利用粉煤灰制备硅肥的初步研究.pdf

第4 5卷 第4期2 0 2 3年1 2月 延 边 大 学 农 学 学 报A g r i c u l t u r a lS c i e n c eJ o u r n a l o fY a n b i a nU n i v e r s i t y V o l.4 5 N o.4 D e c.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 8-0 9 基金项目:中国科学院A类战略性先导科技专项(X D A 2 8 0 8 0 4 0 0);延边大学校企合作项目2 0 2 18号作者简介:周雨锌(1 9 9 9),女,吉林舒兰人,硕士研究生,研究方向为土壤与肥料,E-m a i l:1 3 0 0 6 3 7 6 4 2q q.c o m通信作者:梁运江(1 9 7 2),男,吉林松原人,博士,教授,研究方向为土壤与植物营养,E-m a i l:l y j l u o y b u.e d u.c n文章编号:1 0 0 4-7 9 9 9(2 0 2 3)0 4-0 0 4 2-0 5 D O I:1 0.1 3 4 7 8/j.c n k i.j a s y u.2 0 2 3.0 4.0 0 7利用粉煤灰制备硅肥的初步研究周雨锌,白雨停,韩志超,刘东旭,梁运江*(延边大学 农学院,吉林 延吉1 3 3 0 0 2)摘要:选择高温煅烧并引入混合助剂作为粉煤灰制备硅肥的方法,通过3 4 1 4试验,优化生产硅肥的工艺条件,研究结果对指导硅肥生产具有重要的理论和实践意义。结果表明:在制备粉煤灰硅肥的3个影响因素(煅烧温度、粉煤灰与助剂的比例、煅烧时间)中,煅烧时间对粉煤灰有效二氧化硅含量的影响稍大,其次是粉煤灰与助剂的比例,影响最小的因素是煅烧温度。粉煤灰与混合助剂(N a2C O3L i2C O3=10.1 4)的最佳配比为11,最佳煅烧温度为8 0 0,煅烧时间为3 9m i n,此时粉煤灰的有效二氧化硅含量达2 1.6 6%。符合国家标准要求的2 0%以上。关键词:粉煤灰;3 4 1 4设计;硅肥;因子主效应分析;频率分析中图分类号:S 1 4 3.7 1 文献标识码:A P r e l i m i n a r ys t u d yo np r e p a r a t i o no f s i l i c o nf e r t i l i z e ru s i n g i l l i t eZ HOUY u x i n,B A IY u t i n g,HANZ h i c h a o,L I UD o n g x u,L I ANGY u n j i a n g*(A g r i c u l t u r a l C o l l e g eo fY a n b i a nU n i v e r s i t y,Y a n j iJ i l i n1 3 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:S i l i c a f e r t i l i z e rw a sp r o d u c e db yh i g h-t e m p e r a t u r e c a l c i n a t i o na n d i n t r o d u c t i o no fm i x e da d d i t i v e sa s f l ya s h,a n d t h ep r o c e s s c o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db y3 4 1 4t e s t s,w h i c h i so f g r e a t t h e o r e t i c a l a n dp r a c-t i c a l i m p o r t a n c e i ng u i d i n gt h ep r o d u c t i o no f s i l i c a f e r t i l i z e r.T h e r e s u l t so f t h i ss t u d ys h o w e dt h a t a m o n gt h e t h r e e f a c t o r s(c a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e,f l ya s h/a d d i t i v er a t i o,a n dc a l c i n a t i o nt i m e)a f f e c t i n gt h ep r o-d u c t i o no f s i l i c a f e r t i l i z e r f r o mf l ya s h,t h ec a l c i n a t i o nt i m eh a das t r o n ge f f e c to nt h ee f f e c t i v es i l i c ac o n-t e n to f t h e f l ya s h,t h e nt h e f l ya s h/a d d i t i v er a t i o,f o l l o w e db yt h ee f f e c to f c a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e.T h eo p t i m a l c o n d i t i o n so f t h e t h r e e f a c t o r sw e r e:1:1o f t h e r a t i o no f f l ya s ht om i x e da d d i t i v e s(N a2C O3L i2C O3=10.1 4),8 0 0 o f t h ec a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e,a n d3 9m i no f t h ec a l c i n a t i o nt i m e.T h ee f f e c t i v es i l i c ac o n t e n to f f l ya s hr e a c h e d2 1.6 6%,w h i c hm e e t s t h en a t i o n a l s t a n d a r dr e q u i r e m e n t t h a t t h ee f f e c t i v es i l i c ac o n t e n t i sm o r e t h a n2 0%.K e y w o r d s:F l ya s h;3 4 1 4d e s i g n;s i l i c o nf e r t i l i z e r;F a c t o rp r i n c i p a l e f f e c t a n a l y s i s;f r e q u e n c ya n a l y s i s 粉煤灰是从燃煤过程产生的烟气中捕捉而来的细微固体颗粒物。粉煤灰的产生量巨大,通常每燃烧1t原煤,就会产生2 5 03 0 0k g粉煤灰1。近年来粉煤灰的产生量已经超过6亿t2。全国平均利 第4期周雨锌,等:利用粉煤灰制备硅肥的初步研究用率近年达到了7 5%,每年有1亿t以上粉煤灰因为不能及时利用而堆存。多年以来,粉煤灰过量堆存,在侵占了大量土地的同时,也带来了一系列的环境问题,存在很多生态环境的安全隐患。粉煤灰的结构特点是多孔、蜂窝状,这种特性使得它具有极强的吸附能力,其粒径一般在0.53 0 0m3。粉煤灰具有较大的比表面积,通常为1 7 010 0 0m2/k g,比重约2.13.0。粉煤灰中不同的残碳含量使其具有多种颜色,如灰色、灰褐色、黑色等4-6。粉煤灰的化学组成主要包括S i O2和A l2O3,部分粉煤灰也可能含有F e2O3、C a O、M g O、T i O2、N a2O、K2O等成分7-8。粉煤灰的矿物组成可以大致分为2大类:无定形相和结晶相。无定形相主要分为玻璃体和未燃尽的碳粒2类。其中,玻璃体作为粉煤灰活性物质的主要来源,具有很高的反应活化能。玻璃体的含量越高,粉煤灰的活性越高9。粉煤灰中结晶相的成分含量大概在1 1%4 8%,包含了莫来石、石英、云母、长石、磁铁矿、赤铁矿、钙长石、方镁石、硫酸盐矿物、石膏、金红石、方解石等1 0。粉煤灰在建材领域的应用极为广泛,可用于制作 水 泥 和 混 凝 土1 1、砖 及 墙 体1 2、工 程 用料1 3-1 5、泡沫陶瓷1 6-1 8、微晶玻璃等1 9-2 1。在农业方面,粉煤灰则被广泛应用于粉煤灰复合肥2 2-2 4、粉煤灰磁化复合肥、粉煤灰硅肥等,此外,粉煤灰在环境保护产品2 5和回收高附加值产品方面2 6-3 0也有较多的应用。但目前粉煤灰硅肥的制备普遍有过程繁琐、造价偏高的问题,该研究以延边地区粉煤灰为原料制造硅肥,并探索新的助剂和比例等条件,通过添加理想添加剂、筛选适宜比例、活化温度和时间等增加粉煤灰中有效硅含量,简化制备工艺、降低耗能的同时活化粉煤灰中的有效二氧化硅,制成高效硅肥,既缓解粉煤灰污染环境与土地占用问题,又实现了废弃物的再利用,有较好的经济效益和生态效益。1 材料与方法1.1 样本采集供试粉煤灰采自吉林省延边朝鲜族自治州龙井市热力公司。粉煤灰全量S i O2含量为6 5.7 8%。1.2 粉煤灰制备3 4 1 4试验设计该研究采用“3 4 1 4”试验的模型处理来进行多因素分析。“3 4 1 4”试验是指将3个不同的因素粉煤灰与最优试剂的比例(X1)、煅烧温度(X2)和煅烧时间(X3),设置4个水平、1 4个处理进行试验分析。试验方案 中 各 因 素 代 码 值 对 应 的 实 际 值 见 表1。“3 4 1 4”试验设计见表2。每个处理重复3次。冷却至室温后测定有效二氧化硅含量。表1 试验采用的各因素编码值与实际值T a b l e1 C o d i n ga n da c t u a l v a l u e s o f f a c t o r s i ne x p e r i m e n t编码值X1(粉煤灰与助剂比例)X2(温度)/X3(时间)/m i n0536 0 01 01547 0 02 02558 0 03 03569 0 04 02 结果与分析2.1 粉煤灰制备硅肥3 4 1 4试验分析粉煤灰制备硅肥3 4 1 4试验不同处理的有效二氧化硅含量见表2。表2 粉煤灰3 4 1 4试验设计方案及结果T a b l e2 D e s i g na n dr e s u l t so f“3 4 1 4”f l ya s he x p e r i m e n t处理X1(粉煤灰与助剂比例)X2/X3/m i n有效二氧化硅/%10005.0 10.0 820221 2.6 30.2 131221 4.5 80.2 342222 0.6 00.1 753221 5.7 30.1 562023.2 90.1 772129.5 70.5 18232-92201 6.1 30.5 11 02211 7.2 80.1 51 12232 1.7 20.5 51 21123.5 00.3 01 31211 5.0 90.3 81 42116.0 30.4 5 1)有效二氧化硅含量与助剂比例、煅烧温度、煅烧时间的模型建立与检验由于处理8的粉煤灰样品在煅烧时出现了固结的现象,所以去除处理8。根据表2的数据,采用二次回归正交旋转组合的方法,设计出一个有效的计算程序,以获得最佳的回归模型。有效二氧化硅含量(Y)与助剂的比例(X1)、煅烧温度(X2)和煅烧时间(X3)的回归模型(代码值方程)如下:34延 边 大 学 农 学 学 报第4 5卷 Y=4.7 1 90+4.8 2 40X1-0.6 5 60X2-8.3 3 20X3-0.8 7 50X1X2+1.3 9 80X1X3+1.2 9 50X2X3-1.3 7 30X12+3.5 0 8X22+1.4 4 5X33.(1)通过方差分析,表明有效二氧化硅含量数据拟合的模型F拟合=2 8.9 3,P1时).求第j个因素的贡献率j:j=j+j j+12Pi=1,iji j.(2)通过方程(2)分别计算出3个因素的贡献率为:1=1.8 0,2=1.0 9,3=2.1 5,可以看出,3(煅烧时间)1(粉煤灰与助剂的比例)2(煅烧温度);3(煅烧时间)对有效二氧化硅含量的贡献率最大,其次是1(粉煤灰与助剂的比例),最后为2(煅烧温度)。3)单因子效应分析为了找出粉煤灰与助剂比例(X1)、煅烧温度(X2)和煅烧时间(X3)对有效二氧化硅含量的影响趋势,采用降维分析,将影响有效二氧化硅含量的3个因素固定在0、1、2、3的4个不同水平,得到方程(1)关于X1、X2、X3的3组1 2个一元二次方程,按方程做出图形(图1)。从粉煤灰与混合助剂比例(图1-)可以看出,当煅烧温度和煅烧时间固定时,有效二氧化硅的含量为开口向下的抛物线;随着混合助剂比例的增加,有效二氧化硅的含量缓慢增加后降低,混合助剂比例过多或过少均会使有效二氧化硅含量降低;从煅烧温度(图1-)来看,当粉煤灰与混合助剂比例和煅烧时间固定时,有效二氧化硅的含量随温度的升高迅速增加,在0水平时有效二氧化硅含量最低,由于温度超过2水平煅烧物会固结,故不考虑2水平以上的煅烧效果,有效二氧化硅含量在02水平迅速跃升,在2水平达到最大值;由煅烧时间(图1-)可知,当粉煤灰与混合助剂的比例与煅烧温度固定为3水平时,二氧化硅的含量持续缓慢增加,当粉煤灰与助剂的比例与煅烧温度固定为1、2水平时,二氧化硅的含量先降低后又缓慢增加,当粉煤灰与助剂的比例与煅烧温度固定为4水平时,二氧化硅含量呈缓慢持续降低的趋势。4)获得最高有效二氧化硅含量处理组合因为粉煤灰在8 0 0 以上出现了固结的情况,所以将X2的代码值固定为2水平,粉煤灰与助剂比例、灼烧时间编码值X1、X3在试验设计范围内等分1 1个水平,构成1 13=13 3 1个组合,代入方程(1)中,得到有效二氧化硅含量Y2 0%的组合方案有1 1个,占组合方案总数的0.8 2 6%,有效二氧化硅含量频率分析见表4。通过计算得出粉煤灰有效二氧化硅含量2 0%的措施为:粉煤灰与助剂比例1111.1 3,煅烧温度8 0 0,煅烧时间3 7.63 9.7m i n,粉煤灰有效二氧化硅含量可达到2 0%以上。取粉 煤 灰 与 助 剂 比 例 为11,煅 烧 温 度8 0 0,煅烧时间3 9m i n,此时模型预测粉煤灰的有效二氧化硅含量为2 1.7 0%,通过验证试验进行验证,得 到 此 时 粉 煤 灰 有 效 二 氧 化 硅 含 量 的 值 为2 1.6 6%,实 测 值 与 预 测 值 之 间 的T检 验 值 为44 第4期周雨锌,等:利用粉煤灰制备硅肥的初步研究-0.8,P值为0.5 0 8,没有达到显著水平,说明实测值和预测值之间没有显著差异,表明验证试验达到了预期要求,故此种优化模型是可行的。:粉煤灰与混合助剂比例;:煅烧温度;:煅烧时间图1 各因素在不同水平下对有效二氧化硅含量的影响F i g.1 E f f e c t so f v a r i o u s f a c t o r su n d e rd i f f e r e n t l e v e l so ne f f e c t i v e s i l i c ac o n t e n t表4 粉煤灰有效二氧化硅含量频率分析T a b l e4 F r e q u e n c ya n a l y s i so f e f f e c t i v e s i l i c ac o n t e n t o f f l ya s h因素水平X1(粉煤灰与助剂比例)代码次数频率X3(时间)M i n代码次数频率1000.0 0000.0 020.300.0 00.300.0 030.600.0 00.600.0 040.900.0 00.900.0 051.200.0 01.200.0 061.519.0 91.500.0 071.821 8.1 81.800.0 082.121 8.1 82.100.0 092.421 8.1 82.400.0 01 02.721 8.1 82.754 5.4 51 1321 8.1 8365 4.5 5平均编码2.3 1 822.8 6 36标准误0.1 5 180.0 4 729 5%置信区间1.9 7 982.6 5 652.7 5 842.9 6 89实际值11.1 33 7.63 9.7m i n3 讨论与结论该试验制备的硅肥有效二氧化硅含量达到了国家标准2 0%,影响粉煤灰制备硅肥有效二氧化硅含量的3个因素为粉煤灰与混合助剂(N a2C O3L i2C O3=10.1 4)的比例、煅烧温度、煅烧时间,对粉煤54延 边 大 学 农 学 学 报第4 5卷 灰有效二氧化硅含量提升的影响从大到小依次为:煅烧时间粉煤灰与助剂的比例煅烧温度;随着温度、助剂比例的增加,粉煤灰有效二氧化硅的含量均呈现逐渐增加的趋势,这与武艳菊3 1的研究结论相符。这是由于在助剂、高温的催化作用下,粉煤灰中的二氧化硅与混合物料中的碱性氧化物发生固相化学反应,S i-O-S i键逐渐增加;粉煤灰与混合助剂的最佳配比为11,最佳煅烧温度为8 0 0,煅烧时间为3 9m i n,此时粉煤灰的有效二氧化硅含量可达2 1.6 6%,此时,助剂的价格为0.0 7 75元/g。参考文献:1 L E IR,F U DS,L IGF.R e s e a r c hp r o g r e s so ff l ya s hc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nJ.C l e a nC o a lT e c h n o l o g y,2 0 1 3,1 9(0 3):1 0 6-1 0 9.2 中关村绿色矿山产业联盟矿山固废资源综合利用专委会.2 0 1 92 0 2 0年度中国大宗工业固体废物综合利用产业发展报告M.北京:中循新科环保科技(北京)有限公司,2 0 2 0.3 张美云,李琳,宋顺喜,等.新型粉煤灰基硅酸钙造纸填料的物化特性J.陕西科技大学学报,2 0 1 4(0 6):1-4.4 S E A RL K A.P r o p e r t i e sa n dU s eo fF l yA s h:AV a l u a b l e I n-d u s t r i a lB yP r o d u c tM.L o n d o n:T h o m a sT e l f o r d,2 0 0 1.5 黄叶,钱觉时,王智,等.循环流化床锅炉固硫灰与粉煤灰的比较研究J.粉煤灰综合利用,2 0 0 9(0 3):7-9.6 MA T T I G O D S V,D HA N P A T R,E A R Y L E,A I N-S WO R THCC.G e o c h e m i c a l f a c t o r s c o n t r o l l i n g t h em o b i l i-z a t i o no f i n o r g a n i c c o n s t i t u e n t s f r o mf o s s i l f u e l c o m b u s t i o nr e s i d u e s:a r e v i e wo f t h em a j o r e l e m e n t sJ.J o u r n a l o fE n-v i r o n m e n t a lQ u a l i t y,1 9 9 0,1 9:1 8 8-2 0 0.7 L ON GY,WAN GY,MAH,e t a l.F e a s i b i l i t yo f f l ya s h-b a s e dc o m p o s i t ec o a g u l a n t f o r c o a lw a s h i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tJ.J o u r n a lo fH a z a r d o u s M o n g o l i a,2 0 1 2,2 0 3(0 3):2 2 1-2 2 8.8 Q IL,Y UA NY.C h a r a c t e r i s t i c s a n d t h eb e h a v i o r i ne l e c t r o-s t a t i cp r e c i p i t a t o r so fh i g h-a l u m i n ac o a lf l ya s hf r o mt h eJ u n g a rp o w e rp l a n t,I n n e rM o n g o l i a,C h i n aJ.J o u r n a lo fH a z a r d o u sM o n g o l i a,2 0 1 1,1 9 2(0 1):2 2 2-2 2 5.9 D ON GYT,WANGHF,WAN GZC,e t a l.M i n e r a l o g-i c a la n da c t i v e m e c h a n i c a le x c i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i l l e df l ya s hc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sJ.J o u r n a lo fW u-h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y(M a t e r i a l s S c i e n c e),2 0 1 7,3 2(0 4):4 1 3-4 1 6.1 0 钱觉时,王智,吴传明.粉煤灰的矿物组成J.粉煤灰综合利用,2 0 0 1(0 2):3 7-4 1.1 1 周玲珠,郑愚,罗远彬,等.高粉煤灰掺量自密实混凝土性能研究J.混凝土,2 0 1 7(1 1):6 3-6 7.1 2 漆贵海,张县云,黄巧玲,等.基于装配式建筑的陶粒轻质隔墙板制备研究J.施工技术,2 0 1 8(1 7):4 6-4 8.1 3 谭业文,王曙光,刘伟庆,等.粉煤灰对混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响J.混凝土,2 0 1 7(0 7):1 4 4-1 4 8.1 4 HA B E R TG,L A C A I L L E R I EJ,R O U S S E LN.A ne n v i-r o n m e n t a le v a l u a t i o no fg e o p o l y m e rb a s e dc o n c r e t ep r o-d u c t i o n:r e v i e w i n gc u r r e n tr e s e a r c ht r e n d sJ.J o u r n a lo fC l e a n e rP r o d u c t i o n,2 0 1 1(1 1):1 2 2 9-1 2 3 8.1 5 MON T EMO R MF,C UNHA MP,F E R R E I R A M G.C o r r o s i o nb e h a v i o u ro fr e b a r si nf l ya s h m o r t a re x-p o s e dt oc a r b o nd i o x i d ea n dc h l o r i d e sJ.C e m e n ta n dC o n c r e t eR 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