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。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。
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(xì)灰。粉煤灰是燃煤電廠的主要固體廢棄物，也是當(dāng)前世界上排放量最多的工業(yè)廢物之一。實(shí)現(xiàn)粉煤灰的資源化利用，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)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(xué)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(xué)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(zhì)量均達(dá)到80%左右，部分地區(qū)可達(dá)到90%。同時(shí)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(dǎo)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(zhì)組成主要為Al2O3、SiO2及少量鈉鉀氧化物等。在煤燃燒時(shí)，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(jī)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(lǐng)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(jìn)行預(yù)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(qiáng)酸強(qiáng)堿對設(shè)備的防腐要求較高。沉淀法根據(jù)預(yù)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(jìn)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(jìn)行堿溶液預(yù)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(yīng)，硅以硅酸鈉形式溶出后，通入CO2氣體進(jìn)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(chǔ)上，對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，用CO2調(diào)節(jié)酸度，生成水合二氧化硅沉淀，反應(yīng)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(jī)強(qiáng)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(fèi)。
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(yīng)，脫酸生成。而粉煤灰氣相法制備白炭黑是通過一定反應(yīng)將粉煤灰中的硅以氣體形式揮發(fā)出來，然后進(jìn)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(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，不僅需要提高產(chǎn)品的純度，更要降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)氣相法的工業(yè)化。
4.超重力法
超重力法是結(jié)合化工傳遞中的RPB技術(shù)的新工藝方法，廣泛應(yīng)用于化工各行業(yè)。主要原料為R2O·nSiO2（或硅酸鹽）和無機(jī)酸，先制備水玻璃溶液，再加入酸及改性劑。整個(gè)反應(yīng)須在超重力反應(yīng)器中攪拌進(jìn)行，使溶液產(chǎn)生循環(huán)回流，同時(shí)控制容器內(nèi)的溫度和反應(yīng)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(dá)到50nm以上，生產(chǎn)周期短，粉粒質(zhì)量均勻穩(wěn)定，同時(shí)可降低原料成本。
