本文提出了一種鹼-酸-鹼-酸-鹼聯合法，通過溫和酸鹼介質逐步剝離非晶相硅，從而精確分析了非晶相硅含量。並通過XRD礦相分析及SEM形貌分析驗證了非晶相的高效剝離。該方法較傳統分析方法具有分析誤差小、操作彈性大、反應條件溫和等特點，對其高值化利用具有重要的指導意義。

作者

張建波1,2，李佔兵1,2，楊晨年1,2，李少鵬1,2，李會泉1,2,3

作者單位

1. 中國科學院過程工程研究所中國科學院綠色過程與工程重點實驗室；

2. 溼法冶金清潔生產技術國家工程實驗室

3. 中國科學院大學

摘要

　粉煤灰作為大型煤電基地的重要固體廢棄物，年排放量超過6億t，目前利用率僅為60%左右，大部分粉煤灰以堆存為主，造成嚴重汙染，其資源化利用意義重大。以山西、內蒙古等大型能源基地產生的高鋁粉煤灰為例，通過基礎物性分析發現，粉煤灰中主要包括鋁、硅、鐵、鈣等主量元素，主要以莫來石相、非晶相、鐵質微珠相三類礦相形式賦存，其中莫來石相結構穩定，非晶相鋁硅酸鹽反應活性較高，但其配位結構複雜，反應活性不一。目前針對其豐富的鋁硅資源，氧化鋁提取和鋁硅複合材料製備是主要高值化研究方向，其中非晶相硅的深度脫除是關鍵處理技術。

針對非晶相硅的賦存形態及定量分析，首先採用核磁分析結合電子探針手段，明確非晶相中鋁硅酸鹽賦存結構複雜，其中硅原子主要以Q4(4Al)、Q4(3Al)、Q4(2Al)、Q4(0Al)、Q2(1Al)五種配位結構形式存在，其中Q4(0Al)含量高達56.5%;其次採用酸鹼聯合法，通過逐步削弱鋁氧硅沸石自發反應可能性，選擇性分離活性鋁，促進活性作用位點大量暴露，從而實現非晶態鋁硅酸鹽的逐步梯級分離，進一步通過ICP、XRF、XRD、掃描電鏡、電子探針等分析表徵，明確莫來石晶相與鋁硅酸鹽非晶相之間的高效分離，並開展了2組平行試驗，試驗結果誤差較小。結果表明：非晶相中硅含量為57%～58%，非晶相“鼓包峰”消失，其包裹的莫來石晶粒結構顯現，證明非晶相二氧化硅得到高效脫除。該方法具有反應條件溫和、誤差小、操作彈性大等優點，對粉煤灰鋁硅資源高值轉化利用具有重要的指導意義。

文中插圖

圖1 粉煤灰礦相構成分析

圖2 粉煤形貌及元素分佈

圖3 粉煤灰的29Si MAS NMR譜圖

圖4 酸鹼聯合法過程XRD譜圖

圖5 酸鹼聯合法過程顆粒微觀形貌變化

結論

1）針對粉煤灰非晶相中硅元素的賦存形態及其定量分析展開系統研究，從原子尺度上結合多種表徵分析，明確非晶相中硅元素賦存形態，基於此提出了酸鹼聯合法定量分析非晶相中二氧化硅含量。

2）粉煤灰中礦相主要為莫來石、剛玉和鋁硅酸鹽玻璃相三相，晶相與非晶相嵌黏夾裹，非晶相中硅元素配位結構複雜，主要包括Q4(4Al)、Q4(3Al)、Q4(2Al)、Q4(0Al)、Q2(1Al)五種配位結構形式存在，其中Q4(0Al)含量高達56.5%。

3）針對粉煤灰鹼法脫除非晶相二氧化硅過程中副反應嚴重、惰性鋁硅酸鹽脫除難等問題，提出了酸鹼聯合法定量精確分析非晶相中二氧化硅含量，結合XRD及SEM分析證明，該粉煤灰樣品中非晶相二氧化硅含量在57.5%～58.5%，誤差在1%以內，為粉煤灰及其他含硅固廢資源高值化利用提供借鑑。

引文格式

張建波，李佔兵，楊晨年，等.粉煤灰中非晶態硅賦存形態及定量分析方法研究[J].潔淨煤技術，2019，25(3):116-121.

ZHANG Jianbo,LI Zhanbing，YANG Chennian,et al.Investigation on the occurrence morphology and quantitative analysis of amorphous silicon in coal fly ash[J].Clean Coal Technology，2019，25(3):116-121.