利用煤矸石制备莫来石耐火材料的基础研究

作     者：刘宸嘉 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵爱春

授予年度：2024年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：煤矸石 酸浸法 莫来石 固相烧结 

摘      要：中国首要的能量来源是煤炭,同时也是产生煤矸石的主要途径之一。当前,全国累积的煤矸石数量已经超过70亿t,其堆放与排放行为正给生态环境带来极大的破坏力,包括占据大量的土地空间,而且随着风化、日晒雨淋对大气、人和动物都带来严重危害,因此研究煤矸石的综合利用途径意义深远。煤矸石富含多种有价值的矿物成分,特别是铝硅氧化物含量较高,因此具有潜在的再利用价值。本研究探讨了利用硫酸浸取工业废弃物煤矸石中的有价元素,并利用酸浸渣制备莫来石耐火材料。主要研究如下: （1）经过对煤矸石原料XRF、XRD、SEM分析,发现其主要成分由Si O2、Al2O3、Fe2O3三种化学成分构成,其主要矿相包括高岭石、石英和赤铁矿。煤矸石呈现粒状结构,具有不规则的形状和大小,表面显现出一些裂纹、凹陷或凸起,也呈现出块状或片状的结构。 （2）通过实验表明,当硫酸质量分数为25%、酸浸温度为90℃、液固比为10:1,且酸浸时间为150 min时,煤矸石硫酸浸出工艺能够实现Fe元素高效浸出,浸出率高达92.6%。在这一过程中,硫酸的质量分数是影响Fe元素浸出的主要因素。动力学研究表明,煤矸石的硫酸浸出过程是一种典型的液-固非催化反应,其铁浸出过程符合化学反应控制模型。通过计算得知该反应的活化能为Ea 225.23 J·mmol-1,动力学方程可归纳表示为:1-（1-X）（1/3）=24.3777 exp（-25238/RT）t。 （3）经过对酸浸渣XRF分析,其主要化学成分为二氧化硅和氧化铝,此时煤矸石中氧化铁含量低于1%,可作为原料制备莫来石。通过单因素实验结果可知合成莫来石的最佳烧结工艺为:焙烧温度为1600℃、保温时间为3 h、铝硅比为2.4:2。在此烧结工艺下合成的产品中莫来石相含量最多为94.7wt.%,且在此条件下得到的莫来石产品表现最佳,具有体积密度为1.69 g/cm3、显气孔率为30.49%、吸水率为17.21%,抗折强度为27.5 MPa的性能。根据对煤矸石合成莫来石的正交试验结果分析可得,焙烧温度对莫来石的体积密度、显气孔率和吸水率的影响最大,其次是保温时间,再次是铝硅比。 （4）在研究添加剂对合成莫来石的影响研究中,研究了Na F和La2O3对合成莫来石的影响。结果表明,添加Na F可降低合成莫来石最佳焙烧温度,且当焙烧温度为1300℃时就去除了方石英,但合成莫来石含量很少,因为在高温条件下,Na F抑制了莫来石的生成。La2O3作为添加剂在合成莫来石反应中起到了促进烧结作用,降低了合成莫来石焙烧温度,降低幅度约为100℃,且每个焙烧温度下莫来石性能都比未添加La2O3时的性能优越。