典型粉煤灰铝硅协同规模化制备矿物复合材料基础研究

Focusing on important problems for the massive resource reuse of coal-based solid waste, we study important issue of the massive and typical fly ash. Through the integration study of mild activation, deep desilication, controllable synthesis and media circulation, we perform the research about the mildly high-efficiency separation between crystal phase and non-crystal phase, coordinately control of particle interface, functional design and controllable synthesis of products, activation media regeneration and product link optimization. These studies clarify the character of non-crystal state, occurrence state of elements and their effects on the reactivity and dissociation characteristics of fly ash, and establish a new technology and process of mineral aluminosilicate composites with high application value, and realize the partial extraction and synergetic utilization of crystal and non-crystal aluminosilicate. This study will form a product scheme having big market consumption and high added value, which provides a new route for the massive and high value added utilization of fly ash in Shanxi and north-west energy-based region, and provide important scientific reference for the efficient and clean resource utilization of massive coal solid waste.

本项目针对煤基固废大规模高效资源化利用的重大需求，以代表性强、产生量大、规模化利用需求急迫的典型粉煤灰为切入，通过温和活化-深度脱硅-可控制备-介质循环一体化研究，系统开展粉煤灰的非晶相/晶相温和高效分离、颗粒界面特性协同调控、资源化产品功能设计与可控制备、活化介质再生循环及产品链接优化等关键科学问题研究，阐明粉煤灰非晶相矿物构造特征、元素赋存状态及其对反应活性与解离特性的影响规律，建立粉煤灰非晶相/晶相温和活化-矿相重构耦合调控机制与深度分离新方法，实现非晶相/晶相铝硅资源分质提取与协同利用，形成具有重大应用价值的粉煤灰规模化制备铝硅系矿物复合材料新工艺，以及市场用量大、附加值高的中高端产品方案，为山西及西北地区大型煤炭能源基地粉煤灰大规模高值利用提供新途径，并为大宗煤基固废高效清洁资源化利用提供重要科学指导。

项目背景：山西省等西北大型能源基地煤基固废大规模高值利用需求迫切，其中高铝粉煤灰年产生量超过3000万吨，氧化铝含量高，但高值化综合利用率≤30%。充分利用高铝粉煤灰富含莫来石（3Al2O3·2SiO2）-刚玉相（Al2O3）矿相特点，突破温和活化-深度脱硅-可控制备-介质循环基础科学问题，开拓高铝粉煤灰等典型粉煤灰铝硅分质高值化利用新途径，具有重要意义。.主要研究内容、重要结果、关键数据：开展了粉煤灰复杂元素/铝硅酸盐赋存形态与反应活性关联研究，建立了元素赋存形态-模拟计算-实验验证系统化反应活性分析方法，从原子尺度揭示杂质元素的价态分布与晶相/非晶相铝硅酸盐矿相的嵌布特征，明确了Si-O-Al配位结构的酸反应活性顺序为Q4(3Al)＞Q4(2Al)＞Q4(1Al)。开展了粉煤灰机械化学（碱/酸）协同活化-深度脱硅工艺优化与调控机理研究，建立了机械-化学协同活化调控铝硅配位重构机理，实现惰性Si-O-Al可控转化活性Si-O-H，脱硅率＞50%，粉体铝硅比由1.0提升至2.5左右，解决了粉煤灰中非晶相二氧化硅含量高、活性低、脱除难的问题，为粉煤灰高值化材料利用提供了新方法。开展了粉煤灰深度脱硅-活化改性制备莫来石基多孔陶瓷材料、莫来石-钛酸铝复合材料等系列铝硅矿物材料研究，莫来石-钛酸铝复合材料体密达到3.08 g/cm3，表现出优异的结构性能与热稳定性能。开展了粉煤灰脱硅液制备水化硅酸钙、复合气凝胶、介孔硅基材料等研究工作，所制备的托贝莫来石晶须保温材料各项指标均能满足相关国家标准A1级防火指标要求，实现了非晶相/晶相铝硅资源分质提取与协同利用。.科学意义：本研究在高铝粉煤灰等典型粉煤灰复杂铝硅酸盐矿相温和活化-深度脱硅调控理论方面取得新突破，建立了具有重大应用价值的粉煤灰规模化制备铝硅系矿物复合材料新原理、新工艺、新过程以及大规模高值化产品方案，研究成果不但对于山西省及其它大型能源基地开拓粉煤灰大规模高值化利用新途径具有重要的科学价值，而且对于多种煤基固废高效清洁循环利用具有重要的理论借鉴意义。