郭志强,燕可洲,张吉元,柳丹丹,高阳艳,郭彦霞
(1山西大学资源与环境工程研究所,国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用重点实验室,山西太原 030006;2太原科技大学环境科学与工程学院,山西太原 030024; 3山西大学环境与资源学院,山西太原 030006)
赤泥(RM)是铝土矿生产氧化铝过程中排出的固体废弃物。据统计,全球目前氧化铝产量约为1.32 亿t/a,按每生产1 t 氧化铝产生0.8~2 t 赤泥计,赤泥的排放量至少已超过1.06 亿t/a,而综合利用率仅为15%左右[1-3]。大量的赤泥产生且得不到有效利用,造成了严重的环境污染和生态破坏[4]。赤泥的资源化利用方式有建工/建材利用、有价元素回收、环境功能材料制备等[5-8]。其中,因赤泥富含铁、铝等有价元素,使得回收有价元素成为其资源化利用的重要方式[9-11]。从赤泥中回收铁、铝等有价元素,不仅可以缓解我国铁矿石、铝土矿日益短缺的现状,而且有助于提高赤泥综合利用率,解决其堆存造成的环境和生态问题,具有重要的现实意义。
从赤泥中回收铁、铝等有价元素的方法主要包括火法冶金法、湿法冶金法以及联合法[12-15]。其中,针对赤泥多元素综合回收多采用加碱还原焙烧联合酸浸或碱浸的方法,即赤泥与碱助剂(如碳酸钠、氢氧化钠、氧化钙等)、还原剂(如煤炭、焦炭、CO等)在特定温度、气氛条件下还原焙烧后[16-18],通过磁选回收铁,再结合酸浸或者碱浸的方式回收铝。该方法因具有铝、铁分离效果显著,且元素回收率高的特点,得到了广泛关注[19-20]。在赤泥加碱还原焙烧过程中,通常会消耗大量的碱助剂和还原剂,高物耗限制了该技术的工业化应用。针对碱助剂耗量大的问题,课题组前期曾在空气气氛下,考察了煤矸石、粉煤灰分别与赤泥互配对其铝硅活化效率和钠助剂耗量的影响,发现通过调整混合物料的铝硅摩尔比至1∶1,可使焙烧产物选择性地转化为高活性霞石或沸石;该法因避免过量铝、硅消耗钠助剂生成副反应产物(如偏铝酸钠、硅酸钠等),而显著降低了钠助剂耗量[21-24]。但上述研究并未对含铁物相进行转化,大量的铁杂质残留势必会影响到后续铝、硅产品品质。对于煤矸石-赤泥或粉煤灰-赤泥体系而言,若通过改变焙烧气氛,利用其所含碳质还原含铁物相,则可通过磁选回收铁,从而有效提高后续铝、硅产品品质。实际上,煤矸石-赤泥或粉煤灰-赤泥体系是由铝硅物相、含铁物相和固相碳组成的复杂体系,其钠化还原焙烧过程中同时存在铝硅物相活化和含铁物相磁化两类反应[25-26]。钠盐不仅可将铝硅物相转化为高活性的钠铝硅酸盐,而且可有效提高含铁物相的还原速率和还原程度[27-28]。然而,聚焦到煤矸石-赤泥或粉煤灰-赤泥体系而言,目前有关二者钠化还原焙烧过程物相转变规律以及反应差异性的研究尚未见报道。
基于此,本文分别考察了煤矸石-赤泥、粉煤灰-赤泥体系钠化还原焙烧过程中钠助剂添加量、焙烧温度、焙烧时间对还原焙烧产物物相组成的影响,并从煤矸石、粉煤灰的工业成分、还原性物质存在形态以及铝硅矿物微观结构等角度分析了影响两个体系铁磁化效果和铝活化效果的原因,以期为煤矸石、粉煤灰等煤基固废与赤泥协同钠化还原焙烧回收有价元素的原料筛选提供理论指导。
实验所用煤矸石、粉煤灰取自山西潞城漳村煤矿和潞安煤基清洁能源有限公司;赤泥取自山西孝义华庆铝业有限公司。对实验样品进行化学组成(表1)和矿物组成(图1)分析可知,煤矸石、粉煤灰、赤泥中含有大量铝和硅,铝硅比(Al/Si)分别为0.61、0.79 和1.43;煤矸石所含物相主要为高岭石(Al2[Si2O5](OH)4)和石英(SiO2),粉煤灰所含物相主要为莫来石(Al6Si2O13)和石英(SiO2),赤泥所含物相主要为方钠石(Na8Al6O12(OH)2(H2O)2)、水化石榴石(Ca3Al2(SiO4)(OH)8)、潘诺霞石((K, Na)AlSiO4)、钠霞石(NaAlSiO4)、赤铁矿(Fe2O3)。此外,实验所用其他化学试剂,如碳酸钠(Na2CO3),均为分析纯。
图1 煤矸石、粉煤灰和赤泥的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of coal gangue,coal fly ash and red mud
表1 煤矸石、粉煤灰和赤泥主要化学组成Table 1 Chemical compositions of coal gangue,coal fly ash and red mud
煤矸石、粉煤灰和赤泥经自然晾晒后,破碎、粉磨至160 目以下(<95 μm),并于105℃烘箱内干燥24 h;以煤矸石(或粉煤灰)、赤泥和碳酸钠为原料,分别配制不同钠铝硅摩尔比(Na∶Al∶Si=0.5~1.5∶1∶1)的混合物料,记作CG-RM-Na2CO3和CFA-RM-Na2CO3;将混合物料置于刚玉舟内,于单温区滑轨炉(BTF-1200C-SC,安徽贝意克设备技术有限公司)中设定温 度(700~900℃)下 还 原 焙 烧 一 段 时 间(30~150 min),升温速率10℃/min,氮气流速0.5 L/min;待反应时间到达后,焙烧样品随炉自然冷却至室温,并于玛瑙研钵中再次粉磨待测。
物相组成分析:采用X 射线衍射仪(XRD,BRUKER D2,Advance,德国)对煤矸石、粉煤灰、赤泥及其与碳酸钠混合还原焙烧产物进行物相组成测定。测试条件:2.2 kW CuKα靶,扫描范围为10°~80°,扫描速度5(°)/min。分别测定还原焙烧产物中钠铝硅酸盐和含铁物相的相对含量,采用特征衍射峰积分面积方法计算,即以某一物相特征衍射峰底为背底,对其上部衍射峰面积进行积分;通过计算同一因素不同水平下各自物相特征衍射峰积分面积与该因素作用下相应物相最大积分面积的比值,得到还原焙烧产物中钠铝硅酸盐和含铁物相的相对含量[29]。
还原性物质分析:采用工业成分分析、拉曼光谱分析、热重分析的方法测定煤矸石、粉煤灰中还原性物质的赋存形态和含量,其中工业成分分析按照《GB/T 212—2008煤的工业分析方法》进行;拉曼光谱分析采用法国HORIBA Scientific HR Evolution 拉曼光谱仪,扫描范围为100~2500 cm-1,扫描步长为0.5 cm-1,积分时间为45 s;热重分析采用德国SETARAM Setsys Evolution热重分析仪,整个过程用N2吹扫,温度范围为100~1000℃,升温速率为10℃/min。
铝硅矿物结构分析:采用Materials Studio 软件的CASTEP 模块,对高岭石和莫来石的晶体结构进行几何优化;采用Reflex 模块对优化后的晶体结构进行X 射线粉末衍射模拟,并与煤矸石和粉煤灰的实测XRD 谱图对比;基于密度泛函理论(density function theory,DFT)赝势平面波方法[30],在GGAPBE 基组水平下分别计算高岭石、莫来石的能带结构、态密度和分波态密度,以及高岭石、莫来石晶体中各原子的成键键长及重叠布局数。计算高岭石和莫来石的截断能均为489.80 eV,k点取样分别为5×5×1 和1×1×1,参与计算的价态电子为O: 2s22p4,Al: 3s23p1,Si: 3s23p2。计算工作在山西大学高性能计算平台上完成。
在空气或氮气气氛下,分别考察CG-RM和CFARM 体系钠化焙烧产物物相组成差异,结果见图2。结果表明:在不同类型气氛条件下,CG-RM 和CFARM 体系中铝硅酸盐矿物经钠化焙烧后均可转化为霞石(nepheline,NaAlSiO4)、钠铝硅酸盐(sodium aluminosilicate,Na6Al4Si4O17)等高活性矿相;不同之处在于,上述两体系经空气气氛钠化焙烧后含铁物相仍主要为赤铁矿(hematite,Fe2O3),而经氮气气氛钠化还原焙烧后则出现明显的磁性铁单质(iron,Fe)衍射峰。
图2 不同气氛下CG-RM和CFA-RM体系钠化焙烧产物的XRD谱图Fig.2 XRD patterns of the sodium roasting products of CG-RM and CFA-RM systems in different atmosphere
考察钠助剂添加量(Na∶Al∶Si=0.5~1.5∶1∶1)对CG-RM 和CFA-RM 体系钠化还原焙烧产物中各物相相对含量的影响,结果见图3、图4。结果表明:在钠助剂添加量较低(Na∶Al∶Si<1.0)时,CG-RM 体系铝硅酸盐相活化率和含铁物相磁化率明显高于CFA-RM体系;随着钠助剂添加量升高,两个体系中铝硅酸盐相活化率和含铁物相磁化率均有不同程度的提升。特别地,当CG-RM体系在Na∶Al∶Si为1.2∶1∶1 时,就可达到90%以上铝硅酸相和含铁物相的有效转化,而CFA-RM 体系则需进一步提高Na∶Al∶Si 至1.5∶1∶1。即在相同转化率情况下,CG-RM 体系中铝硅酸盐相活化为高活性钠铝硅酸盐相以及含铁物相还原生成磁性相所需钠助剂添加量低于CFA-RM体系。
图3 不同钠助剂添加量下CG-RM和CFA-RM体系钠化还原焙烧产物的XRD谱图Fig.3 XRD patterns of the sodium reduction roasting products of CG-RM and CFA-RM systems with different amount of sodium additive
图4 不同钠助剂添加量下CG-RM和CFA-RM体系钠化还原焙烧产物中活性相与磁性相的相对含量Fig.4 Relative contents of active phase and magnetic phase in the sodium reduction roasting products of CG-RM and CFA-RM systems with different amount of sodium additives
考察焙烧温度(700~900℃)对CG-RM 和CFARM 体系钠化还原焙烧产物中各物相相对含量的影响,结果见图5、图6。结果表明:在温度较低(700~750℃)时,CG-RM 体系铝硅酸盐相活化率和含铁物相磁化率明显高于CFA-RM 体系;随着焙烧温度升高,两个体系中铝硅酸盐相活化率和含铁物相磁化率均呈现不同程度的上升趋势。当焙烧温度升高至800℃时,CG-RM 体系铝硅酸盐相活化率和含铁物相磁化率已分别达到95%和85%左右;而CFARM 体系即使在焙烧温度升高至850°C时,铝硅酸盐相活化率和含铁物相磁化率也仅为85%和80%。说明在相同的条件下,CFA-RM 体系比CG-RM 体系转化为活性钠铝硅酸盐相和磁性相所需焙烧温度更高。
图5 不同温度下CG-RM和CFA-RM体系钠化还原焙烧产物的XRD谱图Fig.5 XRD patterns of the sodium reduction roasting products of CG-RM and CFA-RM systems in different temperature
图6 不同温度下CG-RM和CFA-RM体系钠化还原焙烧产物中活性相与磁性相的相对含量Fig.6 Relative contents of active phase and magnetic phase in the sodium reduction roasting products of CG-RM and CFA-RM systems in different temperature
考察焙烧时间(30~150 min)对CG-RM 和CFARM 体系钠化还原焙烧产物中各物相相对含量的影响,结果见图7、图8。结果表明,与钠助剂添加量、焙烧温度等因素相比,焙烧时间对CG-RM 和CFARM 体系铝硅酸盐相的转化率影响较小;在焙烧时间为90 min 时,CG-RM 和CFA-RM 体系铝硅酸盐相的活化率均可达90%以上。相比较而言,焙烧时间对含铁物相磁化反应具有更大影响,在焙烧时间为30 min 时,CG-RM 体系的含铁物相磁化率可达82%;而CFA-RM 体系达到同等磁化率则需150 min。即在相同铝硅酸盐相活化率和含铁物相磁化率情况下,CFA-RM 体系比CG-RM 体系所需焙烧时间更长。
图7 不同时间下CG-RM和CFA-RM体系钠化还原焙烧产物的XRD谱图Fig.7 XRD patterns of the sodium reduction roasting products of CG-RM and CFA-RM systems at different time
图8 不同时间下CG-RM和CFA-RM体系钠化还原焙烧产物中活性相与磁性相的相对含量Fig.8 Relative contents of active phase and magnetic phase in the sodium reduction roasting products of CG-RM and CFA-RM systems at different time
综上分析,CG-RM 与CFA-RM 体系在钠化还原焙烧过程中呈现反应差异性。在相同铝硅酸盐活化率和含铁物相磁化率的情况下,CG-RM体系钠化还原焙烧所需钠助剂添加量、焙烧温度、焙烧时间均略低于CFA-RM 体系,主要差异如表2 所示。即:CG-RM 比CFA-RM 体系更易于经钠化还原焙烧获得高的铝硅酸盐活化率和含铁物相磁化率。
表2 煤矸石-赤泥和粉煤灰-赤泥体系钠化还原焙烧优化实验条件差异Table 2 Difference of optimum experimental conditions for sodium reduction roasting of coal gangue-red mud and coal fly ash-red mud systems
针对CG-RM 与CFA-RM 体系中含铁物相在钠化还原焙烧过程中的反应差异性,通过对煤矸石、粉煤灰进行工业成分分析、拉曼光谱分析以及热重分析,明晰其所含还原性物质的赋存形态和含量,以期阐明煤矸石和粉煤灰对赤泥钠化还原焙烧过程中含铁物相磁化反应的影响机制。
煤矸石和粉煤灰的工业成分测试结果如表3所示,其中挥发分和固定碳在焙烧过程中均会产生还原性物质(如H2、CO 等),促使CG-RM 与CFA-RM体系中含铁物相磁化。通过对比可以发现,煤矸石中挥发分和固定碳的含量均显著高于粉煤灰,这主要与二者的产生过程有关,前者是源自煤炭开采和洗选过程,伴有一定量的煤炭;而后者则是煤炭经燃烧后的灰渣,仅有部分残留挥发分和固定碳。由于煤矸石中含有更多的挥发分和固定碳,导致其焙烧过程中可以释放出更多还原性物质,故CG-RM比CFA-RM 体系在钠化还原焙烧过程表现出更显著的含铁物相磁化效果。
表3 煤矸石和粉煤灰工业成分测试Table 3 Industrial composition test of coal gangue and coal fly ash
采用拉曼光谱进一步分析煤矸石和粉煤灰中还原性物质的赋存形态,结果见图9。由图9可知,煤矸石和粉煤灰的拉曼光谱均呈现三个明显的振动峰,分别在1580~1600 cm-1(G-band)、1350~1365 cm-1(D-band)和<1000 cm-1(R-band)处,其中G-band 和D-band的振动峰主要是由于固定碳中芳香环振动所引起的,而R-band的振动峰则是由挥发分中烷烃或环状烷烃C—C振动所引起的[31]。煤矸石和粉煤灰的拉曼光谱中同时存在G-band和D-band的振动峰,表明其固定碳均以乱层碳纤维结构形式存在;通过计算ID/IG值发现,煤矸石的ID/IG值(1.69)大于粉煤灰的ID/IG值(1.21),说明煤矸石中固定碳的无序程度高于粉煤灰,即在焙烧过程中更易于气化生成CO,参与含铁物相的磁化反应。对比煤矸石和粉煤灰的拉曼光谱中R-band振动峰强度发现,煤矸石中烷烃或环状烷烃的含量更高,即在焙烧过程中更易于气化生成CH4、H2等物质,促进含铁物相的磁化反应。
图9 煤矸石(a)和粉煤灰(b)的拉曼光谱图Fig.9 Raman spectra of coal gangue(a)and coal fly ash(b)
在100~1000℃温度范围内,对煤矸石和粉煤灰进行热重分析,结果见图10。由图10可知,煤矸石和粉煤灰在程序升温过程中呈现不同程度的失重,总失重量分别为11.44%和1.17%。煤矸石在<300℃范围有轻微失重,主要与吸附水和吸附气的脱除有关,明显的失重现象分别出现在511、641 和771℃附近,对应于煤矸石中高岭石矿物脱羟基、挥发分脱除以及固定碳分解;粉煤灰因含有少量微孔,在低温下表现出更为复杂的吸附水和吸附气脱除现象,明显的失重现象分别出现在615和821℃,对应于粉煤灰中残留挥发分脱除和固定碳分解。由于CG-RM 和CFA-RM体系中含铁物相的磁化反应主要依赖于固定碳分解产生的CO,且煤矸石中固定碳的分解温度低于粉煤灰中固定碳的分解温度,故CG-RM体系中含铁物相发生显著磁化反应的温度低于CFA-RM体系。
图10 煤矸石(a)和粉煤灰(b)热重图Fig.10 Thermogravimetric diagram of coal gangue(a)and coal fly ash(b)
针对CG-RM 与CFA-RM 体系钠化还原焙烧过程铝硅活化反应差异性,采用基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,对上述体系中主要差异性矿物(高岭石和莫来石)的能带结构、态密度、键长和重叠布局数等性质进行理论计算,以期从矿物结构角度阐明造成上述体系中铝硅矿物活化性能差异的原因。
高 岭 石(kaolinte,Al2[Si2O5](OH)4)和 莫 来 石(mullite,Al6Si2O13)同属铝硅酸类矿物,是造成CGRM 与CFA-RM 体系差异性的主要铝硅矿物。本文选用高岭石和莫来石的结构模型如图11所示,晶体结构基本参数见表4[32-33]。
表4 高岭石和莫来石晶体结构基本参数Table 4 Basic crystal structure parameters of kaolinite and mullite
图11 高岭石(a)和莫来石(b)晶体结构Fig.11 Crystal structure of kaolinite(a)and mullite(b)
基于上述高岭石和莫来石的晶体结构模型,采用Material Studio 中Reflex 模块模拟其晶体结构衍射谱图,并与煤矸石和粉煤灰的实测XRD 谱图进行对比分析。如图12所示,本研究所采用的高岭石和莫来石晶体结构模型的衍射谱图与煤矸石和粉煤灰实测XRD 谱图中高岭石和莫来石的衍射峰呈现一致性,说明本研究所采用晶体结构具有合理性,可用于进一步微观键力分析。
图12 煤矸石、粉煤灰的实测XRD谱图与高岭石、莫来石的模拟XRD谱图Fig.12 Measured XRD patterns of coal gangue and fly ash and simulated XRD patterns of kaolinite and mullite
在GGA-PBE 基组水平计算高岭石和莫来石的能带结构和态密度(图13~图15),由图13 可见,高岭石和莫来石的能带结构相差较小,由禁带宽度来看,都属于半导体能带结构;但高岭石价带顶与导带底之间的带隙为4.584 eV,而莫来石价带顶与导带底之间的能隙为5.427 eV,即高岭石价带电子跃迁至导带,在价带上形成正电性空穴的能力要强于莫来石。这也就表明在同等电子受体情况下,高岭石比莫来石更易于与电子受体发生相互作用,发生氧化反应可能性更高,更容易活化。
图13 高岭石和莫来石能带结构Fig.13 Energy band structure of kaolinite and mullite
图15 高岭石和莫来石中Al、Si、O原子的分态密度Fig.15 Density of states of Al,Si and O atoms in kaolinite and mullite
在计算后的电子结构中选取-15~20 eV 能量范围作为讨论,计算高岭石和莫来石体系的总态密度。如图14,高岭石和莫来石的价带分别位于-10.7~1.58 eV 和-8.7~0.63 eV 之间,定域性也较强,相反位于5~15 eV 区间的导带,距费米能级较远,说明高岭石和莫来石都难与电子给予体结合,易与电子受体发生反应。同时可以看出,高岭石价带在费米能级附近所占比例比莫来石更多一些,说明高岭石相比于莫来石,更容易给出电子,因而,从总态密度来看,高岭石活性高于莫来石。
图14 高岭石(a)和莫来石(b)的总态密度Fig.14 Density of state of kaolinite(a)and mullite(b)
对高岭石和莫来石中Al、Si、O 原子进行分波态密度分析,由图15可见,高岭石和莫来石晶体中,O的2s、2p态电子与Al的3s、3p和Si的3s、3p态电子发生共振,说明两种晶体中Al、Si原子与O原子都进行了一定程度杂化并形成共价键;从图中可以观察到能量在约-7.5 eV的位置,莫来石结构中Al原子和O原子发生了非常明显的共振,说明莫来石中Al—O键相互作用强于高岭石中Al—O 键;高岭石和莫来石晶体中,O 的2s、2p 态电子与Si 的3s 和3p 态电子发生共振,另外从图中可以观察到能量在-10~0 eV 和5~15 eV之间,莫来石共振性高于高岭石,说明莫来石Si—O键相互作用大于高岭石Si—O键,表明两种晶体中Si原子与O原子都进行了一定程度杂化并形成共价键。以上分析说明高岭石和莫来石晶体中Al、Si原子均与O原子形成共价键,且莫来石中Al—O键和Si—O键相互作用强于高岭石,且高岭石中峰明显比莫来石中更高,表明高岭石中Al—O键和Si—O键定域性强,共价性弱于莫来石。
表5列出了高岭石和莫来石结构中典型的Al—O 键和Si—O 键键长和重叠布局数,可以看出高岭石中Al—O 和Si—O 既有离子特性又有共价特性,且因为重叠布局数较小,因此离子特性较强[34]。莫来石的Al—O 和Si—O 键共价性较强。同时结合键长来看,高岭石中的Si—O 键和Al—O 键的键长分别为1.628 nm和2.420 nm,相对应莫来石中的Si—O和Al—O 键的键长分别为1.624 nm 和1.837 nm,由于莫来石中Si—O 和Al—O 键长更短,意味着相互作用更强,更难被其他物质活化;综合之前态密度和分态密度分析,可以得出高岭石要比莫来石更容易活化。
表5 高岭石和莫来石的平均键长和重叠布局数Table 5 Average bond length and overlap number of kaolinite and mullite
(1) CG-RM 与CFA-RM 体系经钠化还原焙烧后,均可实现含铁物相磁化与铝硅酸盐物相活化,其中含铁物相转变为铁单质,铝硅酸盐物相转变为霞石、钠铝硅酸盐等;不同之处在于,当含铁物相磁化率和铝硅酸盐活化率相当的情况下,CG-RM体系钠化还原焙烧所需钠助剂添加量、焙烧温度、焙烧时间均略低于CFA-RM体系。
(2)CG-RM 体系和CFA-RM 体系含铁物相磁化差异性主要与煤矸石、粉煤灰中所含还原性物质的赋存形态和含量有关。煤矸石和粉煤灰中均含有一定量的挥发分和固定碳,挥发分分解产生的H2、CH4与固定碳分解产生的CO 等均具有还原性,可将含铁物相还原磁化;相比较而言,煤矸石中挥发分和固定碳含量高于粉煤灰,且煤矸石中固定碳的无序程度高于粉煤灰,即在焙烧过程中更易于气化生成CO,故CG-RM体系中含铁物相磁化反应比CFARM 体系更易于进行。特别是,由于煤矸石和粉煤灰中挥发分和固定碳的分解温度不同,导致CG-RM在相对低温下即有明显的含铁物相磁化现象,而CFA-RM 体系则需在相对较高的温度下才有明显的含铁物相磁化现象。
(3)CG-RM 体系和CFA-RM 体系铝硅酸盐活化差异性主要与其中所含铝硅酸盐矿物的能带结构、态密度、键长及键布局等有关。相对而言,煤矸石中所含高岭石的Al—O 键和Si—O 键键长大于粉煤灰中所含莫来石的Al—O 键和Si—O 键键长,高岭石比莫来石中Al—O 键和Si—O 键共价性更弱,且高岭石的重叠布局数小于莫来石的重叠布局数;键长和布局数决定了高岭石中Al—O 键和Si—O 键定域性更强,进而导致高岭石比莫来石更易给电子,并与电子受体发生相互作用。在铝硅酸盐活化过程中表现为CG-RM 比CFA-RM 体系更易与Na2CO3反应生成高活性的钠铝硅酸盐。