CN112077116B - 一种粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，粉煤灰进行球磨和干燥处理并制成固定形状的前驱体；向熔盐中加入定量氧化钙，在惰性气氛保护条件下，将熔盐加热至熔融态；将粉煤灰的前驱体置于熔融态的反应熔盐中，反应至稳定状态后，从反应熔盐中取出反应后的粉煤灰并在惰性气氛条件下冷却，对反应产物进行水洗和干燥处理即可得到深度脱硅的粉煤灰；在惰性气氛条件下将反应熔盐冷却，水洗后过滤，所得固态过滤物为硅酸钙；不使用碱液，将硅元素以硅酸盐的形式回收，可有效提高粉煤灰的脱硅效率，提升脱硅后粉煤灰中的铝硅比，工艺简单，并实现硅资源的有效回收利用。
Description
技术领域
本发明属于粉煤灰资源化回收领域，具体涉及一种粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法。
背景技术
粉煤灰作为燃煤电厂排放的一种主要固体废弃物，其大量堆积不仅占据土地，造成土地资源的浪费，同时所含重金属也会对土壤、水体造成污染，进而危害人类生命健康安全。因此，开发粉煤灰的无害化处理及资源化利用技术具有重要意义。
粉煤灰的主要成分为金属氧化物、未燃尽的碳和微量元素，其中金属氧化物主要由三氧化二铝、氧化硅、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁和二氧化钛等组成。由于粉煤灰中高含量的氧化铝，目前大多数粉煤灰资源化利用技术均集中在对氧化铝的回收利用方面。粉煤灰中高的铝硅比对于高效提铝具有重要影响，而有效的预脱硅系统不仅可以提高铝硅比，提升氧化铝回收工艺的经济性，同时也有助于对硅资源的高效回收利用。
专利CN 106904644 A公开了一种两段常压碱液脱硅和酸洗相结合的脱硅系统，但大量酸碱液的使用造成废液的排放。专利CN 105839188 A公开了一种利用粉煤灰脱硅液制备硅酸钙晶须的系统，包括生石灰或石灰乳与粉煤灰脱硅液的苛化反应以及水化硅酸钙与水之间的水热反应。专利CN 104591196 A公开了一种利用添加剂提高碱溶预脱硅过程中二氧化硅溶出率的系统。专利CN 101306928 B公开了一种粉煤灰焙烧活化与氢氧化钠溶液低温浸取相结合的系统，反应温度达到800℃以上。专利CN 103332711 B公开了一种两段深度脱硅系统，首先采用氢氧化钠溶液浸取，产物过滤收集，进而与硫酸钠和硫酸铝混合焙烧得到熟料，最后用酸溶液处理，得到高铝硅比的产物。
粉煤灰中硅元素主要存在于非晶态二氧化硅和莫来石晶体中，以上工艺系统大多采用碱液对粉煤灰进行预脱硅处理，以实现对非晶态二氧化硅的去除，但莫来石晶体中硅元素依然大量稳定存在，造成粉煤灰中铝硅比有待进一步提高；因此开发粉煤灰的深度脱硅技术系统对于提升粉煤灰回收的经济性，加速其资源化利用具有重要意义。此外，在粉煤灰脱硅的同时实现硅资源的有效回收可进一步提升整体工艺的经济性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，不使用碱液，可有效提高粉煤灰的脱硅效率，提升脱硅后粉煤灰中的铝硅比；同时可将硅元素以硅酸盐的形式回收，实现硅资源的有效回收利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，包括以下步骤：
对脱碳的粉煤灰进行球磨和干燥处理；
在惰性气氛保护条件下，将加入氧化钙的熔盐加热至熔融态，氧化钙与熔盐的摩尔比例为0.5％～18％；
将球磨和干燥后的粉煤灰置于熔融态的反应熔盐中，在常压条件下反应至稳定状态后，从反应熔盐中取出反应后的粉煤灰并在惰性气氛条件下冷却，对反应后的粉煤灰进行水洗和干燥处理，得到深度脱硅的粉煤灰；
在惰性气氛条件下将反应熔盐冷却，水洗后过滤得到硅酸钙并回收，同时回收滤液。
熔盐为氯化钙与氯化钠、氯化锂、氯化镁、氯化钾和氯化钡中的一种或几种的混合盐。
熔盐升温至熔融状态的反应温度为550～950℃。
反应时间为1～15h。
将滤液进行蒸发结晶对反应熔盐进行回收利用。
球磨后的粉煤灰平均粒径为1μm～15μm。
熔盐加热至熔融态时的升温速率为4℃min-1。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
球磨处理可有效减小粉煤灰颗粒的粒径并使其粒径均匀化，有利于加快粉煤灰在后续熔盐热化学反应过程中的反应速率，提高粉煤灰的脱硅效率；利用高温条件下氧化钙与粉煤灰中二氧化硅的反应亲和性以及所生成产物在熔盐中的高溶解度特性，可将含硅反应产物转移至液态熔盐中，从而实现粉煤灰的深度脱硅，将深度脱硅后的粉煤灰直接提离反应熔盐，可快速实现固液分离，提高脱硅后粉煤灰产物的回收速率；不使用碱液，同时回收滤液，安全且不污染环境；工艺简单，易操作；加入氧化钙能有效提高粉煤灰的脱硅效率，提升脱硅后粉煤灰中的铝硅比，有助于提高氧化铝后续利用的经济性；将溶解有含硅反应产物的熔盐进行冷却、水洗和过滤，可将不溶于水的含硅反应产物进行过滤回收，从而实现硅资源的有效回收；还能实现对滤液进行蒸发结晶处理将反应熔盐进行回收。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
实施例1
称取粉煤灰放入球磨罐中在转速为300rpm条件下进行12h球磨，将球磨后的粉煤灰置于耐高温材质的网袋中，将500g CaCl2盐放入氧化铝坩埚中，添加5mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液损伤炉膛，使用石墨坩埚可以消耗炉膛中的氧气，对炉膛的气氛进行调控。在氩气气氛及250℃条件下对CaCl2进行48h的烘干处理，随后在惰性气氛下，以4℃/min的升温速率将温度缓慢升高到850℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应5h后缓慢提离熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅的粉煤灰中铝硅比为15.3。
将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
实施例2
将500g CaCl2盐放入氧化铝坩埚中，添加10mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液对炉膛的损伤，使用石墨坩埚可以消耗一定量的氧气，对炉膛的气氛进行调控。在250℃条件下对CaCl2盐进行48h的烘干处理。随后在氩气条件及冷却水的保护下，以4℃min-1的升温速率将温度缓慢升高到850℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应5h后缓慢提出熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅后的粉煤灰中铝硅的摩尔比为20.5。
将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
实施例3
将500g CaCl2盐放入氧化铝坩埚中，添加12mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液对炉膛的损伤，使用石墨坩埚可以消耗炉膛内的氧气，对炉膛的气氛进行控制。在250℃条件下对CaCl2盐进行48h的烘干处理。随后在氩气条件及冷却水的保护下，以4℃min-1的升温速率将温度升高到950℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应1h后缓慢提出熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅后的粉煤灰中铝硅的摩尔比为17.4。
将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
实施例4
将500g CaCl2盐放入氧化铝坩埚中，添加18mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液对炉膛的损伤，使用石墨坩埚可以消耗炉膛内的氧气，对炉膛的气氛进行控制。在250℃条件下对CaCl2盐进行48h的烘干处理。随后在氩气条件及冷却水的保护下，以4℃min-1的升温速率将温度升高到950℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应8h后缓慢提出熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅后的粉煤灰中铝硅的摩尔比为27.7。
将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
实施例5：
将500g CaCl2-NaCl(47.9:52.1mol％)混合盐放入氧化铝坩埚中，添加0.5mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液对炉膛的损伤，使用石墨坩埚可以消耗一定量的氧气，对炉膛的气氛进行控制。在250℃条件下对CaCl2-NaCl混合盐进行48h的烘干处理。随后在氩气条件及冷却水的保护下，以4℃min-1的升温速率将温度缓慢升高到850℃，保温0.5h后降到反应温度700℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应5h后缓慢提出熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅后的粉煤灰中铝硅的摩尔比为2.8。
将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
实施例6：
将500g CaCl2-NaCl(47.9:52.1mol％)混合盐放入氧化铝坩埚中，添加3mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液对炉膛的损伤，使用石墨坩埚可以消耗一定量的氧气，对炉膛的气氛进行控制。在250℃条件下对CaCl2-NaCl混合盐进行48h的烘干处理。随后在氩气条件及冷却水的保护下，以4℃min-1的升温速率将温度缓慢升高到850℃，保温0.5h后降到反应温度700℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应10h后缓慢提出熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅后的粉煤灰中铝硅的摩尔比为8.5。
将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
实施例7：
称取粉煤灰放入球磨罐中在转速为300rpm条件下进行12h球磨，将球磨后的粉煤灰置于耐高温材质的网袋中，将500g CaCl2-NaCl盐放入氧化铝坩埚中，添加12mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液损伤炉膛，使用石墨坩埚可以消耗炉膛中的氧气，对炉膛的气氛进行调控。在氩气气氛及250℃条件下对CaCl2-NaCl进行48h的烘干处理，随后在惰性气氛下，以4℃min-1的升温速率将温度缓慢升高到550℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应15h后缓慢提离熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅的粉煤灰中铝硅比为10.3。将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
实施例8：
将500g CaCl2-NaCl(47.9:52.1mol％)混合盐放入氧化铝坩埚中，添加0.5mol％的CaO，并整体置于石墨坩埚中以防止漏液对炉膛的损伤，使用石墨坩埚可以消耗一定量的氧气，对炉膛的气氛进行控制。在250℃条件下对CaCl2-NaCl混合盐进行48h的烘干处理。随后在氩气条件及冷却水的保护下，以4℃min-1的升温速率将温度缓慢升高到850℃，保温0.5h后降到反应温度650℃。
将粉煤灰前驱体置于熔盐中，反应5h后缓慢提出熔盐，在惰性气氛条件下冷却至室温后取出，用去离子水和稀盐酸(0.1M)对试片进行反复浸泡，超声以去除产品中残留的熔盐，并对反应产物进行离心，最终在80℃条件下真空干燥2h，所得脱硅后的粉煤灰中铝硅的摩尔比为2.8。
将反应后的熔盐在惰性气氛条件下冷却至室温，使用去离子水和稀盐酸(0.1M)反复浸泡过滤，所得固体过滤物在80℃条件下真空干燥2h，便可得到硅酸钙。将滤液进行蒸发结晶，可得到反应熔盐。
Claims (6)
1.一种粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
对脱碳的粉煤灰进行球磨和干燥处理；
在惰性气氛保护条件下，将加入氧化钙的熔盐加热至熔融态，氧化钙与熔盐的摩尔比例为0.5%~18%；
将球磨和干燥后的粉煤灰置于熔融态的反应熔盐中，在常压条件下反应至稳定状态后，从反应熔盐中取出反应后的粉煤灰并在惰性气氛条件下冷却，对反应后的粉煤灰进行水洗和干燥处理，得到深度脱硅的粉煤灰；
在惰性气氛条件下将反应熔盐冷却，水洗后过滤得到硅酸钙并回收，同时回收滤液；熔盐为氯化钙与氯化钠、氯化锂、氯化镁、氯化钾和氯化钡中的一种或几种的混合盐。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，其特征在于，熔盐升温至熔融状态的反应温度为550~950℃。
3.根据权利要求2所述的粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，其特征在于，反应时间为1~15h。
4.根据权利要求1所述的粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，其特征在于，将滤液进行蒸发结晶对反应熔盐进行回收利用。
5.根据权利要求1所述的粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，其特征在于，球磨后的粉煤灰平均粒径为1μm~15μm。
6.根据权利要求1所述的粉煤灰深度脱硅和硅资源回收方法，其特征在于，熔盐加热至熔融态时的升温速率为4℃min-1。
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