粉煤灰制备无机陶瓷材料的研究进展

摘 要：该文首先简要介绍了粉煤灰和陶瓷材料的特点和性能，综述了以固体废弃物粉煤灰为主要原料制备出莫来石、堇青石、钙长石、硅灰石和硅基复合陶瓷材料的研究进展，并展望了粉煤灰制备陶瓷材料的应用前景。

关键词：粉煤灰；莫来石；堇青石；無机陶瓷材料

中图分类号 X705 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）16-0089-06

Progress in Preparation of Inorganic Ceramics by Fly Ash

Zuo Xujun1 et al.

（1Department of Biological and Environmental Engironeering，Hefei University，Hefei 230601，China）

Abstract：First，this paper introduced simply the characteristics and properties of fly ash and inorganic ceramic materials，and then reviewed the research progress of using solid waste fly ash as main raw material to prepare mullite，cordierite，calcium feldspar，wollastonite and Si base composite inorganic ceramic materials，and finally the application prospect of the prepared inorganic ceramic materials was prospected.

Key words：Fly ash；Mullite；Cordierite；Inorganic ceramic material

1 引言

粉煤灰是煤炭燃烧后产生的烟尘中的细小粉状颗粒物，其中包含多种常见的微量危害元素（如：Cd、As、Cu、Cr、Hg、Pb等），是燃煤电厂排出的主要固体废弃物。据统计，中国每年用于发电的煤量约高达17亿t，而其产物粉煤灰的量约多达4亿t[1]。粉煤灰的长期露天堆积，不仅造成了大量的土地被占用，而且还污染土壤、空气和水资源，对环境和公众安全造成巨大威胁。因此，加强粉煤灰的资源化利用，使其变废为宝具有重要的意义。

陶瓷材料是人们生活生产中不可或缺的材料，当今称它与高分子合成材料、金属材料为目前的三大实用性固体材料。陶瓷材料是通过天然化合物原料或合成化合物原料经过成形加工和高温烧结而制成的一种无机材料，它具有熔点高、硬度大、耐磨性强、耐氧化性强等优良特性。

由于目前产业化的氧化铝、氧化锆等基质无机陶瓷的原料价格较贵，烧结温度较高，导致其生产成本居高不下，仅在某些高端领域取得初步应用；然而在某些利润率低且日处理量大的处理领域，现有价格较贵的商业无机陶瓷材料无法应用，因此如何利用廉价的资源降低合成无机陶瓷的成本是环保业目前主要研究方向之一。

粉煤灰中含有大量的矿物多相集合体，如：磁铁矿、石英、硅灰石、钙长石、方解石、赤铁矿、铝硅酸盐和莫来石等，其主要化学成分（SiO2和Al2O3）是制备陶瓷材料的传统常用原料，Fe2O3、CaO、TiO2等成分是良好的烧结助剂，能够与其它成分形成固溶体或在高温下产生液相，从而降低烧结温度，且粉煤灰中少量的炭也是良好的造孔剂。粉煤灰颗粒呈球形，具有大量微孔、较高比表面积和活性，容易研磨，是所有工业固废中制备低价无机陶瓷材料最具优势的原料。由于传统的陶瓷材料制备工艺和技术存在一定的缺陷，研究发现粉煤灰中含有大量的氧化物如：CaO、Al2O3、MgO、SiO2、Fe2O3等，与制备陶瓷传统原材料：黏土、石英砂、偏高岭土等成分相近。我们需要添加合适的烧结助剂和寻找新型制备工艺、反应烧结技术，这是陶瓷材料的主要研究方向。

通过调研近年来的相关文献，本文综述了用粉煤灰作为制备无机陶瓷材料的主要原料，并根据需要增加合适的添加剂，制备了不同主相的无机陶瓷材料及其应用研究。

2 用粉煤灰制备不同主相无机陶瓷材料的研究进展

目前，国内外无机陶瓷材料主要是以莫来石、堇青石、钙长石、硅灰石等为主晶相的材料，但这些材料的价格均偏高，导致所研究制备的陶瓷产品成本较高，很难得到大规模地推广与使用。下面介绍选用价格较低的粉煤灰作为主要原料，并根据需要增加合适的添加剂，选择适宜的添加剂，确定合理的制备工艺，研制出多种不同主相的无机陶瓷材料及其优势应用领域。

2.1 莫来石基陶瓷材料 莫来石（化学式为3A12O3·2SiO2），密度约为3.10g/cm3，莫氏硬度为6，熔点是1845℃，熔化温度约为1915℃，弹性模量为1.5×105MPa，它是硅酸铝系统中的在高温环境中及标准大气压下仅有的稳定二元物相。由于该相具有耐火度高、膨胀系数低（5.6×10-6/℃）和导热系数（3.0～3.5W/m×K）、介电常数低、良好的红外透过性能、耐酸性强、蠕变率低、比重低，广泛应用于耐火材料、结构陶瓷和电子行业等领域。

林滨[2]等以高铝粉煤灰为原料，经碱液预脱硅、酸洗除杂活化处理，烧结得到莫来石。研究了不同工艺条件对烧结莫来石产品性能的影响及不同烧结条件下的莫来石产品物相及显微形貌转变规律。实验结果表明，经过预处理后，粉煤灰中的A12O3含量由47.58wt%提高至65.35wt%，当原料的粒径平均为2.89μm，烧成温度是1600℃，保温时长为2h时，经预处理后的粉煤灰烧成莫來石相含量较高、长度约10μm的棒状晶体，制取样品的体积密度和显气孔率等理化性能良好，满足莫来石行业的标准要求，采取去硅处理工艺也节省Al2O3资源。