我国粉煤灰排放量巨大，粉煤灰的利用主要用于道路建设、矿山回填或作为水泥混合材和混凝土掺合料。粉煤灰的利用价值较低，如何提高粉煤灰的利用附加值是目前研究的热点。利用粉煤灰制备各种无机高分子絮凝剂是粉煤灰高附加值利用的一种方式，国内外已经做了大量的研究。但这些有效浓度较低，主要是因为粉煤灰中的二氧化硅和铝以莫来石3Al2O3 2SiO2的形式存在，SiO2-Al2O3键键能高，键聚合度高，化学性质稳定，常温下活性低，导致二氧化硅和铝的浸出率低。为了合成高效聚硅酸硫酸铝铁絮凝剂，需要提高硅、铝、铁的浸出浓度。本文采用焙烧-微波场酸浸工艺来强化粉煤灰中有价元素的浸出。

一.实验

(1)原材料

试验中使用的飞灰化学成分见表1。飞灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和FeO，占飞灰总质量的81.69%，此外还有少量的CaO、MgO、K2O和未燃c

表1飞灰的化学成分(质量分数)%值

二氧化硅

图1粉煤灰的差热分析曲线

(2)测试方法

图2是焙烧-微波场浸出工艺流程图。将粉煤灰与钠盐添加剂混合，焙烧，随炉冷却，粉碎，过筛，取粒径小于74μm的样品，在硫酸体系中浸出；浸出在MAS-ⅰ微波反应器(微波功率500W，工作频率2450MHZ)中进行。浸出结果出来后，用离心机将浸出液固分离，取上清液，检测浸出液中硅、铝、铁的含量，计算浸出率。

图2焙烧-微波场浸出联合工艺流程

(3)分析和检测

采用GB 9742-88标准，用硅钼蓝分光光度法测定浸出液中硅元素的含量。采用GB 9742-88标准，用玫瑰三羧酸(铝试剂)分光光度法测定浸出液中铝的含量。采用GB 9742-88标准和三氯化钛-重铬酸钾容量法测定浸出液中铁的含量。

采用英国马尔文Mastersizer2000激光粒度分析仪测定了原料粉煤灰的强度和组成。

生料飞灰的TG-DTA/DSC热重-差热分析(DTA)由法国Sataram公司进行。测量条件为:升温速率为5℃min，从室温升至1200℃，氮气作为保护气体，流速为20 ml/min。

利用日本X射线粉末衍射仪(XRD) D/MAX-2200PC对原料粉煤灰和焙烧粉煤灰进行了检测，并对其物相组成进行了分析。测定条件为:Cu靶，管压40kV，管流20mA，扫描速度5/min，步长(相对于2 & o flash；)为0.04，发射狭缝(DS)为1，接收狭缝(RS)为0.15mm，散射狭缝(SS)为1，石墨单色仪，2 & Oslash扫描范围为10 ~ 80。

利用费公司的Quanta200FEG扫描电镜(SEM)和微区能谱分析(EDS)对原料粉煤灰和焙烧粉煤灰的形貌进行了观察。

二。结果和讨论

(1)焙烧-浸出粉煤灰中的有价元素

采用钠盐焙烧法，将粉煤灰和钠盐添加剂混合焙烧，焙烧产物在硫酸溶液中浸出。飞灰中有价元素的浸出率见表2。

表2焙烧-酸浸飞灰中有价元素的浸出率%

加工方法

从表2可以看出，焙烧-酸浸工艺粉煤灰中有价元素Si、Al和Fe的浸出率分别为0.72%、40.05%和41.30%，比直接酸浸的原粉煤灰分别提高了41%、293%和145%。原因是焙烧反应破坏了莫来石中的SiO2-Al2O3键，产生了高活性的物质。

焙烧过程中的主要反应有:

3 Al2O3 2 SiO2+Na+→NaAlO2+Na2SiO3

铝酸钠+硅酸钠→硅酸纳+Na2O

焙烧产物NaAlO2、NaAlSiO4和Na2SiO3在硫酸溶液中浸出，反应方程式如下:

铝酸钠+硫酸→硫酸钠+硫酸铝+H2O

硅酸纳+硫酸→硫酸钠+硫酸铝+硅酸乙酯

硅酸钠+硫酸→硫酸钠+硅酸

(2)生粉煤灰和焙烧粉煤灰的XRD、SEM和EDS分析

图3是原料粉煤灰和焙烧粉煤灰的XRD光谱。从图3(a)中可以看出，生料粉煤灰的主要相是莫来石3al2o 3·2 sio2 (d值:5.39，3.77，3.43)和应时SiO 2(d值:4.26，3.34，2.46)，它们在2 & Oslo在22° ~ 35°范围内出现一个宽的衍射特征峰，表明存在非晶态硅酸盐玻璃。从图3(b)可以看出，煅烧产物的主晶相为(Na2O)0.33NaAlSiO4(d值:4.22，3.65，2.58)，NaAlSiO4(d值:4.23，3.66，2.59)，原料中的Na1.75A1.75Si0.28O4 (D值)莫来石化学性质稳定，室温下活性低，在硫酸溶液中难以浸出。而当粉煤灰和钠盐混合焙烧后，变成容易被硫酸溶液浸出的结晶相，因此浸出率可以提高。

图3生粉煤灰和焙烧粉煤灰的XRD谱图

(a)原料飞灰；(b)焙烧飞灰

表3示出了通过能谱分析在微观区域中原始飞灰颗粒和焙烧飞灰颗粒的化学组成。从表3的数据可以看出，生料飞灰中的al、O、Si占总质量的85.78%，焙烧飞灰中的Na、Al、O、Si占总质量的95.33%。

表3微区域化学成分(质量分数)%

种类

图4显示了原始飞灰的SEM和EDS光谱。从图4可以看出，原料粉煤灰都是规则光滑的球形颗粒；根据原料粉煤灰颗粒周围区域的能谱分析，粉煤灰的主要化学成分为Si、al、O、Fe、Mg、K和Ca。根据周围区域的能谱分析和图3 (a)中的XRD分析，这些球体的主要成分是莫来石3Al2O3 2SiO2和应时SiO2。

图4原始飞灰的SEM和EDS光谱

如果因为某种原因图表不清楚，有需要的人可以免费打电话。

图5显示了焙烧飞灰的SEM和EDS光谱。从图5中可以清楚的看到，焙烧后，未反应的粉煤灰颗粒表面非常光滑，而反应后的粉煤灰颗粒卖给你产生了大量的白色片状结构物质，这说明粉煤灰和钠盐焙烧后，在粉煤灰颗粒表面生成了新的物质。对焙烧飞灰颗粒表面白色片状结构的能谱分析表明，片状结构的主要化学成分为O、Na、Si、al、Fe、Mg、K和Ca，其中O、Na、Si和Al含量较高。根据图3 (b)中的微区能谱分析和XRD分析可以看出，焙烧产物主要是(Na2O)0.33NaalSiO4、NaAlSiO4、Na1.75Al1.75Si0.25O4，它们易于被硫酸浸出，因此可以提高粉煤灰中Si、Al和Fe的浸出率。

图5焙烧飞灰的SEM和EDS光谱

如果因为某种原因图表不清楚，有需要的人可以免费打电话。

(3)微波场酸浸焙烧浸出粉煤灰中的有价元素

1.微波停留时间对粉煤灰中有价元素浸出的影响。

纸浆浓度控制在10%，微波加热温度为60℃。图6显示了微波保持时间对飞灰中有价值元素Si、Al和Fe的浸出的影响。从图6可以看出，微波保温时间为0.5h时，硅的浸出率为1.13%，微波保温时间延长到1h时，硅的浸出率下降到0.28%，下降速度非常快；随着微波保温时间的继续延长，硅的浸出率下降很小，基本保持不变。在硅酸快速胶凝的影响下，微波保温时间越长，硅浸出率越低。当微波停留时间小于1 h时，铝的浸出率迅速增加，从微波停留时间为0.5h时的39.48%增加到微波停留时间为1h时的47.66%。然而，随着微波停留时间的增加，铁的浸出率不断上升，从微波停留时间为0.5h时的41.88%增加到微波停留时间为5h时的45.44%。延长微波保温时间可以提高反应物的分子能量，降低反应活化能，提高铝和铁的浸出率。

图6微波停留时间对飞灰中有价元素浸出的影响

2.微波加热温度对粉煤灰中有价元素浸出的影响。

矿浆浓度控制在10%，微波保持时间为1h。图7显示了微波加热温度对飞灰中有价值元素Si、Al和Fe的浸出的影响。从图7可以看出，微波加热温度对硅的浸出率有显著影响。随着微波加热温度的升高，硅的浸出率显著降低。当微波加热温度为50℃时，硅的浸出率为1.40%，而当微波加热温度为90℃时，硅的浸出率仅为0.44%。随着微波加热温度的升高，硅酸的胶凝过程加快，溶液中的游离硅减少，说明硅的浸出率降低。当微波加热温度从50℃升高到80℃时，铝浸出率逐渐升高，在80℃时达到58.08%，随后微波加热温度升高，铝浸出率降低。随着微波加热温度的升高，铁的浸出率逐渐增加。50℃时铁的浸出率为40.65%，80℃时为48.85%，浸出率可提高20.18%。随着微波加热温度的升高，反应物分子能量增大，反应活性增加，说明铝和铁的浸出率增加。

图7微波加热温度对飞灰中有价元素浸出的影响

3.矿浆浓度对粉煤灰中有价元素浸出的影响。

微波加热温度控制在80℃，加热时间为1h。表4显示了矿浆浓度对飞灰中有价值元素Si、Al和Fe的浸出的影响。从表4可以看出，粉煤灰中硅、铝、铁的浸出率随着矿浆浓度的增加而降低，这主要是因为粉煤灰的相对量随着矿浆浓度的增加而增加一倍。尽管硅、铝和铁的浸出率增加，但浸出率仍低于硅、铝和铁的总量。此外，随着矿浆浓度的增加，硅酸含量增加，胶凝作用也增加。硅酸胶凝时，铝、铁被带入，导致可检测的硅、铝、铁含量降低，表现为浸出率下降。

表4矿浆浓度对飞灰中有价元素浸出的影响

纸浆浓度%

采用焙烧-微波场酸浸联合工艺，硅、铝和铁的最高浸出率分别为1.63%、59.17%和49.20%，分别比焙烧-酸浸工艺的0.72%、40.05%和41.30%高出126%、48%和19%。

粉煤灰和钠盐的焙烧产物NaAlO2、NaAlSiO4、Na2SiO3在微波场中通过微波加热放入硫酸溶液中，反应体系中大量的极性物质(包括极性水分子)吸收微波能，使电磁能迅速转化为反应物分子热能，从而提高反应速率，缩短反应过程。由于溶液反应体系的整体升温，甚至可以间接加热粉煤灰中未燃烧的莫来石，可以提高粉煤灰中SiO2、Al2O3等物质的活性，增加反应物分子的能量，降低反应的活化能，促进SiO2-Al2O3键的断裂，提高粉煤灰中有价元素的浸出率。

三。结论

(1)粉煤灰中二氧化硅和铝以莫来石的形式存在，直接酸浸法二氧化硅和铝的浸出率低。焙烧-酸浸工艺破坏了莫来石的SiO2-Al2O3键，飞灰中有价元素Si、Al和Fe的浸出率比直接酸浸分别提高了41%、293%和145%。

(2)焙烧-微波场酸浸联合工艺不仅加快了粉煤灰中有价元素的浸出速度，缩短了反应过程，而且提高了粉煤灰中有价元素Si、Al和Fe的浸出率，分别比焙烧-酸浸工艺提高了126%、48%和19%。