煤系高嶺土是煤炭開(kāi)采和洗選過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，主要由高嶺石及碳質(zhì)等組成，為煤矸石的主要成分，其數量占原煤產(chǎn)量的10%~20%。隨著(zhù)采煤數量的增加，所產(chǎn)生的煤系高嶺土（煤矸石）越來(lái)越多，我國煤礦現有矸石山1500余座，堆積量約30億t，占地約5800公頃，嚴重污染環(huán)境，已列入當今世界十大主要工業(yè)固體廢物之一。煤系高嶺土一般呈灰色或黑色，塊狀結構，殼狀斷口，隱晶質(zhì)結構，蠕蟲(chóng)狀晶體，結晶有序度高，這種高嶺土與煤層具有一定的成因關(guān)系，一般厚度可達0.3~0.5m，這已成為我國一種獨特的高嶺土資源，并在高嶺土工業(yè)中占有后來(lái)居上、舉足輕重的地位。
一、煤系高嶺土應用現狀
由于煤系高嶺土的化學(xué)成分和特定的結構，決定了有關(guān)的研究是采用煅燒、偶聯(lián)改性、合成等手段對其進(jìn)行深加工，主要用來(lái)制取各種高檔填料、聚合氯化鋁、白炭黑、復合材料、沸石分子篩及FCC催化劑等，具體如下。
高檔填料
填料高嶺土是一種重要的高嶺土深加工產(chǎn)品，其代表產(chǎn)品“雙90”型高嶺土，具有散射力強，油墨吸附快，活性高，白度好，空隙率高，熱穩定性能好，電絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此是一種高檔的非金屬礦產(chǎn)品，作為一種功能填料，在造紙、油漆、塑料、橡膠以及黏合劑等各種材料中有著(zhù)廣泛應用。廣東茂名、湛江、江蘇蘇州、河北沙河等地每年能生產(chǎn)高純度超細涂布級高嶺土4~5萬(wàn)t，但這遠不能滿(mǎn)足需求，仍需從美國、英國等進(jìn)口優(yōu)質(zhì)涂料級高嶺土4~5萬(wàn)t。隨著(zhù)我國造紙工業(yè)的不斷擴大，許多大型造紙廠(chǎng)相繼投產(chǎn)，今后優(yōu)質(zhì)涂布級高嶺土的需求量會(huì )越來(lái)越大。
在橡膠制品中，煅燒高嶺土的加入，能提高橡膠中各種配合劑的分散效果，起到補強的效果，從而改善生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的力學(xué)性能。中國科學(xué)院過(guò)程工程研究所利用煤系高嶺土開(kāi)發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的直接加熱快速流態(tài)化煅燒技術(shù)制備出高檔填料，具有成本低，能耗低，產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)勢。由于我國的煤系高嶺土資源十分豐富，而且質(zhì)量?jì)?yōu)良，所以煤系高嶺土在高檔填料的應用研究有著(zhù)巨大的優(yōu)勢和開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。
制備聚合三氯化鋁和白炭黑
煤系高嶺土的主要成分是硅鋁酸鹽，可以用來(lái)制備聚合三氯化鋁和白炭黑。聚合氯化鋁簡(jiǎn)稱(chēng)PAC，通常也稱(chēng)作堿式氯化鋁、聚羥基鋁等，它是于氯化鋁和氫氧化鋁之間的一種水溶性無(wú)機高分子聚合物，作為凈水劑廣泛使用，聚合氯化鋁在造紙工業(yè)中還能明顯提高紙產(chǎn)品的質(zhì)量。葉巧明介紹了以煤系高嶺土和鹽酸為原料，制備聚合氯化鋁的方法；在制備聚合氯化鋁的同時(shí)，還可以獲得二氧化硅，由于其顆粒細小，為微米級或納米級，具有很高的比表面積，某些性質(zhì)與炭黑相似，可以在一些應用領(lǐng)域代替炭黑，所以被稱(chēng)“白炭黑”。
制備復合材料
煤系高嶺土作為一種價(jià)格低廉的新型補強材料，可滿(mǎn)足在工程塑料中的改性要求，可較大幅度地提高塑料的拉伸和彎曲性能，在降低材料成本的同時(shí)，還能提高聚合物的剛性和耐熱性。由于高嶺石是1∶1型層狀粘土礦物，一些強極性的有機小分子，如二基甲亞砜、甲酰胺，N-基甲酰胺、肼、脲、聯(lián)氨、醋酸鉀等，可以直接插入到高嶺石層間生成高嶺石插層復合材料，作為新興礦物材料，既有粘土礦物特有的吸附性、分散性、流變性、多孔性和表面酸性，又具有有機化合物的多變官能團和反應活性。
制備沸石分子篩和FCC催化劑
煤系高嶺土的主要成分是硅鋁酸鹽，沸石分子篩的主要成分也是硅鋁酸鹽，其氧化物形式為Na2O·xAl2O3·ySiO2·zH2O，因此，通過(guò)補加一定數量的硅元素和氫氧化鈉，就能以煤系高嶺土為原料來(lái)合成分子篩。自從20世紀60年代Howell等成功利用高嶺土礦物合成4A分子篩以來(lái)，國內外學(xué)者對以高嶺土為原料合成分子篩進(jìn)行了廣泛的研究。
由高嶺石的結構可知，高嶺土的化學(xué)性質(zhì)很穩定，如果采用高嶺土為原料來(lái)合成分子篩，必須提高高嶺土的化學(xué)反應活性，常用的方法是在一定溫度煅燒，此時(shí)發(fā)生如下反應：Al2Si2O4(OH)4→Al2O3·2SiO2(偏高嶺石)+2H2O在高溫下，礦物晶格內部的羥基脫出，形成無(wú)定形的Al2O3和SiO2，它們的硅氧四面體和鋁氧八面體因扭曲而相互貫穿，具有很高的化學(xué)反應活性。用煅燒后所得的偏高嶺土在一定溫度下和氫氧化鈉反應，偏高嶺土中的氧化硅、氧化鋁溶解，作為分子篩合成的部分或全部硅源和鋁源，體系進(jìn)行結構重排生成具有不同結構的分子篩?？椎马樀纫酝畋泵合蹈邘X土為原料，采用低溫(400℃)堿熔活化，降低了煅燒的溫度，使煤系高嶺土生成可溶性硅鋁酸鹽及無(wú)定形態(tài)偏高嶺土，減少了晶化的時(shí)間，獲得了高品質(zhì)的4A沸石分子篩產(chǎn)品。吳建雄等以?xún)让晒哦鯛柖嗨沟拿合蹈邘X土為原料，通過(guò)添加導向劑并經(jīng)兩步變溫晶化法，合成出高結晶度的NaY沸石分子篩。
高嶺土型FCC催化劑在熱穩定性、渣油裂化和抗重金屬等方面具有非常突出的特點(diǎn)，在石油催化裂化方面具有廣泛的應用。根據制備方法的不同，FCC催化劑可以分為粘結型和原位晶化型兩類(lèi)：粘結型催化劑是由NaY分子篩和基質(zhì)加粘結劑后噴霧成型而制成的微球催化劑；高嶺土型FCC催化劑是高嶺土原位晶化而得的產(chǎn)物，因此可以利用煤系高嶺土為載體，合成出FCC催化劑。
制備其他化工產(chǎn)品
除上述常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)利用方法外，還有利用煤系高嶺土合成莫來(lái)石、多品種氧化鋁和硅質(zhì)無(wú)機填料等不同的化工產(chǎn)品。
二、存在的問(wèn)題、對策及展望
由于煤系高嶺土與煤炭伴生，不可避免含有一定量的炭質(zhì)成分，影響產(chǎn)品的純度和白度，同時(shí)還含有鐵、鈦等染色物質(zhì)，需要進(jìn)行一定的處理以提高產(chǎn)品的純度，現在“雙90”型高嶺土已不能滿(mǎn)足某些應用領(lǐng)域的要求，所以，需要在純度和細度方面進(jìn)一步提高，從而為深層次的加工和利用打下基礎。在利用高嶺土的領(lǐng)域，均可以根據實(shí)際情況，選用相應品質(zhì)的煤系高嶺土作為替代品，并根據煤系高嶺土的化學(xué)成分及含量，開(kāi)發(fā)新型硅酸鹽產(chǎn)品，以進(jìn)一步擴大產(chǎn)品的應用范圍，諸如應用于造紙、橡膠、塑料、油漆、化工、涂料、搪瓷、電子元件、高低壓電瓷、石油催化劑載體、玻璃、玻璃纖維、原子反應堆等工業(yè)領(lǐng)域?？傊?，隨著(zhù)人們對煤系高嶺土利用技術(shù)研究的深入，其利用領(lǐng)域將不斷擴大。
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（biyyxtech）
|
