[发明专利]一种粉煤灰酸溶渣制备赛隆粉体的方法

说明书

本发明提供了一种粉煤灰酸溶渣制备赛隆粉体的方法，原料选用流化床粉煤灰酸溶后的残渣、碳粉和氧化铁粉，调控C/Si摩尔比和Fe₂O₃含量，并通过机械研磨混合均匀，在高温和流动氮气气氛下于1300～1500℃保温3～6h，之后随炉冷却至室温，得到赛隆粉体。本发明中，利用流化床粉煤灰酸溶提取氧化铝后的残渣原有组成与高活性以及铁的自催化作用，在较低温度下制得Sialon粉体，有效利用了其中硅、铝和碳质组分，显著降低了外加碳的用量，提高了制备效率，为粉煤灰酸溶渣这种难以在建材中直接利用的高碳硅质残渣，得以在高附加值产品方面拓展利用新途径，实现粉煤灰酸溶渣资源化利用。

技术领域

本发明是针对高铝粉煤灰酸法提取氧化铝后的高硅铝碳废渣进行的深加工利用，该技术利用粉煤灰酸溶渣自身的高活性与硅铝碳组分，属于固体废弃物资源化领域。

背景技术

从传统角度说，粉煤灰是煤燃烧后产生的固体废弃物，而随着近些年粉煤灰的广泛开发应用，已经成为一种新的资源。粉煤灰由于其主要组分是SiO₂、Al₂O₃等，首先被应用在水泥、砖瓦制品和混凝土等传统建材行业，该类产品包容性强、用量大、附加值低，一直是消耗粉煤灰的主要方向。在中国的鄂尔多斯盆地北缘等煤田燃煤所形成的粉煤灰中，Al₂O₃含量可以高达40-50wt％^[1]，将其作为新的铝资源而利用，成为近十几年的开发热点，并获得显著成效^[2-4]。目前，针对高铝粉煤灰提取氧化铝的方法主要为石灰石烧结法、碱石灰烧结法、酸溶法等^[5,6]，其中酸法提取氧化铝后产生的残渣量最少，但提取一吨氧化铝，仍会产生约1.5吨残渣。由于酸法工艺产业化极少，关于这类残渣的利用研究并不多见。

流化床粉煤灰是燃煤在较低温度下的燃烧产物，内蒙鄂尔多斯产高铝粉煤灰的主要物相为偏高岭石，因而可以在较低温度下酸溶实现氧化铝提取，剩余的残渣主要是非晶态SiO₂、Al₂O₃、少量Fe₂O₃和未燃碳，而该类渣中高含碳量也使其难以在建材行业中应用。该残渣是粉煤灰经历了铝等金属氧化物大量溶出后剩余的固相组分，酸溶过程导致硅酸盐骨架坍塌、结构疏松、比表面积增大，具有更高的化学反应活性和重新构建新稳定物相的条件，因而，可成为一种新的高活性含硅碳质活性原料。

Sialon是Si、Al、O、N四种元素的合成词，也可以看作是Si₃N₄中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固溶体的总称。赛隆陶瓷力学性能优异且容易通过化学组成变化进行控制，在石油、化工、冶金、汽车、宇航等领域都有广泛的应用。起初，赛隆陶瓷的制备原料为高纯度的Si₃N₄，SiO₂，Al₂O₃，AlN等，但是毫无疑问这样一来导致赛隆陶瓷产品的成本十分高昂，难以推广到日常生活用品领域，极大地限制了赛隆陶瓷的应用发展。近些年来，研究者们探讨了更多的天然矿物(例如高岭石^[7,8]、伊利石、蒙脱石^[9]、叶蜡石、稻壳^[10]、煤、河砂^[11]、煤矸石^[12]等)和工业固体废弃物(例如废弃耐材和炉渣^[13]、铝灰^[14,15]和粉煤灰^[15])被尝试取代纯化学试剂来制备赛隆材料，而且，由于天然矿物原料中不确定性杂质组分存在，使合成温度大大降低。例如，Yoshiyuki Sugahara等利用蒙脱石聚丙烯腈插层复合物为原料碳热还原制备β-sialon，据称在1200℃即有β-sialon相出现^[9]。