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利用粉煤灰与铝矾土合成莫来石的研究
利用粉煤灰与铝矾土合成莫来石的研究
莫来石 (3Al2O3·2SiO2) 是Al2O3-SiO2体系在常压下唯一稳定存在的晶态化合物, 具有高熔点、高剪切模量和良好的抗蠕变、抗热震、抗侵蚀等性能, 被广泛应用于耐火材料和国防工业。自然界中天然莫来石矿物很少, 工业用莫来石主要为人工合成。目前, 合成工业用莫来石的方法主要有电熔法和烧结法, 采用的原料主要有高铝矾土、高岭土和叶腊石等天然矿物, 按照莫来石的理论配比进行合成。粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废料,其化学成分主要是氧化铝 (Al2O3) 和石英 (SiO2) , 与莫来石化学成分相近, 因此, 用粉煤灰合成莫来石不仅有助于节约天然资源, 而且有利于环境保护。 某电厂粉煤灰, 其化学成分主要是Al2O3和SiO2, 另外还含有未燃尽的炭粒、CaO、Fe2O3、TiO2和少量的K2O (见表1) , 因此, 在实验之前, 须将磁珠与炭粒等杂质除去。将粉煤灰置于KSY-12-16S型硅碳棒电阻炉中于800 ℃恒温2 h, 除去残炭;用KY-П型研磨机以氧化铝磨球与粉煤灰以2∶1的质量比干磨1 h, 过筛,使粒径不超过150 μm, 备用;磨细后的原料采用磁选机除铁, 使原料中Fe2O3的质量分数低于1%。铝矾土为市售产品, 其化学组成见表1。
将预处理的粉煤灰和铝矾土以1∶1.5的质量比放入KY-П型研磨机中干磨混匀, 使配料中Al2O3的质量分数保持在59%～61%。然后将干磨混匀后的混合料放入KSY-12-16S型硅碳棒电阻炉中, 以5 ℃/min的升温速度, 分别升温至800, 900, 1 000, 1 100 ℃, 保温2 h, 自然冷却后取出。 采用NETZSCH STA 409 PC/PG型综合热分析仪 (TG-DSC) 、日本理学D/max2200PC型X射线衍射仪 (XRD) 和日本电子 (JEOL) JSM-5800型扫描电子显微镜 (SEM) 分析样品的热稳定性、物相、显微形貌及元素含量。 图1是粉煤灰原料在升温速率为10 ℃/min时的综合热分析曲线。由图1可见:在TG曲线上, 粉煤灰从室温到1 200 ℃均处于质量损失阶段, 且在300～800 ℃质量损失最快, 并对应于DSC曲线上峰值在520.6 ℃的放热峰, 其主要原因是由于粉煤灰中未燃尽的炭粒燃烧放热所致。当温度为800～1 200 ℃时, TG曲线趋于平缓,同时在DSC曲线上出现了峰值在为987.1 ℃的吸热峰, 这可能是由于粉煤灰原料中的Al2O3, SiO2发生晶型转变所致。
图2是铝矾土在升温速率为10 ℃/min时的综合热分析曲线。由图2可见:在TG曲线上, 铝矾土从室温到1 200 ℃均处于质量缓慢损失阶段, 而在DSC曲线上对应有100 ℃吸热峰和255 ℃放热峰。吸热峰是由于铝矾土中的吸附水逸出所致;放热峰不明显, 可能是由于铝矾土中少量的有机物燃烧放热所致。
图3是预处理前后粉煤灰及铝矾土的XRD谱图 (a为粉煤灰原料;b为粉煤灰经800 ℃保温2 h预处理;c为铝矾土原料) 。由图3a可知:此衍射谱图与莫来石 (Al6Si2O13) 标准谱图完全一致,且莫来石的衍射峰数目较多, 峰形狭窄、尖锐, 说明原料中莫来石含量很高且结晶良好。由图3b可知:经800 ℃保温2 h预处理的粉煤灰,其衍射谱图与标准JCPDS卡片比较发现, 样品中含莫来石和石英 (SiO2) 的衍射峰, 且在2θ=20～23°出现峰形狭窄、尖锐的石英特征衍射峰。结合TG-DSC分析结果, 说明粉煤灰的热性能稳定。由图3c可知:铝矾土XRD谱图与标准JCPDS卡片比较发现, 其主晶相是氧化铝 (Al2O3) , 并含有少量的莫来石。因此, 可采用铝矾土和粉煤灰混合制备莫来石。 图4为混合料在不同温度下保温2 h后的XRD谱图。从图4可以看出:在900 ℃以下保温2 h的试样主要含有Al2O3晶体和莫来石晶体;在1 000 ℃以上保温2 h, 谱图中Al2O3晶体的衍射峰明显减弱, 莫来石晶体的衍射峰增强, 说明试样已莫来石化。因此, 可将最佳保温温度确定为1 000 ℃。
图5为粉煤灰原料和合成莫来石的SEM照片 (a为粉煤灰原料;b为1 000 ℃保温2 h条件下合成的莫来石) 。由图5a看出:粉煤灰中含有数量不等的形态不规则、结构疏松、粒径较粗的多孔玻璃质颗粒。由图5b看出:在1 000 ℃保温2 h合成的莫来石, 颗粒尺寸分布较均匀, 平均为10～15 μm。
表2是预处理粉煤灰和在1 000 ℃保温2 h合成的莫来石样品的化学成分与烧结莫来石标准 (YB/T 5267—2005) 的对比。从表2看出:预处理样品除杂质 (Na2O+K2O) 含量超标外, 其他化学成分均符合RS-M45莫来石标准;1 000 ℃保温2 h合成的样品同样除杂质 (Na2O+K2O) 含量超标外,其他化学成分均符合RS-M60莫来石标准。
1) 经800 ℃煅烧2 h并经除铁处理的粉煤灰可直接作为低牌号莫来石 (M45) 使用。2) 预处理的粉煤灰与铝矾土混合制备高牌号莫来石 (M60) 适宜的烧结温度为1 000 ℃, 且制备出的莫来石的主要组分符合中国烧结莫来石标准 (YB/T 5267—2005) 。3) 用粉煤灰合成莫来石不仅具有成本低、能耗小、产品烧结性能好等优点,而且可通过调节铝矾土在配料中的比例, 合成不同型号的产品, 以满足不同工业部门的需要。
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