CN102583417A

CN102583417A - 利用煤矸石制取水玻璃的方法

Info

Publication number: CN102583417A
Application number: CN2012100810584A
Authority: CN
Inventors: 贾锐鱼; 赵晓光
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种利用煤矸石制取水玻璃的方法，包括以下步骤：(1)将煤矸石放入研钵中破碎，然后筛滤。(2)将经过筛滤的粉末状煤矸石灰放入坩埚中，在马弗炉中对煤矸石进行焙烧活化。(3)将焙烧后的粉末状煤矸石和质量浓度为20％的盐酸溶液按固液比(g/mL)1/6混合，在95℃下反应时间为1.5h，渣液分离，把滤渣洗净烘干。(4)将洗净烘干后的滤渣研碎成均匀粉末，和浓度为1.8mol/L的氢氧化钠溶液按固液比(g/mL)1/10混合，放入温度为70℃恒温加热磁力搅拌器中反应2.5h，反应后用抽滤机进行渣液分离，滤液即为液体水玻璃。本发明的有益之处在于，发明一种利用矿山废弃物煤矸石制备水玻璃的工艺，不但原材料成本低廉，工艺简单，而且达到废物资源化利用的目的。

Description

利用煤矸石制取水玻璃的方法

技术领域

本发明涉及的是一种利用煤矸石制取水玻璃的方法。

背景技术

煤炭是人类赖以生存的主要能源之一，我国是世界第一产煤大国，同时也是煤炭消费大国。煤炭的生产和消费过程中排放出大量的固体废物，煤矸石和粉煤灰构成了煤炭固体废物的主体。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是Al₂O₃、SiO₂，另外还含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、P₂O₅、SO₃和微量稀有元素。

煤矸石的产量约占煤炭产量的10％。中国每年大约排放矸石3.5亿吨左右。煤矸石是各种工业废渣中排放量最大，占地最多，污染环境较为严重的固体废物。

煤矸石一般露天堆放，经日晒、雨淋、风化、分解，产生大量的酸性水或携带重金属的离子水，下渗损害地下水质，外流导致地表水的污染。此外，近1/3的煤矸石山由于硫铁矿和含碳物质的存在发生自燃，产生有害有毒的SO2，CO2，NH3等气体和有害的烟雾，严重污染环境，使附加居民慢性气管炎和气喘病患者增多，周围数目落叶，庄稼减产。煤矸石受雨水冲刷，常使附加河流河床淤积，河水受到污染。

目前，国内外对煤矸石的综合利用研究主要集中在把煤矸石当作燃料、煤矸石处理后作为建筑材料和利用煤矸石制得化工产品三大方面。其中在把煤矸石作建筑材料利用方面因其原材料成本低，取材广泛而有很好的经济效益，故研究较成熟，技术手段也比较全面。在利用煤矸石制得化工原料方面主要是利用酸碱浸技术对煤矸石当中的三氧化二铝和二氧化硅进行提取，处理后作为化工原料利用。

国外对煤矸石的综合利用研究比较重视，煤矸石利用率一般在20％～30％，高者可达60％～80％。如美国矿业局从20世纪70年代开始，对所有的矸石山进行采样分析，并作出煤矸石综合利用规划。前苏联煤炭部科技委员会于1987年召开了煤炭的分类、性质和综合利用的专题会议，并研究了煤矸石分类、性质和综合利用的有关技术、工艺和设备，除了用于发电、生产砖、多孔轻骨料等建材外，还用含碳较高的煤矸石生产有机矿物肥料。其他一些国家，如英国、法国、匈牙利等，也对煤矸石利用进行了研究，并建立了煤矸石、沸腾炉渣、粉煤灰生产建材工厂。

水玻璃的分子式是：Na₂O·mSiO₂，分子量是：122.054，英文名为：Sodium silicate，Water glass。水玻璃是一种可溶性硅酸盐，由一种内含不同比例的碱金属和二氧化硅的***组成。常用的水玻璃分为钠水玻璃和钾水玻璃两类，俗称泡花碱。钠水玻璃为硅酸钠水溶液，分子式为Na₂O·mSiO₂。钾水玻璃为硅酸钾水溶液，分子式为K₂O·mSiO₂。钠水玻璃分子式中的m称为水玻璃的模数，代表Na₂O和SiO₂的摩尔比，是非常重要的参数。m值越大，水玻璃的粘度越高，但水中的溶解能力下降。当m大于3.0时，只能溶于热水中，给使用带来麻烦。m值越小，水玻璃的粘度越低，越易溶于水。我国生产的水玻璃模数一般在2.4～3.3之间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种利用煤矸石制取水玻璃的方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的制备方法：

一种利用煤矸石制取水玻璃的方法，包括以下步骤：

(1)将煤矸石放入研钵中破碎，然后用200目的筛子进行筛滤。

(2)将经过筛滤的粉末状煤矸石灰放入坩埚中，在马弗炉中对煤矸石进行焙烧活化，焙烧温度750℃，焙烧时间1h。

(3)将焙烧后的粉末状煤矸石和质量浓度为20％的盐酸溶液按固液比(g/mL)1/6混合，放入恒温加热磁力搅拌器中，在95℃下反应时间为1.5h，然后用抽滤机进行渣液分离，把滤渣洗净烘干。

(4)将洗净烘干后的滤渣研碎成均匀粉末，和浓度为1.8mol/L的氢氧化钠溶液按固液比(g/mL)1/10混合，放入温度为70℃恒温加热磁力搅拌器中反应2.5h。反应后用抽滤机进行渣液分离，滤液即为液体水玻璃。

本发明的有益之处在于，发明一种利用矿山废弃物煤矸石制备水玻璃的工艺，不但原材料成本低廉，工艺简单，而且达到废物资源化利用的目的。

附图说明

图1：酸浸反应温度对SiO₂浸出率的影响；

图2：酸浸反应时间对SiO₂浸出率的影响；

图3：酸浸反应固液比对SiO₂浸出率的影响；

图4：碱浸反应固液比对SiO₂浸出率的影响；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

(1)煤矸石的破碎

将煤矸石放入研钵中破碎，表1为煤矸石中的化学成分，然后用200目的筛子进行筛滤，取粉末状煤矸石灰备用。

表1 煤矸石的化学成分(质量百分比)

SiO₂ Al₂O₃ TiO₂ Fe₂O₃
	38.02 17.33 4.82 8.51

(2)煤矸石的活化

将粉末状煤矸石灰称量好后放入坩埚中，在马弗炉中按试验要求取不同温度对煤矸石进行不同时长的焙烧活化。不同温度、时间煤矸石的烧失率如下表：

表2 不同温度、时间煤矸石的烧失率

温度/℃	650	650	650	650	700	700	700	700	750	750	750	750
													时间/h	0.5	1.0	1.5	2.0	0.5	1.0	1.5	2.0	0.5	1.0	1.5	2.0
烧失率/％	18.1	18.3	18.2	17.9	18.2	18.1	18.0	18.2	18.1	18.7	18.2	18.3

(3)酸浸及渣液分离

将焙烧后的粉末状煤矸石和设定浓度的盐酸溶液混合，放入恒温加热磁力搅拌器中，在不同温度下反应，然后用抽滤机进行渣液分离，把滤渣洗净烘干。

(4)碱浸及渣液分离

将洗净烘干后的滤渣研碎成均匀粉末，和设定浓度氢氧化钠混合，放入恒温加热磁力搅拌器中，设定在不同温度下反应，反应后用抽滤机进行渣液分离，滤液即为液体水玻璃，然后把滤渣洗净烘干。

工艺参数确定

(1)主要影响因素

在反应过程当中，主要的影响因素有焙烧活化过程当中的焙烧温度、焙烧时间，酸浸过程中的酸浸温度，酸浸固液比，酸浸PH值和酸浸反应时间，碱浸过程中的氢氧化钠浓度，反应温度，固液比和反应时间。总共十个因素，考虑到正交试验的特定要求和整个设计的时间安排，从这十个因素当中选取对煤矸石制取水玻璃过程影响最大的五个因素作为正交试验研究因素，设计五因素四水平的正交试验表L₁₆(4⁵)。五个主要影响因素选为：焙烧温度，焙烧时间，HCl浓度，NaOH浓度和碱浸反应温度。分别设定五个主要影响因素的四个水平：焙烧温度：650℃，700℃，750℃，800℃；焙烧时间：0.5h，1h，1.5h，2h；HCl浓度：12％，16％，20％，24％；NaOH浓度：1.0mol/L，1.4mol/L，1.8mol/L，2.2mol/L；碱浸反应温度：70℃，80℃，90℃，100℃。L₁₆(4⁵)正交表共有16次试验，由于各水平相互搭配均衡，具有很强的代表性，因此每次试验需要严格按照正交表中规定的参数和条件进行操作。五个主要因素及水平列为下表：

表3 正交试验各因素和水平

(2)次要因素

在选取了正交试验五因素后，需确定酸浸温度、酸浸反应时间、酸浸固液比，碱浸反应时间和碱浸固液比五个次要因素的最佳反应水平，以最大程度减小对正交试验反应结果的影响。本设计采用单因素试验确定。

a.最佳酸浸反应温度的确定

酸浸反应温度通常水平有：85℃，90℃，95℃，100℃三个水平。在其他影响因素水平都相同的条件下，做单因素平行试验。试验结果反应SiO₂的浸取率与酸浸反应温度的关系如图1所示，随着反应温度的升高，SiO₂的浸取率首先迅速增加，但反应温度不宜过高，因为温度过高加大了盐酸的挥发量。反应后生成的混合液黏度增大，影响反应的进行程度，并加大了抽滤过程的难度。由图1可知，当反应温度达到95℃时，SiO₂的浸取率基本保持不变，因此本工艺取酸浸反应温度为95℃。

b.最佳酸浸反应时间的确定

合适的酸浸反应时间对SiO₂的浸取很重要，因此要在正交试验前确定最佳的酸浸反应时间，SiO₂的浸取率与酸浸反应时间的关系如图2所示。SiO₂的浸取率开始随反应时间的延长增长幅度较大；当酸浸反应时间＞1h时，浸取率增加缓慢，单位时间内的浸出量下降。原因是随着反应时间的增加，混合液中二氧化硅的含量变低，盐酸的浓度也降低。由图可知，最佳酸浸反应时间为1.5h。

c.最佳酸浸固液比的确定

固液比(煤矸石质量/盐酸质量)对SiO₂浸出率的影响如图3所示。固液比较大时混合液浓度大，盐酸的量就相对较小，SiO₂的浸出率低，固液比减小时，盐酸的量增加，SiO₂的浸出率加大。当固液比为1/6时，反应基本达到稳定状态，SiO₂浸出率基本保持不变。此外，较小的固液比也有利于抽滤的进行，综合考虑，酸浸最佳固液比(g/ml，下同)为1/6。

d.最佳碱浸反应时间和固液比的确定

理论上碱浸时间越长，SiO₂浸出的量越大。但实际操作中随着反应的进行，由于NaOH浓度的不断降低，煤矸石中SiO₂的含量也不断减少，故反应速率不断变慢。考虑到试验时间和实际效益，选取碱浸反应时间为2.5h。碱浸反应固液比和SiO₂浸出率的关系如图4所示。因为NaOH浓溶液有黏性，故碱浸反应固液比的水平应该比酸浸反应固液比水平值小。本设计选取1/8，1/9，1/10，1/11进行试验验证。结果显示SiO₂浸出率首先随着固液比值的减小而加大，到1/10时，由于NaOH浓度的降低，反应结果显示SiO₂浸取率也开始降低。故本设计选取的碱浸反应最佳固液比为1/10。

酸碱浸过程五个次要因素的最佳水平为：酸浸反应温度为95℃，最佳酸浸反应时间为1.5h，酸浸最佳固液比为1/6，碱浸反应固液比最佳为1/10，此外碱浸时间确定为2.5h。

至此，从煤矸石中提取SiO₂制得水玻璃的十个影响因素最佳水平全部得到确定。五个主要影响因素的最佳水平为：焙烧温度750℃，焙烧时间1h，HCl浓度20％，NaOH浓度1.8mol/L，碱浸反应温度70℃。五个次要影响因素的最佳水平为：酸浸反应温度为95℃，最佳酸浸反应时间为1.5h，酸浸最佳固液比为1/6，碱浸反应最佳固液比为1/10，此外碱浸时间确定为2.5h。

本发明的有益之处在于，发明一种利用矿山废弃物煤矸石制备水玻璃的工艺，不但原材料成本低廉，工艺简单，而且达到废物资源化利用的目的。按本工艺制成的水玻璃完全满足国标要求。

表4 水玻璃检测结果及相应国标对照表

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种利用煤矸石制取水玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将煤矸石放入研钵中破碎，然后用200目的筛子进行筛滤；

(2)将经过筛滤的粉末状煤矸石灰放入坩埚中，在马弗炉中对煤矸石进行焙烧活化，焙烧温度750℃，焙烧时间1h；

(3)将焙烧后的粉末状煤矸石和质量浓度为20％的盐酸溶液按固液比(g/mL)1/6混合，放入恒温加热磁力搅拌器中，在95℃下反应时间为1.5h，然后用抽滤机进行渣液分离，把滤渣洗净烘干；

(4)将洗净烘干后的滤渣研碎成均匀粉末，和浓度为1.8mol/L的氢氧化钠溶液按固液比(g/mL)1/10混合，放入温度为70℃恒温加热磁力搅拌器中反应2.5h；反应后用抽滤机进行渣液分离，滤液即为液体水玻璃。