硅钙渣高效脱水工艺的研究硅钙渣高效脱水工艺的研究

—— 高铝粉煤灰提取氧化铝副产品

报告人：刘颖指导教师：谭蔚 教授

目录1、工艺背景

3 、实验安排

2 、前期研究内容

4 、部分测试方法

生产路线简介

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ontent design, 10 years experience主要的副产品

粉煤灰

与 NaOH 反应并过滤

液相 固相

制活性硅酸钙

加 Na2CO3 和 CaCO3 焙烧

焙烧熟料用水溶出

NaAlO2 溶液过滤、煅烧制 Al2O3

硅钙渣脱碱脱水

硅钙渣 硅钙渣的性质存在的问题

硅钙渣 硅钙渣的性质存在的问题

碱含量碱含量

化学脱碱

物理脱碱加入石灰乳， Ca2+ 有较强的极化能力，改变电荷分布，降低静电吸引力，释放 Na+ 到溶液中

硅钙渣 硅钙渣的性质存在的问题

①晶格缺陷 ②毛细作用③电荷吸引 ④副反应

含水率含水率

储存和运输

微观结构决定宏观性质

研究微观结构与宏观过滤机理之间的影响关系

微观结构结构形貌

C-S-H是一种高度复杂的体系具有时间和空间的“双重变化

率”

C-S-H的结构模型

Taylor

类 tobermorite 结构 (T) C-S-H( ) Ⅰ

类 jennite 结构 (J) C-S-H( ) Ⅱ

依据：如硅氧四面体聚合的三元重复结构、中央 Ca-O层

微观结构分类形貌

C-S-H是一种高度复杂的体系具有时间和空间的“双重变化

率”

形貌：四种类型纤维状粒子（Ⅰ型 C-S-H ）：向外辐射生长的纤维长条物

质网络状粒子 (Ⅱ 型 C-S-H) ：许多小粒子相互连接在一起形

成网络构造

大而不规则的扁平粒子（Ⅲ型 C-S-H ）： 粒子大小一般≤ 0.3μm ，在电镜中可清楚的看到 Ca(OH)2 穿插其中

水化“内部产物”（Ⅳ型 C-S-H ）：形貌看似绉状，主要存在于水泥粒子原来边界的内部，与其他产物的外缘保持紧密接触

水化硅酸钙

研究进展不同因素

干燥方法—室温真空干燥对其结构影响最小

钙硅比—范围 0.8~2.0 ，随其增加聚合度和链长减小，颗粒

变 得“疏松”

反应时间— CH 游离量及溶液 PH 值降低， C-S-H 表面细化

反应温度—随其提高有序程度增加

水化硅酸钙

研究进展形成机理

① 水泥水化生成的 C-S-H 与矿物 T 和 J存在结构差异，水化形成的 C-S-H 结构中的Ca-OH 没有 J的有序

② 水泥水化初期形成的二聚体 C-S-H 结构中可能含有 Ca-OH

③ Al[4] （四配位铝）桥连二聚 C-S-H 形成更高聚合态的铝硅链。

影响因素

熟料与水的质量比

溶出时间溶出温度

生成的物质晶胞结构不同

各晶面间距不同

硅氧四面体链变化

有序程度的变化

搅拌速率

石灰乳添加量

硫酸添加量

脱碱时间

硅钙渣中碱含量不同

硅酸钙表面和空隙内的电荷量不同

微观形貌不同

影响因素

添加剂

降低表面张力

如十二烷基苯磺酸钠等

滤饼的支撑骨架

如硅藻土等

各种颗粒之间形成架桥作用

如聚丙烯酰胺

实验安排一、对溶出后的硅钙渣加入助滤剂，比较其对过滤的影响，得到效果较好的助滤剂，对其机理进行分析（本科生毕设完成）

二、对溶出过程中的溶出时间和溶出温度设定不同的值，熟料与水的质量比和搅拌速率保持恒定，对所得硅钙渣过滤，对滤饼进行分析，得到微观形态与宏观性质之间的关系

三、对硅钙渣脱碱过程中的石灰乳添加量、硫酸添加量、脱碱时间设定不同的值，利用正交设计法分析不同条件对硅钙渣的结构影响，得到其与宏观过滤之间的关系

四、在溶出过程中加入前面所选的助滤剂，观察效果，进行机理分析

实验设计有文献以氧化铝的溶出率作为依据得到最佳的溶出条件为溶出温度— 70℃溶出时间— 10 分钟

初步设计实验如下溶出温度— 50 、 60 、 70 、80℃溶出时间—5 、 10 、 20 、 30min( 熟料与水的质量比、搅拌速率固定不变 )

过滤测得滤饼含水率，再用不同的测试手段对滤饼结构进行分析

试验编号溶出时间

（ min）

溶出温度（℃）

滤饼含水率

1 5 50

2 10 60

3 20 70

4 30 80

5 5 60

6 10 70

7 20 80

8 30 50

9 5 70

10 10 80

11 20 50

12 30 60

13 5 80

14 10 50

15 20 60

16 30 70

测试手段

XRD（X射线衍射仪）

SEM（扫描电子显微镜）

29Si MAS NMR（魔角旋转核磁共振）

IR（傅里叶红外光谱测试仪）

差热分析仪、 AFM（原子力显微镜）、 zeta 电位测定仪、TEM（透射电子显微镜）、 BET （比表面积测试仪）等

差热分析仪、 AFM（原子力显微镜）、 zeta 电位测定仪、TEM（透射电子显微镜）、 BET （比表面积测试仪）等

XRD（ X射线衍射仪）应用判断结晶度、有序度

判断组成物质

分析晶胞参数的主要变化趋势

分析处理软件： Jade 、 High score等

XRD图像M—莫来石A—刚玉P—沸石HS—羟基方钠石

SEM（扫描电子显微镜）应用各种物理、化学性质信息

三维形貌的观察与分析

微区的成分分析

SEM扫描图像

脱硅前粉煤灰 脱硅后粉煤灰

29Si MAS NMR（魔角旋转核磁共振）

应用

测定 C-S-H 中 Si的状态

其他元素键合状态变化

观测到硅氧四面体的聚合信息

29Si MAS NMR图谱

随着钙硅比的增加，Q1特征峰的强度增加，而Q2 特征峰的强度减小，说明硅氧四面体聚合

度降低

不同的钙硅比的 C-S-H样品的 29Si MAS NMR图谱

IR（傅里叶红外光谱测试仪）应用测定存在基团的种类

分析各种基团相对含量的变化

IR红外图谱 不同的钙硅比的 C-S-H样品的 IR红外图谱

代表水中羟基的振动峰

CH特征峰

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