粉煤灰漂珠的分離研究

楊瑤剛，任京成，楊贊中

(山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255049)

粉煤灰漂珠的分離研究

楊瑤剛，任京成，楊贊中

(山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255049)

粉煤灰中的漂珠含量較低，分離和提純過程仍需改進. 為尋求實現工業分離的工藝條件,對內蒙古熱電廠的粉煤灰漂珠進行了研究. 首先采用常規的水懸浮法對粉煤灰漂珠進行分離，得到高回收率的漂珠混合物；再利用篩分-焙燒-篩分工藝對粉煤灰漂珠進行提純，最終得到純度在95 %以上，粒度范圍為0.074～0.15mm的空心微珠. 對得到的粉煤灰漂珠和漂珠混合物中的雜質進行了研究，發現漂珠在掃描電鏡下多為圓球形、透明或不透明、形態多樣；而漂珠混合物中的雜質主要成分為炭，內部多孔、結構疏松，與漂珠有著顯著差異.

粉煤灰漂珠；分離；組成；提純

中國是煤炭資源大國，隨著燃煤發電的不斷增加，粉煤灰的排放量也在不斷增加，我國每年粉煤灰排放量超過5億t[1]. 漂珠是從熱電廠粉煤灰中漂選出來的硅酸鋁質空心珠體，是一種高附加值產品[2]. 粉煤灰漂珠一般為外表光滑的珠形顆粒，呈白色或灰白色，透明或不透明，耐火度高達1 400 ℃以上，隔熱性能強[3]. 漂珠材料的研究和應用，彌補了有機隔熱材料防火性差等的不足，同時漂珠由于其低密度、熱穩定性好等優異的性能，廣泛應用于低密度油井水泥、輕質混凝土、及耐火材料等領域[4-7]. 因粉煤灰漂珠在提取的過程中方法各種各樣，且組成復雜，難以用于指導生產，很多關于粉煤灰漂珠的文獻中也缺少對漂珠的成分和微觀形貌的分析[8]. 內蒙古某熱電廠年產粉煤量20萬t，其中含約0.15%的空心微珠，本文對其中的粉煤灰漂珠進行高純度分離，以尋求實現工業分離的工藝條件，以尋找更高的開發利用價值.

1 粉煤灰漂珠分離研究

1.1 粉煤灰除雜

觀察及預實驗發現粉煤灰在生產、堆存過程中產生了少量塊狀雜質，主要是脫硫石膏塊體、多孔灰渣塊、多孔炭粉以及在堆放過程中混入的雜草. 它們的存在干擾了漂珠分離，并給后期漂珠提純帶來不利影響. 這些雜質有的密度小(如多孔灰渣，多孔炭)，有的(如雜草)會影響漂珠的質量，在分離前必須予以去除.

去除的方法是采用篩分法，用20目篩干篩除雜. 篩分除雜的結果是雜質質量分數在0.5 %左右，主要是塊狀、纖維狀. 塊狀主要是炭渣、多孔炭和脫硫石膏(圖1).

圖1 粉煤灰雜質

塊狀雜質的粒度為0～30mm，密度與漂珠相近；纖維狀雜質量少，主要是雜草.

1.2 漂珠分離工藝

由于漂珠的密度大都在0.3～0.7g/cm3，在水中又以實現精確分離，又及粉煤灰后期利用亦為濕法，故采用濕法分選的方法來提取[9-11]，提取工藝見圖2.

圖2 漂珠分離工藝

1.3 漂珠分離試驗

確定粉煤灰漂珠有效分離的最佳條件，如：濃度、攪拌強度、靜置時間等.

1.3.1 濃度試驗

濃度試驗旨在考察灰漿濃度對漂珠分離的影響. 分別以煤漿質量濃度30%、25%、20%、15%進行不同濃度試驗，漂珠分離結果無顯著差異，故最終確定粉煤灰漿質量濃度為25%.

1.3.2 攪拌試驗

在不同攪拌強度狀態下，考察攪拌強度對分散性能及漂珠漂浮的影響. 分別用300r/min、400r/min、500r/min、600r/min的漿葉轉速攪拌時間固定為2min進行試驗. 在試驗條件下，分離結果亦無顯著差異，故確定300r/min轉速，2min攪拌時間即可達到分離要求.

1.3.3 靜置、分離和干燥

粉煤灰漿靜置，主要是讓懸浮物在水中沉降而實現漂珠與細灰顆粒的分層. 將粉煤灰漿分別靜置2min、5min、10min、20min，分離結果無顯著差異. 故最終確定5min為最佳靜置時間.

將漂浮物與澄清液分離，在105 ℃的條件下干燥，得到含有漂珠的混合物.

2 粉煤灰漂珠的組成及微觀形貌

粉煤灰漂珠和雜質之間存在著差異，為了弄清它們之間的差異，尋找分離的方法，故借助XRF和SEM來分析.

2.1 化學組成

運用化學全分析和XRF的手段得到粉煤灰漂珠的化學組成(表1).

表1 粉煤灰漂珠的化學組成 %

組分SiO2Al2O3CaOFe2O3K2OTiO2MgO質量分數59．522．16．045．452．641．271．04

由上面的結果可知，粉煤灰漂珠中主要成分為SiO2和Al2O3，還含有部分CaO和Fe2O3以及少量的K2O等，基本上不含C元素.

2.2SEM觀察懸浮物的微觀形貌

(a) (b)

(c) (d)圖3 粉煤灰漂珠的SEM微觀形貌

將所得漂珠經篩分后置于光學顯微鏡下觀察其形貌特征. 可以發現，圖3a中可以看出漂珠主要是圓球形，還有部分無定型和橢圓形的漂珠，其中大部分屬于圓球形漂珠，粒徑比較大. 圖3b中漂珠的表面要相對光滑一些，珠型良好，為純凈的不透明狀. 圖3c漂珠的表面有許多不規則的突起，其表面黏連有更細的微珠，或被少量礦物碎屑、碳粒等雜染. 圖3d是粉煤灰漂珠中的雜質在掃描電鏡下的形貌，雜質較脆，內部多孔，結構疏松，易碾碎，孔腔內吸水性高. 漂珠中炭雜質粒徑較大，一般大于漂珠的平均粒徑. 它往往存在于粗顆粒中，漂珠中的雜質對漂珠的利用會產生負面影響.

將圖3d中的雜質單獨做能譜分析，分析結果見表2.

表2 漂珠中雜質能譜分析結果 %

元素COAlSiZr質量分數63．3326．694．504．181．30

表2中可以看出原粉煤灰漂珠雜質中所含常量元素為C、O、Al、Si，雜質中含有大量的碳元素，而漂珠中幾乎不含碳元素，充分說明了漂珠中的雜質主要為炭雜質. 如果將粉煤灰漂珠中的炭雜質除掉，將細顆粒集中，可以大大提高粉煤灰中漂珠的品位.

3 提純

粉煤灰漂珠顆粒較細，采用激光粒度儀測定漂珠粒度范圍一般在0.074mm～0.15mm之間.粉煤灰漂珠大多數富集在細顆粒范圍內，而雜質較粗大，多數富集在粗顆粒范圍內. 因此先用40目(0.63mm)的標準篩做振篩試驗除去混合物中體積較大的顆粒(圖4).

圖4 漂珠中的雜質

漂浮物分離后，混合物雜質主要殘存的是多孔炭(表2).由于多孔炭的密度與漂珠相近，難以用其它方法去除，故采用焙燒法.

將過篩之后的混合物共189.9g在960 ℃的溫度下焙燒，以去除殘存在漂珠的多孔炭.焙燒完畢，冷卻稱重為181.2g，燒掉了4.6 %的雜質.

隨機抽取焙燒后的樣品置于體視顯微鏡下觀察，統計并估算得到漂珠的純度在95 %以上.

4 結論

(1)此類粉煤灰漂珠中的雜質主要是炭渣和多孔炭.

(2)通過掃描電鏡發現，漂珠形態多樣，圓球形居多，而雜質為無規則形狀，內部多孔，結構疏松.

(3)利用焙燒法除去漂珠中的炭雜質，可以得到純度較高的粉煤灰漂珠.

[1]晉曉彤，鄢國平，紀娜等.粉煤灰合成分子篩的研究進展[J]. 環境科學, 2015, 34(11): 2025-2038.

[2]KOSIOR-KAZBERUKM,JZWIAK-NIEDZWIEDZKAD.Influenceofflyashformco-combustionofcoalandbiomassonscallingresistenceofconcrete.ArchivesofCivilEngineering, 2010, 56(3): 239-254.

[3]楊慎通, 劉彤, 趙洋, 等. 粉煤灰漂珠隔熱材料研究現狀及發展前景[J]. 廣東化工, 2013, 40(10): 192-193.

[4]CHANDN,SHARMAP,FAHIMM.Correlationofmechanicalandtribologicalpropertiesoforganosilanemodifiedcenospherefilledhighdensitypolyethylene[J].MaterialsScienceandEngineering:A, 2010, 527(21): 5873-5878.

[5]LUONGDD,GUPTAN,ROHATGIPK.ThehighstrainratecompressiveresponseofMg-Alalloy/flyAshcenospherecomposites[J].JournalofMaterial, 2011, 63(2): 48-52.

[6]ROHATGIPK,GUPTAN,SCHULTZBF,etal.Thesynthesis,compressiveproperties,andapplicationsofmetalmatrixsyntacticfoams[J].JournaloftheMinerals, 2011, 63(2): 36-42.

[7]CHENJJ,KWANAKH.Tripleblendingwithflyashmicrosphereandcondensedsilicafumetoimproveperformanceofcementpaste.JournalofMaterialsinCivilEngineering, 2013, 25(5): 618-626.

[8]楊帆, 李文兵, 楊望舒. 粉煤灰顆粒的微觀分類探討[J]. 粉煤灰, 2012(6): 10-12．

[9]陳學航, 李焱, 高文龍, 等. 粉煤灰漂珠提取及其在石油固井中的應用[J]. 硅酸鹽通報, 2015, 34(5): 1320-1324.

[10]孫加亮, 周玉生, 周明吉, 等. 電廠粉煤灰分選玻璃微珠的試驗研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2013(1): 48-50.

[11]劉匯東, 宋紅見, 魏建朋, 等. 珞璜電廠珞璜電廠粉煤灰微珠的精細化分選[J]. 科技導報, 2015, 33(4): 49-55.

(編輯：姚佳良)

Separationofflyashfloatingbeads

YANGYao-gang,RENJing-cheng,YANGZan-zhong

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Thecontentofflyashfloatingbeadsislowandtheseparationandpurificationprocessstillneedstobeimproved.Inordertoachieveindustrialseparationprocessconditions,flyashfloatingbeadsinpowerplantinInnerMongoliawereseparated.First,theconventionalwatersuspensionseparationprocesswerecarriedouttoobtaincenospheremixtures.Then,themixtureswerepurifiedthroughscreening-roasting-screeningprocess,andobtainedcenospherewithmorethan95%purity.Theparticlessizeisrangedfrom0.074mmto0.15mm.Flyashfloatingbeadsunderthescanningelectronmicroscopy(SEM)aremostlysphereswithvariousforms,transparentoropaque.Whiletheimpuritiesaremainlycoal,withlooseinternalporousstructuresandhavesignificantdifferencewithdriftbeads.

fly-ashfloatingbeads;separation;constitute;purification

2016-07-29

楊瑤剛，男，1040507483@qq.com； 通信作者： 任京成，男，jchren@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)03-0070-03

TB

A