利用红外光谱确定碱法分解粉煤灰的碳酸钠用量的实验研究_王丽华

Vol125,No18,pp1240-1242

August,2005

利用红外光谱确定碱法分解粉煤灰的碳酸钠用量的实验研究

王丽华1,3,王东升2

11中国地质大学(北京)材料学院,北京 100083 21中国科学院生态环境研究中心,北京 10008531桂林工学院资源与环境工程系,广西桂林 541004

摘 要 利用红外光谱研究了粉煤灰在用碳酸钠碱熔法分解前后的物相变化,发现:碱熔前,粉煤灰的红外

光谱主要显示莫来石和二氧化硅的特征吸收;碱熔后,粉煤灰(后统称熟料)的红外光谱主要表现为霞石的特征吸收。研究还对比了不同配比条件下,莫来石反应的完全程度。发现不同配比的粉煤灰熟料的红外光谱存在很大差异。在一定的碳酸钠用量范围内(粉煤灰B碳酸钠>112B1时),其对应熟料的红外光谱主要为霞石的吸收峰,并表现有莫来石吸收残留,说明此配比条件下,莫来石尚未分解完全;当粉煤灰B碳酸钠=112B1时,莫来石吸收消失,说明此配比条件下,莫来石可以分解完全,此时熟料的红外光谱中也未出现其他杂峰,证明此时熟料为霞石单一物相;当粉煤灰B碳酸钠<112B1时,熟料的红外光谱中出现了碳酸盐的特征吸收,说明碳酸钠过量,同时,硅酸根的特征吸收峰也发生分裂,说明硅酸根的振动吸收峰增加,推测可能是碳酸钠过量后,霞石与碳酸钠发生反应,使霞石吸收过量的Na2O,导致霞石的晶体结构发生变化。由此可以判定碱熔法分解粉煤灰的最佳配比为粉煤灰B碳酸钠=112B1。X射线分析也得到了相同的结论。主题词 粉煤灰;碱熔法;碳酸钠用量;红外光谱;X射线分析

中图分类号:O61 文献标识码:A 文章编号:1000-0593(2005)08-1240-03

引 言

粉煤灰是无机煤在高温燃烧后所残留的固体废物。我国是一个以燃煤发电为主的国家,大量的粉煤灰不仅占用土

地,而且污染环境。粉煤灰中含有许多有用元素,如Si,Al,Ge等,如果能对它们加以利用,一方面可以解决大量粉煤灰堆积带来的污染等严重问题;另一方面又可以使粉煤灰变废为宝,成为一种廉价的二次资源。所以,综合利用粉煤灰具有很大的研究价值和经济价值。

粉煤灰的主要物相为莫来石和二氧化硅,也就是说Si,Al等有用组分多存在于莫来石和二氧化硅的晶格结构中,不能够被直接提取和利用。所以分解粉煤灰就成为综合利用粉煤灰很重要的一个环节。碱熔法是分解粉煤灰一个十分有效的方法。

本文利用红外(IR)光谱、X射线衍射(XRD)、差热等测试技术分析粉煤灰碱熔前后物相的变化,达到确定最佳的碱用量的目的。

1 实验部分

111 仪器与样品

采用PE983G型红外分光光度计,测定范围:4000~180cm-1,分辨率3cm-1,采用KBr压片法制样;X射线光谱仪为Rigaku-RA型高功率旋转阳极X射线衍射仪,工作条件为CuKA,40kV,100mA;采用SDT2960型差热、热重联用仪,空气气氛,温度梯度为10e#s-1。

样品选自北京石景山发电厂的粉煤灰。

112 实验步骤

(1)将粉煤灰球磨至200目以下,与过量碳酸钠混合均匀后进行热重分析,确定粉煤灰与碳酸钠的反应温度区间为789~860e;

(2)将粉煤灰与碳酸钠按不同比例(1B116,1B1,112B1,115B1,2B1,4B1)混合均匀,在860e下恒温115h后进行X射线分析及同等质量样品的红外光谱表征。

收稿日期:2004-11-01,修订日期:2005-03-15

基金项目:/8630课题(2002AA601290)和国家自然科学基金(20477054)资助项目 作者简介:王丽华,女,1971年生,中国地质大学(北京)材料学院博士研究生

第8期 光谱学与光谱分析1241

470cm-1)。霞石是一种酸溶性物质,霞石溶于酸后,可以将莫来石晶相中的硅、铝等有用组分释放出来,达到综合利用粉煤灰的目的。

2 结果与讨论

211 热重分析

热重分析结果见图1。从图1发现:

①粉煤灰的热稳定性较好,在室温~1200e范围内基本无明显热变化;

②加入碳酸钠后的粉煤灰则在789~859e发生明显的失重反应,说明粉煤灰的碱熔反应温度在789~859e范围内。为保证粉煤灰能完全分解,所以实验选择860e作为焙烧温度。

Fig13 XRDresultsofflyashandproductofflyashwithsod-i

umcarbonate(t=860efor115h)

N-nepheline;M-mullite;Q-quartz

21212 碳酸钠用量的选择

将不同配比的粉煤灰和碳酸钠的混合物在860e恒温115h后得到的熟料进行X射线分析,结果见图4。

Fig11 TGAresultsofflyashandflyash

plussodiumcarbonate

212 红外光谱和X射线分析

21211 粉煤灰的物相组成

粉煤灰的红外光谱分析结果表明(见图2):在图2中,1091,893,745和556cm-1为莫来石吸收峰;1084,828,461cm-1为二氧化硅吸收峰。也就是说煤灰主要由莫来石(Al4186Si11132O91566)和二氧化硅(SiO2)组成。粉煤灰的X射线分析结果(见图3)也证明粉煤灰是由莫来石、非晶质二氧化硅少量石英组成。

Fig14 XRDresultsofproductsofdifferentamountofflyash

andsodiumcarbonate(t=860efor115h)

分析图4的结果发现:随着碳酸钠用量的增加,熟料中的莫来石的特征峰强度逐渐减少至消失,在配比为112B1的熟料中,莫来石相完全消失。说明该配比条件下,粉煤灰可以完全分解。

Fig12 FTIRspectraofflyashandproductof

flyashwithsodiumcarbonate

(t=860efor115h)

粉煤灰在过量碱、860e条件下恒温115h后,反应生

成霞石(NaAlSiO4),说明粉煤灰的主要物相)))莫来石和二氧化硅在碱熔时与碳酸钠反应生成霞石(993,690,571和Fig15 IRresultsofproductsofdifferentamountofflyashand

sodiumcarbonate(t=860efor115h)

1242 光谱学与光谱分析 第25卷

对相同熟料进行同等质量样品红外光谱分析(见图5)。分析图5结果发现:

11当粉煤灰B碳酸钠>112B1时,随着碳酸钠用量的增加,熟料的990cm-1附近的硅酸盐振动吸收峰发生兼并,吸收峰数量减少,但没有碳酸钠的特征吸收峰出现,说明此配比条件下,碳酸钠用量不足;

21当粉煤灰B碳酸钠=112B1时,熟料的红外光谱最简单,并出现了微弱的碳酸钠吸收峰,说明此时熟料的物相较为单一,粉煤灰已完全分解形成霞石,并有少量碳酸钠过剩;

31当粉煤灰B碳酸钠<112B1时,随着碳酸钠用量的增加,熟料的990cm-1附近的硅酸盐振动吸收峰发生分裂,数目增加,而且,碳酸钠的特征吸收强度随着碳酸钠用量的增加逐渐增强。说明当碳酸钠用量过剩时,碳酸钠和霞石发生作用,使熟料中硅酸根对称程度降低,生成结构较为复杂的硅酸盐。本文参考了文献[1-4]。

参

考

3 结 论

11利用红外光谱和X射线分析碱熔法处理粉煤灰时,发现粉煤灰中的主要组分莫来石变成了霞石。霞石是酸溶性

物质,溶于酸后可将其中的Si,Al等有用组分从晶格中解放出来,证明碱熔法是一种十分有效的粉煤灰分解方法。

21碱熔反应随着碳酸钠加入量的增加,粉煤灰的分解率增加;但当碳酸钠加入超过某一比例(粉煤灰B碳酸钠=112B1)时,生成的霞石又会与碳酸钠发生反应,生成结构更加复杂的硅酸盐,不利于进一步的Si,Al的提取。

31碱熔法融解粉煤灰时,碱用量对整个碱熔结果有很大影响,最佳的配比为粉煤灰B碳酸钠=112B1。在此配比条件下得到的熟料不含莫来石剩余,而且形成的产物的物相较为单一,有利于各种组分的提取。

文献

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ApplicationofIRSpectratotheStudyofComprehensiveUtilizationofFlyAsh

WANGL-ihua1,3,WANGDong-sheng2

1.SchoolofMaterialsScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeoscience(Beijing),Beijing 100083,China

2.ResearchCenterforEnvironmentalScience,ChineseAcademyofSciences,Beijing 100085,China

3.DepartmantofResourceandEnvironmentalEngineering,GuilinInstituteofTechnology,Guilin 541004,China

Abstract Infrared(IR)spectrawereusedtostudytheflyashbothbeforeandafterhavingbeentreatedbyusingsodiumcarbon-ateat860efor115h.TheIRresultsshowthatflyashiscomposedofmulliteandsilica,whichchangeintonephelineafterbe-ingheatedwithsodiumcarbonate.AccordingtotheseIRcurves,differentsodiumcarbonateamountmakestheproductsdiffer-ent.Forexample,asflyashBsodiumcarbonate>112B1,theproductismainlynephelinewithsomemulliteleft.However,whenincreasingtheuseofsodiumcarbonatetotherangeofflyashBsodiumcarbonate<112B1,themullitephasedisappears,whilesomesodiumcarbonateremains;andthestructureofnephelinehaslittlechange.SotheauthorschooseflyashBsodiumcarbonate=112B1asthebestchoiceofthesodiumcarbonateamountfactor.X-raydiffraction(XRD)analysisresultsofthesamesamplecametothesameconclusion.

Keywords Flyash;Sodiumtreat;Sodiumcarbonateamount;IR;XRD

(ReceivedNov.1,2004;acceptedMar.15,2005)