用粉煤灰制备莫来石晶须或片状氧化铝的工艺

摘要

本发明公开了一种用粉煤灰制备莫来石晶须或片状氧化铝的工艺，将粉煤灰粉磨后，加入一种含铝或含硅的添加剂，再加入一种熔盐添加剂混合均匀。将混合物装入带盖的坩锅中，在设定温度下反应后，用热水洗去可溶的盐，再用氢氟酸溶液溶解试样中的杂质相，洗涤、干燥得到莫来石晶须或片状氧化铝。该方法使粉煤灰再生利用，并具有工艺简单、易于工业化生产的特点。本发明制备的片状氧化铝或莫来石晶须可用于复合材料中的增强体，提高材料强度、韧性及耐热性能，在航空航天、汽车、窑炉等领域得到广泛的应用；制备的片状氧化铝还可作为研磨料、珠光颜料和填料等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种莫来石晶须或片状氧化铝的制备工艺，特别涉及一种用粉煤灰制备莫来石晶须或片状氧化铝的工艺。

背景技术

粉煤灰是火力发电厂排放的固体废物，粉煤灰的主要化学成分为Al₂O₃和SiO₂。我国粉煤灰排放量每年超过1亿吨，全世界排放量每年为50亿吨。在排放的粉煤灰中，不到1/2的粉煤灰用于水泥生产、煤坑填充、土木工程等低附加值的应用，剩余的则修建灰坝堆放，粉煤灰利用率较低。

莫来石也称富铝红柱石，为硅铝酸盐矿物，1924年最早发现于苏格兰的Mull岛而得名[Journal of the European Ceramic Society，2008，28：329-344]，尽管地壳上铝、硅和氧元素很丰富，但是自然存在的莫来石较少，迄今未见有工业价值的矿床[山东陶瓷，2008，(4)：15-18]。莫来石的化学计量式为3Al₂O₃·2SiO₂。高纯莫来石在有氧条件下仍然具有良好的热稳定性且无多晶转变，莫来石加热到1800℃以上有微量液相生成，至1850℃时莫来石才完全熔融[Journal of the European Ceramic Society，2005，25：3249-3256]。莫来石具有高的弹性模量和高温强度，还具有抗热冲击性和抗氧化的特点，因此莫来石陶瓷可以用作工程材料和高级耐火材料[Journal of the European CeramicSociety，2008，28：329-344]。

莫来石的晶体结构是由[AlO₄]和[SiO₄]四面体沿c轴无序排列组成双链，双链间由[AlO₆]八面体连接；因此，莫来石晶粒易沿c轴方向生长[Journal of the EuropeanCeramic Society，2008，28：329-344]。莫来石晶须为针状的莫来石单晶，其机械性能优于多晶莫来石。莫来石晶须可用于金属基复合材料和陶瓷基复合材料，以提高材料的机械性能。

制备莫来石晶须的常用方法为熔盐法，熔盐法即采用一种或数种低熔点的盐类作为反应介质，在熔融盐中完成合成反应；反应结束后，采用水将盐类溶解，将非莫来石相用氢氟酸溶解掉，经过滤、洗涤后即可得到莫来石晶须[硅酸盐学报，2006，34(1)：76-80]。

Kim等人[Ceramics International，2009，35：579-583]在粉煤灰中加入NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O和NaH₂PO₄·2H₂O在1400℃烧结15h，制备了直径在0.5mm(长径比＞17)的莫来石晶须。Yoon等人[Journal of the European Ceramic Society，2008，28：455-463]在莫来石粉体中加入氧化钛，在1600℃煅烧15h制备了莫来石晶须。

片状氧化铝晶型为α-Al₂O₃(刚玉型)，具有较大的直径(5-50μm)和较小的厚度(0.10-0.50μm)，结晶完整的α-Al₂O₃颗粒呈规则六角形状。片状氧化铝熔点高、硬度大、还具有较高的机械强度和易分散的特点，可作为金属、陶瓷和玻璃基复合材料的增强相，提高复合材料的弹性模量、韧性和强度[Journal of the European Ceramic Society 19(1999)335？39，Journal of the European Ceramic Society 25(2005)1541-1550，Ceramics International  30(2004)785-791]。研究发现，用片状氧化铝增强的陶瓷基复合材料较用颗粒氧化铝增强的陶瓷基复合材料的断裂韧性高，由于片状氧化铝在基体中产生桥接作用，可提高材料的韧性[Journal of Physics and Chemistry of Solids 69(2008)1521-1524]。片状氧化铝的厚度尺度为纳米级或近于纳米级，径向尺度上为微米级，从而兼备了纳米粉体和微米粉体的双重特性，体现出良好的附着力和适中的表面活性，既能与其它活性基团有效结合，又不易发生团聚，粉体本身近乎无色、透明，具有显著的屏蔽效应与反射光线的能力；因此，片状氧化铝也可用于珠光颜料、化妆品、汽车面漆、填料及磨料等领域[过程工程学报，2004，4(增刊)：279-283，涂料工业，2004，34(1)：59-63]。

制备片状氧化铝的主要方法也为熔盐法，杨鹰等人[过程工程学报，2004，4(增刊)：279-283]以硫酸铝为原料，复合硫酸盐(Na₂SO₄+K₂SO₄)为熔盐，辅以外加添加剂(如磷酸盐、二氧化钛或二氧化硅等)，合成出了厚度为200-400nm，平均径厚比约为50的形貌较好的片状氧化铝。由于合成的片状氧化铝粒径与径厚比可调、结晶形貌规则，在珠光颜料、化妆品和填料等领域将具有广泛应用。张倩影等人[材料研究学报，2008，22(2)：205-208]也以硫酸铝为原料，用溶胶凝胶法制备的Al(OH)₃前躯体，在Na₂SO₄-K₂SO₄熔盐中合成α-Al₂O₃粉体，研究了Na₃PO₄·12H₂O和TiOSO₄添加剂对α-Al₂O₃形貌的影响。添加剂Na₃PO₄·12H₂O中的磷酸根离子在晶休表面吸附可抑制氧化铝晶体在厚度方向上的生长，并减少粉体之间的团聚和交错生长，获得无团聚且分散性良好的氧化铝晶片，加入TiOSO₄后，钛离子的进入会提高铝空位浓度，从而改变晶体各晶面的生长速度，促使其较为规则形貌的形成，从而制备出形貌规则、大小均匀、无团聚的片状α-Al₂O₃。Zhu等人[Ceramics International34(2008)1729-1733]将Al(OH)₃在500℃煅烧得到多孔的氧化铝，以其为前驱体，在NaCl朘Cl熔盐中制片状氧化铝，研究发现在900℃煅烧4h得到了平均粒径为2.4μm得片状氧化铝。Lee等人[20]以γ-Al2O3为原料、Na₂SO₄为熔盐，研究了微波烧结对片状氧化铝形貌的影响，研究发现采用微波烧结制备的片状氧化铝粒径分布均匀，粒径较小。

以上现有制备方法所采用的原料成本高，无法实现废物的高附加值利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种以火电厂排放的粉煤灰为原料来制备莫来石晶须或片状氧化铝的新工艺，为粉煤灰的高附加值利用提供了一条新途径。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种用粉煤灰制备莫来石晶须的工艺，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将粉煤灰研磨成粒度为0.1-80μm的粉煤灰细粉；

(2)在步骤(1)所得粉煤灰细粉中加入熔盐添加剂和含硅或含铝的添加剂混合均匀，使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.5-1，混合物中熔盐添加剂的质量百分比为20-60％；将混合物装入带盖的坩锅中，在800-1300℃反应0.5-5h；其中：熔盐添加剂为硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、磷酸钠、磷酸氢钠、焦磷酸钠、氯化钾、摩尔比为1∶1的硫酸钠和硫酸钾、摩尔比为1∶1的氯化钠和氯化钾中的一种；含硅添加剂为硅灰、非晶态氧化硅中的一种；含铝添加剂为硫酸铝、氢氧化铝、氧化铝、铝矾土中的一种；

(3)将步骤(2)得到的反应产物用40-100℃的水浸泡3-24h，过滤、洗涤后，用温度为20-60℃、质量浓度为10％-40％的氢氟酸溶液浸泡1-10h，过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

以用粉煤灰制备莫来石晶须的工艺中，所述步骤(2)中的硅灰为生产硅铁过程中收集的一种以非晶氧化硅为主要成分的固体物质。

一种用粉煤灰制备片状氧化铝的工艺，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将粉煤灰研磨成粒度为0.1-80μm的粉煤灰细粉；

(2)在步骤(1)所得粉煤灰细粉中加入熔盐添加剂和含硅或含铝的添加剂混合均匀，使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.01-0.49，混合物中熔盐添加剂的质量百分比为20-50％；将混合物装入带盖的坩锅中，在900-1400℃反应0.5-5h；其中：熔盐添加剂为硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、磷酸钠、磷酸氢钠、焦磷酸钠、氯化钾、摩尔比为1∶1的硫酸钠和硫酸钾、摩尔比为1∶1的氯化钠和氯化钾中的一种；含硅添加剂为硅灰、非晶态氧化硅中的一种；含铝添加剂为硫酸铝、氢氧化铝、氧化铝、铝矾土中的一种；

(3)将步骤(2)得到的反应产物用40-100℃的水浸泡3-24h，过滤、洗涤后，用温度为20-60℃、质量浓度为10％-40wt％的氢氟酸溶液浸泡1-10h，过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

以上用粉煤灰制备片状氧化铝的工艺中，所述步骤(2)中的硅灰为生产硅铁过程中收集的一种以非晶氧化硅为主要成分的固体物质。

本发明优点是，利用工业废渣粉煤灰为原料，用熔盐法在较低烧结温度制备莫来石晶须或片状氧化铝。本发明新工艺，所用原材料易得、成本较低，制备的莫来石晶须和片状氧化铝纯度高，其物理性能与用其它工艺制备的一致。本发明制备的片状氧化铝或莫来石晶须可用于复合材料中的增强体，提高材料强度、韧性及耐热性能，在航空航天、汽车、窑炉等领域得到广泛的应用；制备的片状氧化铝还可作为研磨料、珠光颜料和填料等。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

一、莫来石晶须制备：

实施例1

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为0.1μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硫酸铝或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.5)，再加入硫酸钠(在混合物中其含量为20％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在800℃反应5h。将煅烧后的试样产物用40℃的水浸泡24h、过滤、洗涤后，用温度为20℃、浓度为40wt％的氢氟酸溶液浸泡10h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例2

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为80μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入氢氧化铝或非晶态氧化硅(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶1)，再加入硫酸钾(在混合物中其含量为60％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1300℃反应0.5h。将煅烧后的试样产物用100℃的水浸泡3h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为10wt％的氢氟酸溶液浸泡1h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例3

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为60μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入氧化铝或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.6)，再加入氯化钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡5h、过滤、洗涤后，用温度为40℃、浓度为20wt％的氢氟酸溶液浸泡3h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例4

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为40μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入铝矾土或非晶态氧化硅(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.6)，再加入熔盐添加剂(硫酸钾+硫酸钠，在混合物中其含量为40％，质量比))，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例5

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硅灰或铝矾土(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.5)，再加入熔盐添加剂(氯化钾+氯化钠，在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例6

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硅灰或铝矾土(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.5)，再加入熔盐添加剂磷酸钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例7

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硅灰或铝矾土(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.5)，再加入熔盐添加剂磷酸氢钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例8

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硅灰或铝矾土(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.5)，再加入熔盐添加剂焦磷酸钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

实施例9

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硅灰或铝矾土(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.5)，再加入熔盐添加剂氯化钾(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到莫来石晶须。

二、片状氧化铝制备：

实施例10

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为0.1μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硫酸铝或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.49)，再加入硫酸钠(在混合物中其含量为20％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在900℃反应5h。将煅烧后的试样产物用40℃的水浸泡24h、过滤、洗涤后，用温度为20℃、浓度为40wt％的氢氟酸溶液浸泡10h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

实施例11

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为80μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入氢氧化铝或非晶态氧化硅(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.01)，再加入硫酸钾(在混合物中其含量为60％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1400℃反应0.5h。将煅烧后的试样产物用100℃的水浸泡3h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为10wt％的氢氟酸溶液浸泡1h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

实施例12

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为60μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入硫酸铝或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.3)，再加入氯化钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡5h、过滤、洗涤后，用温度为40℃、浓度为20wt％的氢氟酸溶液浸泡3h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

实施例13

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为40μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入氧化铝或非晶态氧化硅(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.2)，再加入熔盐添加剂(硫酸钾+硫酸钠，在混合物中其含量为25％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化。

实施例14

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入铝矾土或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.1)，再加入熔盐添加剂(氯化钾+氯化钠，在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

实施例15

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入铝矾土或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.1)，再加入熔盐添加剂磷酸钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

实施例16

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入铝矾土或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.1)，再加入熔盐添加剂磷酸氢钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

实施例17

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入铝矾土或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.1)，再加入熔盐添加剂焦磷酸钠(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。

实施例18

取用球磨机将粉煤灰研磨成粒度为30μm的粉煤灰细粉10g，根据粉煤灰的化学成分加入铝矾土或硅灰(使混合物中Al₂O₃、SiO₂摩尔比为1∶0.1)，再加入熔盐添加剂氯化钾(在混合物中其含量为30％，质量比)，将混合物在球磨机中混合均匀后，装入带盖的坩锅中，在1000℃反应3h。将煅烧后的试样产物用80℃的水浸泡8h、过滤、洗涤后，用温度为60℃、浓度为30wt％的氢氟酸溶液浸泡4h、过滤、洗涤、干燥后得到片状氧化铝。