電爐黃磷渣、鋼鐵及有色金屬冶煉過(guò)程產(chǎn)生的爐渣、建材及電力行業(yè)產(chǎn)生的粉煤灰等是常見(jiàn)的大宗固體廢棄物，這些廢棄物中皆富含二氧化硅，且二氧化硅主要以硅酸鹽、晶態(tài)二氧化硅和非晶態(tài)二氧化硅等形式存在。此外，根據固體廢棄物產(chǎn)生的渠道和生產(chǎn)方式不同，也會(huì )含有其他不同的礦物相組分，有時(shí)也會(huì )存在稀土元素、氧化鋁及其他高價(jià)值的有色金屬元素。將固體廢物中的稀土金屬及氧化鋁等高值有價(jià)元素分離提取后，可以制備白炭黑、二氧化硅氣凝膠，也可以同時(shí)利用固體廢棄物中的二氧化硅和氧化鋁制備沸石。
　　
　　1、固廢制備白炭黑
　　
　　白炭黑是一種白色無(wú)定形納米二氧化硅物質(zhì)，具有優(yōu)異的孔隙率、高分散性、熱穩定性和良好的電絕緣性，常被用于制備催化劑、橡膠增強劑、觸變劑、熱絕緣體和復合材料，是橡膠、化工、電子、醫藥等行業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量的“工業(yè)味精”。
　　
　　目前利用固廢制備白炭黑主要采用沉淀法工藝，該工藝可細分為酸溶法和堿熔（溶）法。酸溶法利用固廢與鹽酸或硝酸混合，使固廢中的Fe2O3、Al2O3、稀土金屬或硅酸鹽等轉化為易溶解的氯化物及SiO2沉淀，從而將固廢中的稀土等有價(jià)金屬元素或鐵、鋁等雜質(zhì)元素轉移至液相，富集二氧化硅的濾餅經(jīng)酸洗除去鐵、炭等雜質(zhì)，然后通過(guò)干燥及煅燒得到白炭黑產(chǎn)品。
　　
　　堿熔（溶）法利用固廢與堿在熔融或者水溶液中發(fā)生反應制得水玻璃，然后通入CO2或者與鹽酸或硫酸溶液反應，使二氧化硅以絮狀形式沉淀出來(lái)，經(jīng)過(guò)濾、清洗、干燥后得到白炭黑產(chǎn)品。
　　
　　粉煤灰中除含有二氧化硅外，還含有價(jià)值較高的三氧化二鋁，利用其制備白炭黑前往往先提取其中的Al2O3，或者高效利用Al2O3前也需首先將其中的SiO2除去。一般采用石灰石燒結法或者堿石灰燒結法工藝，將粉煤灰與助熔劑（碳酸鈉或碳酸鈣）混合后進(jìn)行高溫（1100～1400℃）焙燒，將石英和莫來(lái)石中的晶態(tài)二氧化硅以及非晶態(tài)的二氧化硅轉化為不溶于浸出劑的2CaO·SiO2，而莫來(lái)石中的氧化鋁轉化為易溶于浸出劑（碳酸鈉）的12CaO·7Al2O3；焙燒產(chǎn)物浸出后氧化鋁等成分進(jìn)入液相，進(jìn)一步回收Al2O3，而二氧化硅則富集于渣相，經(jīng)酸浸除雜、洗滌凈化后制備白炭黑。也可將粉煤灰與碳酸鈉按一定比例混合，在中等溫度下煅燒一段時(shí)間，然后利用酸溶解硅鋁混合的焙燒產(chǎn)物，最后用酸使二氧化硅逐漸沉淀進(jìn)行回收。
　　
　　綜上，酸溶法主要針對含有酸溶性金屬氧化物的雜質(zhì)或者價(jià)值較高的稀土氧化物中富含二氧化硅的固廢制備白炭黑，酸溶的目的有兩個(gè)方面：（1）分離提取高價(jià)值元素及除雜，（2）二氧化硅提純與富集。堿熔（溶）法主要應用于富含三氧化二鋁的固廢，制備白炭黑前首先提取價(jià)值高的三氧化二鋁。利用堿熔（溶）法從粉煤灰中提取三氧化二鋁及制備白炭黑的工藝已產(chǎn)業(yè)化，并取得良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
　　
　　2、固廢制備二氧化硅氣凝膠
　　
　　二氧化硅氣凝膠由于具有較大的比表面積、大孔容、低體積密度和低導熱系數等特點(diǎn)，可以應用在催化劑、透明隔熱材料、薄膜、射電發(fā)光器件、藥物釋放系統等領(lǐng)域。一般采用溶膠-凝膠法工藝，經(jīng)合成、老化和干燥三個(gè)步驟將固廢中的二氧化硅制備成氣凝膠材料。
　　
　　利用固廢制備二氧化硅氣凝膠時(shí)，首先將固廢與堿發(fā)生反應制得不同模數的水玻璃，然后向水玻璃中加酸溶液使其直接凝膠化，或是水玻璃經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂后制得硅酸凝膠。老化階段即處理形成的凝膠孔隙的水分，這個(gè)過(guò)程在室溫下持續幾個(gè)小時(shí)或幾天，或在50～60℃下進(jìn)行，這樣可以顯著(zhù)縮短這一階段的時(shí)間。
　　
　　凝膠的老化過(guò)程通常使用甲醇、乙醇等分子類(lèi)醇來(lái)進(jìn)行，當使用更高的醇類(lèi)同系物（如正丙醇、正丁醇、異丁醇或正戊醇）時(shí)，合成的氣凝膠擁有更好的參數。干燥階段常采用超臨界干燥或者常壓干燥工藝，超臨界干燥過(guò)程可以避免毛細應力和隨之而來(lái)的干燥收縮，從而制得保持濕凝膠原有形狀和結構的氣凝膠。但由于高溫高壓的苛刻條件和有機溶劑的易燃性，超臨界干燥具有很大的危險性，實(shí)踐中采用常壓干燥的方法，常壓干燥設備簡(jiǎn)單、便宜，具有更廣闊的前景。
　　
　　3、固廢制備沸石
　　沸石由于其多孔結構，可以容納多種陽(yáng)離子，具有吸附、離子交換和催化等一種或多種性質(zhì)，被廣泛用于以下方面：
　?。?）分離提純過(guò)程中的工業(yè)吸附劑；
　?。?）制備先進(jìn)材料的催化劑；
　?。?）膜材料和膜加工的添加劑；
　?。?）離子交換材料；
　?。?）化學(xué)傳感器等。
　　
　　沸石一般是由氧化鋁源、硅源形成的鋁硅酸鹽凝膠經(jīng)水熱處理合成的，但由于氧化鋁源、氧化硅源合成沸石的成本較高，從固廢中尋找合成沸石的廉價(jià)材料成為研究熱點(diǎn)。常用的工業(yè)固廢種類(lèi)較多，譬如粉煤灰、鋰渣、廢金屬渣和沖天爐爐渣等。
　　
　　利用固廢合成沸石的方法主要有兩種：一種方法是傳統的合成方法，即固廢堿熔后水熱合成；另一種方法是微波或超聲波輔助合成新工藝。傳統合成方法就是對能提供二氧化硅和氧化鋁的固廢進(jìn)行堿熔處理，再進(jìn)行水熱合成。堿熔處理是指使用碳酸鈉或者氫氧化鈉作為活化劑，使固廢中的氧化鋁和氧化硅分解、轉化為可溶性的硅酸鈉和鋁酸鈉，然后在水熱合成條件下制備沸石。
　　
　　水熱合成過(guò)程可以分為三步：固廢中Si4+和Al3+在堿溶液中的溶解；溶解的硅酸鹽離子和鋁酸鹽離子在堿溶液中反應形成鋁硅酸鹽凝膠；鋁硅酸鹽凝膠結晶形成沸石晶體。利用微波和超聲輻射催化強化化學(xué)反應的特性，在固廢制備沸石工藝過(guò)程中引入微波或超聲波輔助合成技術(shù)，即利用微波或超聲波輻射催化堿熔工藝時(shí)，可以顯著(zhù)降低沸石合成的時(shí)間與能耗，并提高了沸石的結晶度。
　　
　　資料來(lái)源：《蘇博文,史公初,廖亞龍,等.工業(yè)固體廢棄物制備二氧化硅功能材料的研究進(jìn)展[J].材料導報,2021,35(03):3026-3032》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉載請注明出處！