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工业固体废弃物中还藏着一座二氧化硅矿山?
日期:2022-08-23    浏览次数:
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经济的高速发展离不开工业的支持,因此巨大经济利润的背后,也意味着产生了大量的工业固体废弃物。这些固废不仅会占据大面积的土地资源,威胁周边生态环境的平衡和稳定,而且里面本可以利用的大量资源也会遭到浪费。

工业固体废弃物中还藏着一座二氧化硅矿山?

为了更健康地发展经济,提高工业固废资源的处置效果成为了关键。虽然这些固废在它们的来源地看来毫无意义,但换一个场合后,它们完全可以摇身一变成为生产其他产品的原料——比如说高温熔炼过程产生的炉渣、电力行业及冶金过程产生的粉煤灰、煤炭采掘业产生的煤矸石中就含有大量主要以硅酸盐、晶态二氧化硅和非晶态二氧化硅等形式存在的二氧化硅,如果将它们全部丢弃,无异于置一座富含二氧化硅的“矿山”于不顾,实在可惜。

固废中含有的二氧化硅成分

上面已经提到了都有哪些固废资源值得被回收利用,为了更好地提取其中的SiO2,就必须研究清楚固废中SiO2的组成及矿相。

①粉煤灰

粉煤灰是指从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰,是燃煤电厂排出的主要固体废物。其主要晶相为石英和莫来石等矿物相结构,其中SiO2主要分布在石英、莫来石中,以晶态二氧化硅的形式存在;还有部分SiO2存在于铝硅酸盐中,以非晶态二氧化硅的形式存在。

②黄磷炉渣

黄磷炉渣是电炉法生产黄磷过程中排放的高温熔融渣,经水淬后得到的固废的主要矿物成分是硅钙石,化学成分主要含有CaO、SiO2及少量铝、铁、镁、磷、氟等元素。黄磷炉渣中没有结晶相(主要呈非晶态),表明SiO2在黄磷炉渣中主要以非晶态二氧化硅的形式存在。

③煤矸石

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石,存在石英、白云母和高岭石等矿物相结构。其中SiO2主要分布在石英中,以晶态二氧化硅的形式存在。

④铜冶炼渣

铜冶炼渣是炼铜过程中产生的渣,属有色金属渣的一种,存在磁铁矿、橄榄石和钙长石等矿物相结构,其中SiO2主要存在于铁橄榄石(Fe2SiO4)中,以晶态二氧化硅的形式存在。

工业固体废弃物中还藏着一座二氧化硅矿山?

代表性固废的SEM图:(a)粉煤灰,(b)黄磷炉渣,(c)煤矸石,(d)铜冶炼渣

SEM分析表明:粉煤灰由多分散球状颗粒组成,其中不规则的球状颗粒为莫来石,规则的球状颗粒为硅铝玻璃质相;黄磷炉渣中大块颗粒状物质为非晶态硅酸钙;煤矸石的SiO2呈现出明显的、有规律的层状结构;铜冶炼渣中呈现白亮状的物质为铜铁的硫化物,灰白色的物质为铁的氧化物,灰黑色的物质为铁橄榄石。

固废“出身”的二氧化硅产品

目前处理固体废弃物的主要思路,是将其中含有的其他物质如Al2O3FeO 等可以被利用的有价成分以及稀土及贵金属元素先分离提取出来,然后再制备白炭黑、二氧化硅气凝胶等产品,也可以同时利用固体废弃物中的二氧化硅和氧化铝制备沸石。

①白炭黑

白炭黑的化学分子式为SiO2·nH2O,它是一种白色无定形纳米二氧化硅物质,具有优异的孔隙率、高分散性、热稳定性和良好的电绝缘性,常被用于制备催化剂、橡胶增强剂、触变剂、热绝缘体和复合材料,是橡胶、化工、电子、医药等行业提高产品质量的“工业味精”。

工业固体废弃物中还藏着一座二氧化硅矿山?

目前利用固废制备白炭黑主要采用沉淀法工艺,该工艺可细分为酸溶法和碱溶法。酸溶法利用固废与盐酸或硝酸混合,使固废中的Fe2O3Al2O3、稀土金属或硅酸盐等转化为易溶解的氯化物及SiO2沉淀,从而将固废中的稀土等有价金属元素或铁、铝等杂质元素转移至液相,富集二氧化硅的滤饼经酸洗除去铁、炭等杂质,然后通过干燥及煅烧得到白炭黑产品。碱溶法利用固废与碱在熔融或者水溶液中发生反应制得水玻璃,然后通入CO2或者与盐酸或硫酸溶液反应,使二氧化硅以絮状形式沉淀出来,经过滤、清洗、干燥后得到白炭黑产品。

②二氧化硅气凝胶

二氧化硅气凝胶由于具有较大的比表面积、大孔容、低体积密度和低导热系数等特点,可以应用在催化剂、透明隔热材料、薄膜、射电发光器件、药物释放系统等领域。利用固废制备二氧化硅气凝胶时,一般采用溶胶-凝胶法工艺,首先将固废与碱发生反应制得不同模数的水玻璃,然后向水玻璃中加酸溶液使其直接凝胶化,再使用甲醇、乙醇等分子类醇来进行老化,最后用超临界干燥或者常压干燥工艺进行干燥。由于常压干燥设备简单、便宜,因此具有更广阔的前景。

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③沸石

沸石由于其多孔结构,可以容纳多种阳离子,具有吸附、离子交换和催化等一种或多种性质,被广泛用于以下方面:分离提纯过程中的工业吸附剂、制备先进材料的催化剂、膜材料和膜加工的添加剂、离子交换材料、化学传感器等。沸石一般是由氧化铝源、硅源形成的铝硅酸盐凝胶经水热处理合成的,但由于氧化铝源、氧化硅源合成沸石的成本较高,从固废中寻找合成沸石的廉价材料成为研究热点。

工业固体废弃物中还藏着一座二氧化硅矿山?

利用固废合成沸石的方法主要有两种:一种方法是传统的合成方法,即固废碱熔后水热合成;另一种方法是微波或超声波辅助合成新工艺,可以显著降低沸石合成的时间与能耗,并提高了沸石的结晶度。

总结

总之,通过上述方式使工业固废资源得到更加充分的利用,让其中含有的二氧化硅成分变身成为多孔性、耐高温、电绝缘性和催化性能优良的功能材料,不仅有助于减少环境污染,也能最大限度地发挥固废的价值,实属一举多得,前景相当可观。

资料来源:

工业固体废弃物制备二氧化硅功能材料的研究进展,苏博文,史公初,廖亚龙,张宇,王伟,郗家俊。

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