粉煤灰制取白炭黑

3.0 2025-05-22 15 4 321.65KB 9 页 5龙币

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白炭黑是一种无毒、无定形的白色粉状硅酸产品，又名水合二氧化硅，表

面含有较多羟基，易与有机物键合，主要用于橡胶制品（包括高温硫化硅橡

胶）、塑料、纺织、造纸、医药、食品添加剂及日用化工等领域。

粉煤灰作为燃煤电厂的固体废弃物，如何实现粉煤灰资源化利用，具有十

分重要的现实意义，是人们近年来关注的研究方向。粉煤灰主要化学成分为

SiO2、Al2O3 和Ga 等，其中 SiO2 含量大都在 40% 以上，是制备白炭黑的

优质原料。但用粉煤灰制备白炭黑工业化生产的案例较少，中煤平朔集团有限

公司 200 kt/a 粉煤灰综合利用项目为国内仅有的一家用粉煤灰提取白炭黑工

程，该项目将粉煤灰碱溶后用碳分法制备白炭黑，生产出化工标准的白炭黑，

工艺流程的成功打通，填补了国内粉煤灰提取白炭黑工业化生产空白，同时实

现了煤炭资源的高效综合利用。以粉煤灰作硅源制备白炭黑，主要是如何将二

氧化硅与其他组分分离、纯化。本文就粉煤灰提取白炭黑的方法进行了综述，

总结了沉淀法、碳分法和气相法等几种常用的制备方法。

1 沉淀法

沉淀法是将粉煤灰进行预处理，得到活化产物或硅酸盐溶液，再经陈化、

过滤、烘干后得到白炭黑。沉淀法是较为传统且研究较多的方法，此方法操作

简单，但是生产过程中使用大量的强酸强碱对设备防腐要求较高，多年来研究

重点不仅致力于提高 SiO2 的产率，同时也对操作条件及药剂的使用不断进行

优化。沉淀法根据预处理方式的不同，又分为碱煅烧活化法和烧碱浸出法。

1.1 碱煅烧法

碱煅烧活化法就是将粉煤灰与碱性活化剂混匀，进行煅烧后，热熔于浓酸，

陈化后得到硅酸沉淀。此方法研究较早，在 1992 年，余海荣将粉煤灰与电石

泥（主要成分为石灰石）混合后高温烧结，大幅度提高了粉煤灰中各组分的溶

出活性，再加入盐酸溶液进行溶出，料浆经过滤洗涤，得到铝铁混凝剂和白炭

黑产品。该法铝、铁的浸出率为 99%以上，所以得到的白炭黑质量也较高。自

此开启了研究碱煅烧法的大门。

班卫静等在传统烧碱活化法的基础上考察了不同活化条件下二氧化硅的溶

出率，并且确定了粉煤灰、碳酸钠和碳酸钙的较佳混合比例，氢氧化钠的较佳

用量，得到了纯度≥ 95% 的白炭黑。

郭昭华等发明了一种以粉煤灰提铝残渣为原料制备二氧化硅微粉的方法。

是将提铝残渣与NaOH 混合煅烧，然后将煅烧物球磨至 2.5 μm，再加入盐酸，

通过增大活化产物与盐酸的接触面积大幅度提高了二氧化硅的提出率，而且该

法操作简单，周期较短，适用于大规模回收二氧化硅的生产。

王蕾等采用Na2CO3 与粉煤灰进行煅烧活化后，用盐酸浸出反应产物后，

放置水浴器中进行由溶胶相向凝胶相转变，使 Si 以水合 SiO2 的形式沉淀下来，

Al 以离子形式溶于混合溶液中，沉淀的硅胶经洗涤后在 105℃下进行干燥，得

白炭黑产品。该法溶解得到的产品比表面积达 775.12 m2/g。

徐子芳等同样采用粉煤灰和 Na2CO3 为主要原料，按照一定的配比混合

焙烧后，加入适量盐酸，使之形成大量的硅胶，洗涤后 650℃煅烧得到的胶体，

达到控制粒度的目的，此方法得到的白炭黑粉体比表面积可达 374 m2/g，同

时滤液还可制备得到纳米级 Al2O3。此方法流程简单，操作方便，与王蕾方法

的不同之处在于处理硅沉淀的方法，徐子芳的方法虽然降低了白炭黑的比较面

积，但是大幅度缩短了制备时间，且工艺条件要求较低，易于实现工业生产。

胡锐等以粉煤灰经盐酸提铝后的残渣为原料，与 Na2CO3 按一定比例混

合，高温反应 2h 后过滤去除杂质，向所得硅酸钠溶液中缓慢加H2SO4，并控

制pH 值 4 ～ 6，陈化后过滤洗涤干燥得超细白炭黑，通过多种方法表征得知

利用粉煤灰残渣提取的白炭黑纯度较高，比表面积达 242 m2/g，并经过力学

性能的测试发现，制备得到的白炭黑具有良好的力学补强性能，可以应用于橡

胶和聚丙烯产品中。

1.2 烧碱浸出法

烧碱浸出法就是对粉煤灰进行碱溶预处理，得到硅酸盐溶液，通过控制

pH 值制备硅胶液，再经过陈化，过滤烘干得到白炭黑产品。

胡将军等先用盐酸溶解粉煤灰，除去其中 Al2O3 成分，剩余残渣用

NaOH 热解，得到水玻璃溶液加酸、盐沉析得白炭黑，烘干后测得产品 SiO2

含量为 95.1%。此方法操作流程合理，工艺条件易控制，具有较高的推广价值。

吴艳等提出了常压下用高浓度碱液浸出粉煤灰提铝渣中SiO2 的工艺，以

粉煤灰制备硫酸铝后酸渣为原料，加入浓 NaOH 溶液反应，用水稀释后固液分

离得到硅酸钠溶液，通过研究反应温度、NaOH 浓度、反应时间等条件对

SiO2 浸出率的影响，确定了较佳反应温度为 110℃ , 碱浓度为 50%, 反应时

间为60 min。本法利用高温高浓度介质增强推动力，很好地实现了含硅物质

的分离，大幅度提高了其浸出率，具有一定的工业价值。

兰伟兴以粉煤灰提铝渣为硅源制备沉淀白炭黑，首先将提铝渣在NaOH 溶

液中溶出，生成的硅酸钠溶液加盐酸制得白炭黑。在 SiO2 溶出过程中通过添

加新型含硅助剂，可使溶出率显著提高。在硅酸钠溶液制备白炭黑过程中，溶

液pH 值、硅酸钠溶液浓度、硅酸凝胶干燥方式对白炭黑产品性能影响较大。

方俊在兰伟兴的实验基础上优化了试验条件，以硫酸为酸源制备白炭黑，

通过深入分析各因素对产品性能的影响，确定在 20% 的水玻璃中加入分散剂

NaCl 和表面活性剂正丁醇后，进行硫酸沉淀制备白炭黑，能有效提高白炭黑

的比表而积、吸油值，最高比表面积达到1000 m2/g。

邬国栋用NaOH 在常压、加压、微波条件溶出粉煤灰中硅、铝，研究粉

煤灰中硅铝分步溶出条件。发现粉煤灰经过热处理以后用碱液溶出，硅的溶出

率有大幅度的增加。在加压条件下，能很好实现硅铝分步溶出。微波法对于不

对称结构的氧化铝的溶出效果较好。

李长舟用煤气化粉煤灰作原料，经硫酸浸出，酸浸滤饼用氨水调节 pH 值

后除去钙，在除钙滤饼中加入氢氧化钠溶液反应得硅酸钠溶液，再加稀硫酸调

节pH 值后陈化、过滤可得微观平均粒径为25 nm 超细白炭黑，粉煤灰中

SiO2 的平均浸出率达98.55%。该项研究能使粉煤灰中大多 SiO2 回收利用。

两种制备沉淀白炭黑的工艺都相对简单，容易操作，早期沉淀法得到的产

品粒度和纯度都相对较低，不能达到高品级，这也成为沉淀法研究的焦点，在

科研人员的不懈努力下，近年来沉淀法得到的白炭黑产品品级在逐渐提高，沉

淀法也越来越受到人们的关注。

2 碳分法

碳分法就是将粉煤灰与 NaOH 反应，硅以硅酸钠形式溶出后，通入 CO2

气体进行碳分，碳分后胶体经干燥得到白炭黑产品。

秦晋国等在 2007 年发明的一种从粉煤灰中先提硅后提铝的方法就用到了

制备白炭黑的碳分法，就是先以浓 NaOH 溶液浸取粉煤灰，将其中的 Si 以

Na2SiO3 的形式溶出，分离后得到硅酸钠溶液和碱浸渣，硅酸钠溶液经碳分

制得白炭黑，碱浸渣以碱石灰烧结法生产氧化铝。这种方法简化了氧化铝提取

工艺，提高了 SiO2 提取率。

王佳东等更加全面的探讨了常压下高浓度 NaOH 溶浸粉煤灰提取 SiO2

过程中粉煤灰粒度、溶浸时间、NaOH 初始浓度、固液比、反应温度等因素对

SiO2 浸出率的影响。结果表明，粉煤灰在碱浓度为 17.5 mol/L、液固比

1.5、温度 130℃，反应时间5 ～ 10 min 时，可使SiO2 的溶出率达到

72%。该项研究为碳分法工艺提供了实验基础及数据参考。

李歌等以粉煤灰为原料，NaOH 为脱硅剂进行预脱硅，得到的滤液主要

成分为偏硅酸钠，通入 CO2 以硅酸胶体的形式沉淀下来，经水洗除去含有的

碳酸盐和碳酸氢盐，干燥后制备白炭黑。

通过对白炭黑粒径和产率的研究，发现影响产率的主要因素是偏硅酸钠滤

液的浓度和 CO2 通气速率，研究人员通过对反应机理研究，发现影响粒径的

因素是反应温度，高温下反应得到的白炭黑原生粒径小，结构疏松，孔隙率高；

低温下反应得到的白炭黑结构坚实而紧密，原生粒径较大。

刘成长等利用“C-JSTK” 技术成功地解决了从粉煤灰中提取 Al2O3 和

SiO2 的最大技术难题，即纯碱碱融过程中 Na2O·Al2O3·2SiO2 的生成与处理。

试验将粉煤灰和 Na2CO3 混合，煅烧后得熔融体，用浓 NaOH 溶解，得到

Al(OH)3 沉淀和滤液；滤液稀释水解后通入 CO2 气体进行碳酸化分解反应，

得到沉淀白炭黑。该法实现了粉煤灰中 Al 资源与 Si 资源的回收和合理利用，

大幅度提高了粉煤灰利用的经济效益，而且避免了资源浪费，减轻了环境污染，

达到了清洁生产的目的。

朱干宇以高铝粉煤灰脱硅液为研究对象，提出了两段碳化法制备白炭黑的

路线，并开展了工艺优化，确定了较佳反应条件硅浓度 1 mol/L，搅拌速率

100 r/min，—段反应温度 62℃，二段反应温度 79℃时。此工艺硅转化率大

于90%，制得的白炭黑比表面积达 420.82 m2/g。

王若超等提出的一种从粉煤灰中回收氧化铝和二氧化硅的新方法—硫酸氢

铵焙烧法也用了二次碳分法，这种方法首先用NH4HSO4 焙烧法从粉煤灰中提

取Al2O3，提铝残渣与NaOH 反应得到硅酸钠溶液为原料，再通过两次碳分

的方法得到 SiO2 粉体，在第一步碳分过程中，溶液中的杂质离子如铝、铁等

会形成沉淀，过滤分离除去，使第二次碳分得到纯度较高的沉淀 SiO2，其质量

分数达 99.79％。

马钊也用两次碳分法制备得到了高纯度的白炭黑，并研究确定了第一次碳

分反应至 pH 值 10.8 时结束，此时 Al 和Fe 的去除率基本达到100%；二次

碳分反应至 pH 值 9.3 时，此时 90%以上的硅酸钠转化为二氧化硅沉淀。二次

碳分产物经水洗涤干燥后，得到比表面积为280.2 m2/g，DBP 吸值为3.56

cm3/g 的高纯度白炭黑产品。

碳分法是在沉淀法的基础上，对工艺条件进行优化，用 CO2 调节酸度，

生成水合二氧化硅沉淀，反应条件温和。而在工业生产过程中 CO2 绝大部分

以废气形式排放，以 CO2 替代无机强酸制备沉淀白炭黑，不仅可以降低生产

白炭黑的成本，而且可以减少CO2 排放造成的环境污染和资源浪费。

分步碳分法是碳分法制备白炭黑的一种发展趋势，传统的一次碳分工艺会

导致杂质被产品吸附，降低产品纯度，分步碳分法可以先除去杂质，再沉淀白

炭黑，大幅度提高了白炭黑产品的纯度。

3 气相法

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摘要：

白炭黑是一种无毒、无定形的白色粉状硅酸产品，又名水合二氧化硅，表面含有较多羟基，易与有机物键合，主要用于橡胶制品（包括高温硫化硅橡胶）、塑料、纺织、造纸、医药、食品添加剂及日用化工等领域。粉煤灰作为燃煤电厂的固体废弃物，如何实现粉煤灰资源化利用，具有十分重要的现实意义，是人们近年来关注的研究方向。粉煤灰主要化学成分为SiO2、Al2O3和Ga等，其中SiO2含量大都在40%以上，是制备白炭黑的优质原料。但用粉煤灰制备白炭黑工业化生产的案例较少，中煤平朔集团有限公司200kt/a粉煤灰综合利用项目为国内仅有的一家用粉煤灰提取白炭黑工程，该项目将粉煤灰碱溶后用碳分法制备白炭黑，生产出化工标准的白炭...

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