为沈阳化工股份有限责任公司、广州吉必时化学有限公司、上海氯碱厂与甘肃亚盛化工股份有限公司，产能共计4000吨/年

2.6 分子筛

分子筛是一种以硅氧四面体和铝氧四面体组成的空旷骨架结构的多微孔晶体硅铝酸盐物质，表面积很大。化学式为：M2/nOAl2O3·xSiO2·yH2O, 其中M为金属离子，n为金属离子化合价；x为SiO2分子数或者SiO2/Al2O3摩尔比；y为H2O分子数。分子筛因其多孔的结构可以对分子进行选择性吸附，向筛子一样筛选不同大小的分子，进而得名。分子筛通常具备以下特性：具有对气体和液体良好的可逆吸附性；良好的阳离子交换性能；较高的比表面积和吸附容量；如果在分子筛表面引进有机官能团，能够吸附废液中重金属离子、有机污染物和放射性元素。因此其在石油化工，废水处理和环境保护等方面有着广泛的应用[4]。

2.7 透水砖

透水砖可以使雨水透过砖体流入地下，它是建设海绵城市建设的中重要原材料。透水砖分为烧结型透水砖和非烧结型透水砖两类。烧结型透水砖因强度、透水性、寿命等关键性较指标较非烧结型透水砖好，市场占有率高。生产烧结型透水砖主要原料为耐火材料废料、陶瓷废料、钢渣等固体废弃物。随着海绵城市的兴起，透水砖市场需求量逐年增加，因此制备透水砖的原材料需求也不断增加。然而，近年来我国环保治理力度空前加大，上述原料产能骤降，进而制约着透水砖生产能力[5]。因此，拓宽透水砖制备原料的来源显得尤为必要和迫切，白泥的性质多孔结构及基体与陶瓷相近，可开展白泥透水砖的研究。

2.8 地质聚合物

地质聚合物作为一类新型无机高聚合胶凝材料，它的经验表达式为 ，具有优良的力学性能和抗腐蚀性以及较好的孔隙结构和较低的导热系数，Mn(—(SiO2)Z)—AlO2)nwH2O，式中：“M”为碱金属元素，如K+、Na+等；“z”为Si/Al比，“n”为缩聚度；“w”为结合水的数目(0≤w≤4)。地质聚合物的聚合反应是从单体到二聚体，再到更高聚体的缩聚过程。 它的基本结构单元为硅氧四面体和铝氧四面体，产物中以离子键和共价键连结为主、范德华键和氢键连结为辅。它是一种新型的环境友好型材料可以用于生产新型建筑材料、阻燃保温材料等，还可以用于重金属、有毒和放和放射性废料的吸附，改善环境污染[6]。白泥与地质聚合物在成分、表面基团等方面具有一致性，可以用于地质聚合物的制备。

2.9 橡塑填料

橡塑填料是橡胶填料和塑料填料的合称。橡胶填料是橡胶工业的主要原料之一，其用量与橡胶填料相当。填料作为补强剂或填充剂添加在橡胶中，能赋与橡胶许多特性。粉煤灰、碳酸钙、炭黑、高岭土、煤矸石、滑石粉、白炭黑、油页岩、赤泥等是橡胶工业中常用的填料。塑料填料，可以提高塑料的强度、耐热性能等指标。塑料填料主要以无机塑料填料为主，辅以有机填料，如玻璃纤维、粉煤灰、硅藻土、炭黑、高岭土等[7]。白泥与这些硅酸盐材料在成分、表面基团等方面具有一致性，可用于制备橡塑调料。

3 结语

白泥是一种活性较强的硅铝酸物质，可在硅酸钠、硅酸、硅溶胶、硅胶、白炭黑、分子筛、透水砖、地质聚合物、橡塑填料等方面开展技术研究及应用研究。白泥综合利用不仅能解决了白泥堆存带来的环境问题，还可获得新产品，是循环经济产业的重要组成部分。