CN109336123A - 一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法 - Google Patents

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程芳琴
柳丹丹
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郭彦霞
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Abstract

本发明公开了一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，包括如下步骤：1)将粉煤灰与20wt.％的氢氧化钠溶液按照固液比为1:2～1:4混合，在90～100℃下反应2～4h，反应结束后过滤分离得到脱硅灰和脱硅液；2)将脱硅灰与粉煤灰、钠盐混合研磨，在850～900℃下焙烧2～3h；3)将焙烧产物与20wt.％盐酸溶液混合，在80～90℃下反应2～4h，反应结束后过滤、水洗得到酸浸渣，其中焙烧产物与盐酸固液比为1:3～1:6；4)将酸浸渣与脱硅液按照固液比为1:2～1:5混合，在70～100℃下加热反应0.5～2h后，过滤得到高模数水玻璃。通过该方法制备的水玻璃模数达3.0以上。

Description

一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法
技术领域
本发明属于工业固体废弃物粉煤灰资源化利用技术领域，具体涉及一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法。
背景技术
粉煤灰是燃煤电厂产生的主要的固体废弃物之一，其产量达6亿吨以上。目前，粉煤灰被广泛应用于建材、建工领域，利用率达到70％，剩余未得到有效利用的粉煤灰大量堆存不仅占用了宝贵的土地资源，而且由于扬尘、排入水系等方式对环境产生了严重的影响。
从另一方面而言，粉煤灰中含有多种氧化物，如Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等，其中Al2O3和SiO2的含量达80％以上。因此，从粉煤灰中提取这些氧化物制备高附加值的化工产品，不仅可以缓解粉煤灰产生的环境问题，也可产生一定的经济价值。
水玻璃是一种用途广泛的无机化工原料，其生产方式主要分为湿法和干法两种。湿法工艺中是将石英砂与氢氧化钠溶液在高压釜内加热反应生成水玻璃，由于处于晶体状态的石英砂结构稳定、溶解率低，因此要得到高模数的水玻璃碱的耗量较大；干法工艺中将石英砂与碳酸钠按照一定的比例混合后于1400℃熔融、水冷后得到固体水玻璃，再经过高压水溶得到液相水玻璃。这两种工艺过程复杂，反应能耗高。
由于粉煤灰中含有约50％的SiO2，近年来有研究者利用粉煤灰制备硅酸钠溶液。煤粉炉粉煤灰由于其中SiO2主要以无定形相、晶相石英以及莫来石的形式存在，因此部分研究者采用粉煤灰与氢氧化钠碱溶、或者粉煤灰与氢氧化钠固体高温熔融后再水浸得到硅酸钠溶液。这些方法中主要利用粉煤灰中活性较高的无定形SiO2，而大量以石英、莫来石等晶相存在的氧化硅的利用困难，SiO2的整体利用率仅为30～50％。而且这些方法中得到的硅酸钠溶液模数仅为0.1～0.8，不适合作为工业生产的原料。申请号为CN105621427A的中国发明专利公开了一种利用普通循环流化床粉煤灰制备水玻璃的方法，该专利是用浓度为90～98％硫酸在高温下处理粉煤灰，得到酸浸渣，之后在加入氢氧化钠溶液，在高温160～220℃下反应得到水玻璃，但该专利中反应温度和压力较高，对设备要求高。
综上所述，发明人在利用粉煤灰中无定形SiO2的基础上，通过焙烧、酸浸将晶相石英和莫来石转变为无定形SiO2，最后通过常压低温碱溶的方式制备出高模数的硅酸钠溶液，达到市售水玻璃的组成要求，在国内外未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供了一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法。通过该方法制备水玻璃的水玻璃模数达3.0以上。
为实现上述目的，本发明所设计的一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，包括以下步骤：
1)预脱硅：将粉煤灰与20wt.％的氢氧化钠溶液按照固液比为1:2～1:4混合，在90～100℃下反应2～4h，反应结束后过滤、分离得到脱硅灰和脱硅液；
2)焙烧：将步骤1)制得的脱硅灰与粉煤灰、钠盐混合研磨，在850～900℃下焙烧2～3h，其中Na:Al:Si摩尔比为0.5:1:1～1.5:1:1。
3)酸浸：将步骤2)制得的焙烧产物与20wt.％盐酸溶液混合，在80～90℃下反应2～4h，反应结束后过滤、水洗得到酸浸渣，其中焙烧产物与盐酸固液比为1:3～1:6；
4)水玻璃的制备：将步骤3)制得的酸浸渣与步骤1)制得的脱硅液按照固液比为1:2～1:5混合，在70～100℃下加热反应0.5～2h后，过滤得到高模数水玻璃。
作为优选方案，所述步骤1)中粉煤灰与氢氧化钠溶液的固液比为1:3。
作为优选方案，所述步骤2)中Na:Al:Si摩尔比为0.8:1:1～1.2:1:1。
作为优选方案，所述步骤3)中焙烧产物与盐酸溶液的固液比为1:3～1:4。
作为优选方案，所述步骤4)中酸浸渣与脱硅液的固液比为1:3～1:4。
作为优选方案，所述钠盐为氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠等中的一种。
作为优选方案，本发明相关反应式如下：
预脱硅：xSiO2(s,无定形)+2NaOH(aq)＝Na2O·xSiO2(aq)+H2O
焙烧：4SiO2(石英)+3Al2O3·2SiO2(莫来石)+6NaOH(s)＝6NaAlSiO4(霞石)+3H2O
酸浸：2NaAlSiO4(霞石)+6HCl＝2NaCl+2AlCl3+2SiO2(s,无定形)+3H2O
高模数硅酸钠溶液制备：nSiO2(s,无定形)+Na2O·xSiO2(aq)＝Na2O·(n+x)SiO2(aq)。
本发明中，粉煤灰中无定形SiO2在预脱硅的过程中，转化为液相硅酸钠；而剩余的以石英、莫来石存在的氧化硅在钠盐的作用下转化为霞石，经过酸浸之后全部转化为无定形的SiO2。所得的无定形SiO2，活性高，极易溶解于碱性的液相硅酸钠中，从而全部转化为硅酸钠进入溶液，得到高模数水玻璃。
与现有相近的技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优异的效果：
本发明提供的技术方案，可高效利用粉煤灰中的氧化硅制备得到模数大于3.0的水玻璃。
本发明提供的技术方案，制备水玻璃时条件温和，无需加压反应装置。
本发明提供的技术方案，可将粉煤灰中90％以上的氧化硅转化为液体水玻璃。
本发明提供的技术方案，得到的水玻璃溶液杂质含量要求符合工业水玻璃的标准要求。
本发明提供的技术方案，可通过调整脱硅液与酸浸渣的混合比例得到不同模数的水玻璃溶液，满足不同行业对水玻璃的要求。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程示意图。
具体实施例
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明内容不仅限于这些实施例。
实施例1
将粉煤灰与20wt％的氢氧化钠溶液混合，控制粉煤灰与氢氧化钠的固液比为1:3，在100℃下反应2h，反应结束过滤分离；将得到的脱硅灰与粉煤灰、氢氧化钠按照Na:Al:Si摩尔比0.8混合研磨，在850℃下焙烧2h；将得到焙烧产物与20wt.％盐酸按照固液比1:4混合，在90℃下反应2h，反应结束后过滤水洗得到酸浸渣；将酸浸渣与脱硅液按照1:4混合，在80℃下反应2h后，过滤得到高模数水玻璃。
实施例2
将粉煤灰与20wt％的氢氧化钠溶液混合，控制粉煤灰与氢氧化钠的固液比为1:4，在95℃下反应3h，反应结束过滤分离；将得到的脱硅灰与粉煤灰、氢氧化钠按照Na:Al:Si摩尔比1.0混合研磨，在850℃下焙烧3h；将得到焙烧产物与20wt％盐酸按照固液比1:5混合，在90℃下反应3h，反应结束后过滤水洗得到酸浸渣；将酸浸渣与脱硅液按照1:3.5混合，在100℃下反应1h后，过滤得到高模数水玻璃。
实施例3
将粉煤灰与20wt％的氢氧化钠溶液混合，控制粉煤灰与氢氧化钠的固液比为1:4，在100℃下反应2h，反应结束过滤分离；将得到的脱硅灰与粉煤灰、碳酸钠按照Na:Al:Si摩尔比0.8混合研磨，在890℃下焙烧2h；将得到焙烧产物与20wt.％盐酸按照固液比1:5混合，在90℃下反应2h，反应结束后过滤水洗得到酸浸渣；将酸浸渣与脱硅液按照1:3.2混合，在90℃下反应1h后，过滤得到高模数水玻璃。
实施例4
将粉煤灰与20wt％的氢氧化钠溶液混合，控制粉煤灰与氢氧化钠的固液比为1:5，在100℃下反应3h，反应结束过滤分离；将得到的脱硅灰与粉煤灰、碳酸钠按照Na:Al:Si摩尔比1.2混合研磨，在880℃下焙烧2h；将得到焙烧产物与20wt％盐酸按照固液比1:5混合，在90℃下反应2h，反应结束后过滤水洗得到酸浸渣；将酸浸渣与脱硅液按照1:3混合，在90℃下反应0.5h后，过滤得到高模数水玻璃。
将上述实施案例中所得到的水玻璃进行分析测试，得到的数据如表1所示。
表1：
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)预脱硅：将粉煤灰与20wt.％的氢氧化钠溶液按照固液比为1:2～1:4混合，在90～100℃下反应2～4h，反应结束后过滤、分离得到脱硅灰和脱硅液；
2)焙烧：将步骤1)制得的脱硅灰与粉煤灰、钠盐混合研磨，在850～900℃下焙烧2～3h，其中Na:Al:Si摩尔比为0.5:1:1～1.5:1:1；
3)酸浸：将步骤2)制得的焙烧产物与20wt.％盐酸溶液混合，在80～90℃下反应2～4h，反应结束后过滤、水洗得到酸浸渣，其中焙烧产物与盐酸固液比为1:3～1:6；
4)水玻璃的制备：将步骤3)制得的酸浸渣与步骤1)制得的脱硅液按照固液比为1:2～1:5混合，在70～100℃下加热反应0.5～2h后，过滤得到高模数水玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述步骤1)中粉煤灰与氢氧化钠溶液的固液比为1:3。
3.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述步骤2)中Na:Al:Si摩尔比为0.8:1:1～1.2:1:1。
4.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述步骤3)中焙烧产物与盐酸溶液的固液比为1:3～1:4。
5.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述步骤4)中酸浸渣与脱硅液的固液比为1:3～1:4。
6.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述钠盐为氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠等中的一种。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种利用粉煤灰制备高模数水玻璃的方法，其特征在于：相关反应式如下：
预脱硅：xSiO2(s,无定形)+2NaOH(aq)＝Na2O·xSiO2(aq)+H2O
焙烧：4SiO2(石英)+3Al2O3·2SiO2(莫来石)+6NaOH(s)＝6NaAlSiO4(霞石)+3H2O
酸浸：2NaAlSiO4(霞石)+6HCl＝2NaCl+2AlCl3+2SiO2(s,无定形)+3H2O
高模数硅酸钠溶液制备：nSiO2(s,无定形)+Na2O·xSiO2(aq)＝Na2O·(n+x)SiO2(aq)。
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