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      白泥綜合利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)

      2020-11-06 13:15:44張小東趙飛燕神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司內(nèi)蒙古鄂爾多斯010300
      化工管理 2020年30期
      關(guān)鍵詞:白泥硅溶膠硅酸鈉

      張小東 趙飛燕(神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

      0 引言

      近年來,粉煤灰的綜合利用成為研究熱點(diǎn),利用方式多樣,成果顯著。神華集團(tuán)為了綜合利用大量粉煤灰,打造完整的煤炭經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈,依托煤-電-路一體化產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè),并針對準(zhǔn)格爾煤田的煤燃燒后產(chǎn)生的粉煤灰特性,成功開發(fā)出“一步酸溶法”粉煤灰制取氧化鋁的新工藝,并已建成年產(chǎn)4000噸冶金級氧化鋁中試廠,截至目前,經(jīng)七次中試運(yùn)行后,與2017進(jìn)入工業(yè)化示范項(xiàng)目的建設(shè)中。《粉煤灰綜合利用管理辦法》規(guī)定,固體廢棄物綜合利用率必須達(dá)到96%,因此,白泥綜合利用意義非凡。

      1 白泥理化特性

      白泥主要成分(詳見表1)為氧化硅、氧化鋁,呈細(xì)粒多孔的結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的活性。白泥堆密度為0.62g/cm3,真密度為1.64g/cm3。白泥比表面積91.67m2/g;白泥粒度呈正態(tài)分布趨勢,粒徑10~15μm占10%,5~10μm占30%,5μm以下占60%,平均粒徑為5.07μm。電鏡掃描發(fā)現(xiàn)白泥是一種多孔結(jié)構(gòu)(見圖1)。采用X射線衍射儀對白泥物相進(jìn)行分析,從XRD譜圖(見圖2)中可以看出,白泥以非晶態(tài)物質(zhì)為主,非晶相>90%,同時(shí)存在少量結(jié)晶物質(zhì),包括石英、銳鈦礦和莫來石。由此可見,白泥是一種細(xì)粒多孔結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)活性的硅鋁酸物質(zhì),具有極高的利用價(jià)值,白泥的綜合利用成為研究的重點(diǎn)。

      2 白泥綜合利用產(chǎn)品方案策劃

      2.1 硅酸鈉

      以硅酸鈉為原料的深加工產(chǎn)品已有50多種,涉及化工、輕工業(yè)、紡織工業(yè)、機(jī)械、農(nóng)業(yè)、建筑等行業(yè)。在化工行業(yè)硅酸鈉主要用來制備層狀二硅酸鈉、硅膠、沸石分子篩、硅溶膠、白炭黑、硅酸鉀鈉等各種硅酸鹽類產(chǎn)品;在輕工業(yè)中,硅酸鈉是洗衣粉、肥皂,水質(zhì)軟化劑、助沉劑的原料;在紡織工業(yè)中用于助染、漂白;在機(jī)械行業(yè)中廣泛用于鑄造、砂輪制造和金屬防腐劑等;在建筑行業(yè)中用于制造水泥、耐火材料、土壤固化劑等;另外用作石油催化裂化的硅鋁催化劑、耐火材料和陶瓷原料、食品防腐以及制膠粘劑等[1]。白泥與氫氧化鈉反應(yīng)很容易制得硅酸鈉產(chǎn)品。

      2.2 硅酸

      硅酸原稱偏硅酸,是一種二元弱酸。主要用于氣體及蒸氣的吸附,油脂、蠟的脫色、催化劑及其載體的制備。還用作生產(chǎn)鎢絲的熔劑,分析化學(xué)上的化學(xué)試劑、接觸劑和色譜分離的吸附劑,制造硅膠和硅酸鹽的原料。另外,在分析化學(xué)中能將不溶性氮化物如氟化鈣、氟化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄匀芤?,進(jìn)行氟的測定。白泥可與酸反應(yīng)制得硅酸。

      2.3 硅溶膠

      硅溶膠亦稱硅酸溶膠,是硅酸多分子聚合物的膠體溶液,其分子式為SiO2·mH2O,外觀多呈乳白色或淡青透明的溶液狀。硅溶膠可作為陶瓷纖維、高溫爐的耐火磚的粘結(jié)劑及保溫絕熱耐火材料,廣泛應(yīng)用于耐火絕熱材料、粘接劑、涂料、陶瓷、冶金等行業(yè)。近年來隨著無機(jī)高分子建筑涂料業(yè)的興起,硅溶膠市場前景廣闊。純度較高的無機(jī)硅溶膠價(jià)格在6000~7000元/噸。白泥可與酸反應(yīng)制得硅溶膠。

      2.4 硅膠

      圖1 白泥SEM圖

      表1 白泥的化學(xué)成分表(wt%)

      圖2 白泥XRD圖

      硅膠按粒徑分為基礎(chǔ)硅膠和微粉硅膠兩大類?;A(chǔ)硅膠的粒徑為0.5~0.8mm;微粉硅膠的粒徑為1~15μm。硅膠起初主要應(yīng)用于軍事工業(yè),目前作為干燥劑普遍用于石油化工、環(huán)保、醫(yī)藥、涂料、食品、輕紡、造紙、生物化學(xué)、塑料等領(lǐng)域。微粉硅膠主要用于食品、醫(yī)藥和生物化學(xué)行業(yè),代表性產(chǎn)品有Syloid、Sylox、Trisyl,Daraclar、Silcron等。硅膠在涂料工業(yè)中,是最重要的無機(jī)消光劑。硅膠層析技術(shù)在中藥化學(xué)中得到了廣泛推廣[2]。

      2.5 白炭黑

      白炭黑是白色粉末狀X-射線無定形硅酸和硅酸鹽產(chǎn)品的總稱,主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅、超細(xì)二氧化硅凝膠和氣凝膠、粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。白炭黑因其粒徑微細(xì),外形不規(guī)整,具有較好的分散性是一種良好的填充劑,廣泛用于橡膠、塑料、造紙、燃料、涂料、油墨等工業(yè)。二十世紀(jì)四十年代初德、蘇、美等國就將其投入了工業(yè)化生產(chǎn),在八十年代初西方國家年產(chǎn)白炭黑已達(dá)到52萬余噸。目前,美、日、德是技術(shù)先進(jìn)的二氧化硅產(chǎn)品生產(chǎn)大國。我國由于先前白炭黑產(chǎn)業(yè)發(fā)展不夠充分,白炭黑的自給率一直很低,主要依賴國外產(chǎn)品的進(jìn)口,雖然近年來發(fā)展較快,成為凈出口國,但是白炭黑的生產(chǎn)規(guī)模依然較小,所以目前國內(nèi)白炭黑行業(yè)處于成長階段,整體市場競爭激烈,產(chǎn)品主要以中低技術(shù)為主,故其發(fā)展和應(yīng)用前景十分廣闊[3]。

      沉淀白炭黑主要用作天然橡膠和合成橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑、牙膏摩擦劑等。用于橡膠制品中,可提高膠料的拉伸強(qiáng)度、彈性及撕裂強(qiáng)度,并可減少橡膠的用量,降低生產(chǎn)成本。顆粒狀、不規(guī)則塊狀白炭黑分散性高、混煉吃料快、改變了粉狀白炭黑粉塵飛揚(yáng)的現(xiàn)象。

      我國氣相法二氧化硅生產(chǎn)企業(yè)有四家分別為沈陽化工股份有限責(zé)任公司、廣州吉必時(shí)化學(xué)有限公司、上海氯堿廠與甘肅亞盛化工股份有限公司,產(chǎn)能共計(jì)4000噸/年

      2.6 分子篩

      分子篩是一種以硅氧四面體和鋁氧四面體組成的空曠骨架結(jié)構(gòu)的多微孔晶體硅鋁酸鹽物質(zhì),表面積很大?;瘜W(xué)式為:M2/nOAl2O3·xSiO2·yH2O, 其中M為金屬離子,n為金屬離子化合價(jià);x為SiO2分子數(shù)或者SiO2/Al2O3摩爾比;y為H2O分子數(shù)。分子篩因其多孔的結(jié)構(gòu)可以對分子進(jìn)行選擇性吸附,向篩子一樣篩選不同大小的分子,進(jìn)而得名。分子篩通常具備以下特性:具有對氣體和液體良好的可逆吸附性;良好的陽離子交換性能;較高的比表面積和吸附容量;如果在分子篩表面引進(jìn)有機(jī)官能團(tuán),能夠吸附廢液中重金屬離子、有機(jī)污染物和放射性元素。因此其在石油化工,廢水處理和環(huán)境保護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用[4]。

      2.7 透水磚

      透水磚可以使雨水透過磚體流入地下,它是建設(shè)海綿城市建設(shè)的中重要原材料。透水磚分為燒結(jié)型透水磚和非燒結(jié)型透水磚兩類。燒結(jié)型透水磚因強(qiáng)度、透水性、壽命等關(guān)鍵性較指標(biāo)較非燒結(jié)型透水磚好,市場占有率高。生產(chǎn)燒結(jié)型透水磚主要原料為耐火材料廢料、陶瓷廢料、鋼渣等固體廢棄物。隨著海綿城市的興起,透水磚市場需求量逐年增加,因此制備透水磚的原材料需求也不斷增加。然而,近年來我國環(huán)保治理力度空前加大,上述原料產(chǎn)能驟降,進(jìn)而制約著透水磚生產(chǎn)能力[5]。因此,拓寬透水磚制備原料的來源顯得尤為必要和迫切,白泥的性質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)及基體與陶瓷相近,可開展白泥透水磚的研究。

      2.8 地質(zhì)聚合物

      地質(zhì)聚合物作為一類新型無機(jī)高聚合膠凝材料,它的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為 ,具有優(yōu)良的力學(xué)性能和抗腐蝕性以及較好的孔隙結(jié)構(gòu)和較低的導(dǎo)熱系數(shù),Mn(—(SiO2)Z)—AlO2)nwH2O,式中:“M”為堿金屬元素,如K+、Na+等;“z”為Si/Al比,“n”為縮聚度;“w”為結(jié)合水的數(shù)目(0≤w≤4)。地質(zhì)聚合物的聚合反應(yīng)是從單體到二聚體,再到更高聚體的縮聚過程。 它的基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體和鋁氧四面體,產(chǎn)物中以離子鍵和共價(jià)鍵連結(jié)為主、范德華鍵和氫鍵連結(jié)為輔。它是一種新型的環(huán)境友好型材料可以用于生產(chǎn)新型建筑材料、阻燃保溫材料等,還可以用于重金屬、有毒和放和放射性廢料的吸附,改善環(huán)境污染[6]。白泥與地質(zhì)聚合物在成分、表面基團(tuán)等方面具有一致性,可以用于地質(zhì)聚合物的制備。

      2.9 橡塑填料

      橡塑填料是橡膠填料和塑料填料的合稱。橡膠填料是橡膠工業(yè)的主要原料之一,其用量與橡膠填料相當(dāng)。填料作為補(bǔ)強(qiáng)劑或填充劑添加在橡膠中,能賦與橡膠許多特性。粉煤灰、碳酸鈣、炭黑、高嶺土、煤矸石、滑石粉、白炭黑、油頁巖、赤泥等是橡膠工業(yè)中常用的填料。塑料填料,可以提高塑料的強(qiáng)度、耐熱性能等指標(biāo)。塑料填料主要以無機(jī)塑料填料為主,輔以有機(jī)填料,如玻璃纖維、粉煤灰、硅藻土、炭黑、高嶺土等[7]。白泥與這些硅酸鹽材料在成分、表面基團(tuán)等方面具有一致性,可用于制備橡塑調(diào)料。

      3 結(jié)語

      白泥是一種活性較強(qiáng)的硅鋁酸物質(zhì),可在硅酸鈉、硅酸、硅溶膠、硅膠、白炭黑、分子篩、透水磚、地質(zhì)聚合物、橡塑填料等方面開展技術(shù)研究及應(yīng)用研究。白泥綜合利用不僅能解決了白泥堆存帶來的環(huán)境問題,還可獲得新產(chǎn)品,是循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

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