粉煤灰，是燃煤粉碎成顆粒粉末后在高溫燃燒下產(chǎn)生的，是從煙道氣中收集的細灰。粉煤灰是燃煤電廠的主要固體廢棄物，也是當前世界上排放量最多的工業(yè)廢物之一。實現(xiàn)粉煤灰的資源化利用，具有十分重要的現(xiàn)實意義。粉煤灰的綜合利用主要是提取其中的鋁和硅化物，或制取白炭黑。

粉煤灰的形成過程

粉煤灰的組成

1.粉煤灰的化學成分

由于火力發(fā)電廠使用的煤產(chǎn)地和燃燒條件的不同，最后得到的粉煤灰的化學組分及含量也有所不同，但絕大多數(shù)情況下，Al₂O₃和SiO₂總量占粉煤灰質量均達到80%左右，部分地區(qū)可達到90%。同時含有少量的Fe₂O₃、CaO等，還有以氧化物形式存在的微量的鎵、鍺、銦等稀散金屬。

2.粉煤灰的礦物組成

由于各地煤的形成過程的差異，導致其中礦物組成隨之變化，在各地粉煤灰中，大多數(shù)的主要組分均為無定向玻璃體，約占50.2%~79.0%。物質組成主要為Al₂O₃、SiO₂及少量鈉鉀氧化物等。在煤燃燒時，MgO和CaO與SiO₂形成了硅酸鹽。約占5%~25%晶相的主要成分則為莫來石和石英，莫來石是由原灰中大多數(shù)的Al₂O₃形成。

粉煤灰中提取白炭黑的方法

白炭黑是一種無毒、無定形的白色粉狀硅酸產(chǎn)品，又名水合二氧化硅，表面含有較多羥基，易與有機物鍵合，主要用于橡膠制品（包括高溫硫化硅橡膠）塑料、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品添加劑及日用化工等領域。以粉煤灰為原料制取白炭黑主要有沉淀法、碳分法、氣相法和超重力法等幾種方法。

1.沉淀法

沉淀法是將粉煤灰進行預處理，得到活化產(chǎn)物或硅酸鹽溶液，再經(jīng)過陳化、過濾、烘干后得到白炭黑。沉淀法是較為傳統(tǒng)且研究較多的方法，此方法操作簡單，但是生產(chǎn)過程中使用大量的強酸強堿對設備的防腐要求較高。沉淀法根據(jù)預處理方式的不同，又分為堿煅燒活化法和燒堿浸出法。

（1）堿煅燒法

堿煅燒活化法就是將粉煤灰與堿性活化劑混勻，進行煅燒后，熱熔于濃酸，陳化后得到硅酸沉淀。

（2）燒堿浸出法

燒堿浸出法就是對粉煤灰進行堿溶液預處理，得到硅酸鹽溶液，通過控制pH值制備硅膠液，再經(jīng)過陳化，過濾烘干得到白炭黑產(chǎn)品。

2.碳分法

碳分法就是將粉煤灰與NaOH反應，硅以硅酸鈉形式溶出后，通入CO₂氣體進行碳分，碳分后膠體經(jīng)干燥得到白炭黑產(chǎn)品。

碳分法是在沉淀法的基礎上，對工藝條件進行優(yōu)化，用CO₂調節(jié)酸度，生成水合二氧化硅沉淀，反應條件溫和。而在工業(yè)生產(chǎn)過程中CO₂絕大部分以廢氣形式排放，以CO₂替代無機強酸制備沉淀白炭黑，不僅可以降低生產(chǎn)白炭黑的成本，而且可以減少CO₂排放造成的環(huán)境污染和資源浪費。

3.氣相法

常規(guī)氣相白炭黑一般由四氯化硅在氧氣和氫氣混合氣流中經(jīng)高溫水解反應，脫酸生成。而粉煤灰氣相法制備白炭黑是通過一定反應將粉煤灰中的硅以氣體形式揮發(fā)出來，然后進行水解制備白炭黑。

氣相法制得的白炭黑產(chǎn)品純度和分散性均較好，但是使用的原材料較貴，工藝能耗較大，增加了生產(chǎn)成本，阻礙了此方法的發(fā)展，研究人員需在傳統(tǒng)氣相法的基礎上繼續(xù)進行改進，不僅需要提高產(chǎn)品的純度，更要降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)氣相法的工業(yè)化。

4.超重力法

超重力法是結合化工傳遞中的RPB技術的新工藝方法，廣泛應用于化工各行業(yè)。主要原料為R₂O·nSiO₂（或硅酸鹽）和無機酸，先制備水玻璃溶液，再加入酸及改性劑。整個反應須在超重力反應器中攪拌進行，使溶液產(chǎn)生循環(huán)回流，同時控制容器內的溫度和反應pH值，將沉淀濾出后烘干，研磨即可制成白炭黑產(chǎn)品。

超重力法制成的產(chǎn)品平均粒徑可達到50nm以上，生產(chǎn)周期短，粉粒質量均勻穩(wěn)定，同時可降低原料成本。