粉煤灰焙燒與硫酸活化處理試驗研究

粉煤灰焙燒與硫酸活化處理試驗研究

粉煤灰的晶體結(jié)構(gòu)粉煤灰主要來自以碳粉為燃料的發(fā)電裝置和城市集中鍋爐的分離器。隨著粉煤灰的存在，大氣顆粒（tsp）污染變得越來越大。特別是在北方的干燥地區(qū)，粉煤灰是大氣環(huán)境的主要來源。因此,對粉煤灰的妥善處理和綜合利用顯得日益重要。任何結(jié)晶物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)類型,由于它們的晶胞大小、晶體中原子、離子或分子數(shù)目以及所處的位置不同,在X射線的照射下,存在不同的衍射花樣。一種多晶物質(zhì),無論是單一相態(tài)還是多相態(tài),XRD都能給出每一相態(tài)所特定的X射線衍射花樣。根據(jù)X射線衍射花樣可以對晶體和非晶體的結(jié)構(gòu)進行測定,研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)變化的機制。前人已利用XRD對粉煤灰原料的礦物組成進行系統(tǒng)的研究,而對粉煤灰經(jīng)高溫、酸和堿處理后XRD的系統(tǒng)研究還有待進一步研究。本文在前人基礎(chǔ)上,研究XRD測定經(jīng)處理后粉煤灰的物相組成,為粉煤灰的妥善處理和綜合利用提供有效的理論依據(jù)。1實驗部分1.1儀器和試劑XD-2型X射線粉末衍射儀(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司),粉煤灰來自于某電廠,碳酸鈉、硫酸均為分析純(北京化工廠),水為去離子水。1.2鈉2+1將粉煤灰原料分別經(jīng)如下處理:115℃烘干;700℃焙燒;700℃焙燒后加硫酸(1+3)活化處理;700℃焙燒后加入一定量碳酸鈉(2+1);700℃焙燒后加入一定量碳酸鈉(2+1)后經(jīng)1000℃煅燒再加入硫酸(1+3)活化處理。處理后的粉煤灰為粉末樣品,于X射線衍射儀上進行測定,測定條件:Cu靶,管壓:40kV,管流:40mA,掃描速度:4°/min,步寬(相對于2θ):0.02°,發(fā)散狹縫(DS):1°,接收狹縫(RS):0.3mm,防散射狹縫(SS):1°,石墨單色器,2θ掃描范圍:5～65°。2結(jié)果與討論2.11粉煤灰中主要組分將原粉煤灰樣品115℃烘干,進行XRD分析(見圖1)。經(jīng)計算機檢索標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片庫,圖1中2θ=16.42°,25.99°,26.18°,33.20°,35.22°,40.81°等均為莫來石(Al6Si2O13,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號15-0776)的特征峰,可知經(jīng)115℃烘干的粉煤灰中主要組分是莫來石。莫來石主要來自煤中的高嶺土、伊利石以及其它粘土礦物的分解物,尤其伊利石是典型的富鐵、鉀、鈉、鎂的粘土礦物,當(dāng)溫度稍高時開始分解形成鋁硅酸鹽。2θ=26.60°是石英(SiO2,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號46-1045)的主要特征峰;2θ=20.78°和2θ=50.11°的兩個小峰也是石英的特征峰,由此可知,經(jīng)處理后的產(chǎn)物中主要成分是莫來石,還含有少量石英。此外,20～35°區(qū)域出現(xiàn)比較寬大的衍射特征峰,這表明經(jīng)此處理的粉煤灰中存在玻璃體。2.27石英特征將原粉煤灰樣品700℃焙燒,然后進行XRD分析(見圖2)。圖2與圖1很相似,可知經(jīng)700℃烘干的粉煤灰中主要組分為莫來石;而2θ=26.60°為石英(SiO2)明顯的特征峰,以及2θ=20.86°和2θ=50.12°的兩個小峰也是石英的特征峰,由此可知還含有少量石英。此外,20～35°區(qū)域出現(xiàn)比較寬大衍射特征峰,這表明經(jīng)此處理的粉煤灰中存在玻璃體。2.37粉煤灰中主要礦物的特征將原粉煤灰樣品700℃焙燒,然后加入硫酸(1+3)活化處理,進行XRD分析(見圖3)。經(jīng)計算機檢索標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片庫,圖3中2θ=19.75°,20.20°,20.50°,22.39°等均為毛礬石(Al2[SO4]3·17H2O,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號26-1010)的特征峰,2θ=15.14°,25.36°等均為紫鐵鋁礬([Al,Fe3+]2[SO4]3,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號30-0043)的特征峰,2θ=25.44°,31.34°,38.61°,40.77°等均為硬石膏(CaSO4,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號37-1496)的特征峰?？梢?處理后粉煤灰所含主要物相為毛礬石(Al2[SO4]3·17H2O),紫鐵鋁礬([Al,Fe3+]2[SO4]3)和硬石膏(CaSO4);粉煤灰中Ca等元素的存在由于其可以與煤中的有機物結(jié)合而存在于煤中。此外,由檢索結(jié)果可知,處理后樣品中還含有微量高嶺石(Al2Si2O5[OH]4,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號16-0606),長石(KAlSi3O8,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號19-0926),莫來石(Al6Si2O13,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號15-0776);此外,20～35°區(qū)域?qū)挻笱苌涮卣鞣迕黠@減弱,這表明大部分玻璃體已經(jīng)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)物質(zhì)。2.47粉煤灰所含主要物相分析將原粉煤灰樣品700℃焙燒加入一定量碳酸鈉處理得到粉末樣品,進行XRD分析(見圖4)。經(jīng)計算機檢索標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片庫,圖4中2θ=21.10°,23.10°,27.22°,29.66°,34.72°等均為霞石(NaAlSiO4,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號35-0424)的特征峰,霞石其它小的特征峰均出現(xiàn)于圖4中,可知此粉煤灰所含主要物相為霞石(NaAlSiO4),并由檢索結(jié)果可知,處理后樣品中還含有少量長石(KAlSi3O8,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號19-0926),斜黝簾石(Ca2Al3[SiO4]3[OH],標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號44-1400)。此外,20～35°區(qū)域?qū)挻笱苌涮卣鞣鍘缀跸?可見玻璃體幾乎完全轉(zhuǎn)化為晶態(tài)物質(zhì),圖4中不存在碳酸鹽的峰,這是因為碳酸鹽在高溫下分解以二氧化碳的形式揮發(fā)。2.57粉煤灰所含主要物相特征結(jié)果將原粉煤灰樣品700℃焙燒加入一定量碳酸鈉(2+1)后,經(jīng)1000℃煅燒再加入硫酸(1+3)活化處理得到粉末樣品,然后進行XRD分析(見圖5)。經(jīng)計算機檢索標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片庫,圖5中2θ=21.00°,21.10°,24.36°,28.30°,30.80°等均為斜鈉明礬(NaAl[SO4]2·6H2O,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號19-1186)的顯著特征峰,斜鈉明礬其它小峰在圖5中均有出現(xiàn),可知處理后粉煤灰所含主要物相為斜鈉明礬(NaAl[SO4]2·6H2O),由檢索結(jié)果可知還含有少量硬石膏(CaSO4,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號37-1496),莫來石(Al6Si2O13,標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號15-0776),Fe2[SO4]3(標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號42-0229),Na2SO4(標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF號37-1465)。此外,20～35°區(qū)域也出現(xiàn)比較寬大的衍射特征峰,表明經(jīng)此處理后的粉煤灰中存在玻璃體。3碳酸鈉處理考察粉煤灰經(jīng)各種條件處理后其物相主要組成(見表1),粉煤灰經(jīng)烘干和焙燒處理后物相組成變化不大,主要成分是莫來石;經(jīng)加入一定量碳酸鈉(2+1)處理后可以得到霞石(NaAlSiO4),霞石可以改