通过相分离工艺从煤灰中去除金属并生产高硅粉

《Waste Management》：Metals removal and high-silica powder production from coal fly ash via phase separation process

中国经济增长与城市化推动煤炭需求增长，煤灰（CFA）综合利用率低，含30%-60%二氧化硅。本研究采用热相分离-酸浸法，以B?O?为相分离剂处理CFA，系统优化参数并阐明机制，结果表明25wt% B?O?、1100℃、1h处理时金属去除率>95%，产硅纯度达97.22%，分子动力学模拟揭示了相分离机理。

　　

作者：江安|吴静文|曲博宇|傅泽刚|王天|季国昭

中国江苏省徐州市建筑技术职业学院建筑智能学院，邮编221100

摘要

在中国经济持续发展和城市化进程加速的双重推动下，国内对煤炭的需求和消费保持了稳定增长的趋势。因此，煤炭燃烧副产品的生产和储存量显著增加，尤其是煤粉灰（CFA），而其综合利用近年来进展有限。煤粉灰含有约30%-60%的SiO₂，是回收和提纯二氧化硅以用于高价值应用的重要资源。本研究采用热相分离-酸浸法去除CFA中的金属氧化物并提纯SiO₂，使用B₂O₃作为相分离剂。研究系统地探讨了CFA相分离和金属去除的最佳工艺参数，并阐明了相分离和金属迁移的机制。实验结果表明，在最佳条件下（B₂O₃添加量：25 wt%，温度：1100 °C，保持时间：1 h），金属氧化物的去除效率超过95%，获得了纯度为97.22%的高二氧化硅产品。分子动力学（MD）模拟提供了SiO₂-B₂O₃相分离过程的原子级见解。对Si和B原子坐标均方根偏差（RMSD）及径向分布函数（RDF）的分析证实，在冷却过程中高温下相分离迅速发生，这是在完全熔化和均质化之后的结果。本研究为CFA的资源化利用提供了一种新的方法。

引言

目前，煤炭仍然是世界上主要的初级能源之一，对发展中国家尤为重要（国际能源署，2022年）。根据统计数据（Shen等人，2025年），2023年化石燃料占全球能源消费的81.5%，其中煤炭占32%（Li等人，2023年）。此外，全球煤炭产量超过了90亿吨（Shen等人，2025年）。因此，作为发电过程中产生的副产品的煤粉灰（CFA）的产量持续居高不下。预计到2023年底，全球CFA产量将达到16.3亿吨，其中中国约占8.99亿吨（Kou等人，2025年）。由于其多样的矿物成分和成本效益，CFA在多个行业得到了应用。目前，CFA被广泛用作普通波特兰水泥的添加剂（Teixeira等人，2019年）。此外，它还作为合成地质聚合物的宝贵资源，这些聚合物可作为芬顿类似催化剂、有机吸附剂，并提供稀土元素的替代来源（Petrus等人，2022年）。然而，全球约30%的CFA未被利用，而是被倾倒在垃圾填埋场，这代表了资源的严重浪费和持续的环境管理挑战（Liu和Yang，2026年）。CFA含有砷（As）、钡（Ba）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、钼（Mo）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）等微量元素，这些元素对环境构成重大风险。通常，CFA中的这些微量元素浓度是原煤原料的4到10倍（Yao等人，2015年）。当CFA被堆放或悬浮在大气中时，会通过地表水或雨水渗出这些有害微量元素。这些污染物随后进入土壤系统，对植物生长和发育产生不利影响。如果渗出的污染物负荷超过土壤的自我净化阈值，将导致土壤成分、结构和生态功能的损害，最终可能造成耕地退化（Yang等人，2024年）。此外，从CFA中渗出的有毒金属会进入水体，通过污染农作物威胁农业生产，并通过食物链的生物积累对人类健康构成直接风险（Gollakota等人，2019年）。

目前，从CFA中去除金属元素的主要方法包括结晶、化学沉淀和溶剂萃取（Wang等人，2014年；Zhao等人，2023年；Rampou等人，2017年）。与这些方法相比，相分离技术由于能够破坏二氧化硅的稳定四面体网络结构，表现出更高的金属去除效率。此外，该技术还能同时产生高纯度的二氧化硅作为有价值的副产品。这种二氧化硅是合成高纯度玻璃、先进吸附剂和其他功能性材料的关键原料。因此，相分离技术为CFA的升级利用提供了巨大潜力。

然而，关于相分离的研究主要集中在玻璃制造领域。在金属去除方面，Xu等人（2016年）开发了一种在还原气氛下的相分离技术用于去除玻璃中的钠。该方法后来被应用于含铯的铅硼硅酸盐玻璃，通过还原热处理结合水浸法实现了66%的铯（Cs）提取率。Xing等人（2017年、2018年）利用碳热还原增强的玻璃相分离技术同时从阴极射线管（CRT）玻璃中去除有毒的铅（Pb），并生产出高纯度玻璃粉末，铅的去除率达到99.80%。此外，他们还通过相分离从废弃CRT面板玻璃中提取了重金属钡（Ba）和锶（Sr），通过重熔、相分离和酸浸回收了98.84%的Ba和99.38%的Sr。随后，Xing等人（2025年）报告称，相分离过程能够从煤粉灰中去除91.87%-98.25%的稀土元素。与传统方法相比，相分离方法无需溶解煤粉灰中的玻璃相，不仅避免了溶解玻璃相所需的大量碱性试剂的消耗，还避免了碱性处理过程长时间运行带来的高能耗问题，从而显著降低了处理成本。此外，该方法产生的富硅残留物是生产吸附剂材料（如吸附剂、分子筛及相关材料）的理想原料（Gao等人，2017年；Lei等人，2024年；Zhou等人，2025年）。

在本研究中，使用B₂O₃作为相分离剂处理CFA。确定了相分离的最佳参数，并通过模拟计算阐明了CFA的相分离机制。因此，主要目标是：（1）研究B₂O₃添加比例、热处理温度和保持时间对金属去除效果的影响。（2）对酸浸产物的全面表征提供了CFA和B₂O₃在相分离过程中的作用的初步见解。（3）利用分子动力学（MD）模拟探究热处理过程中SiO₂-B₂O₃系统的原子级结构演变和颗粒动态，提供分子尺度的基本见解。

材料

本研究使用的煤粉灰来自中国大连的一家燃煤电厂。CFA样品在105 °C下干燥24小时以去除吸收的水分。然后使用行星球磨机（300 r·min^-1，0.5 h）进行粉碎，并通过200目筛网过滤。CFA的扫描电子显微镜（SEM）照片和X射线衍射（XRD）图谱见图S1，其成分通过X射线荧光（XRF）确定，详见表S1。

工艺条件对相分离和金属去除的影响

为了促进CFA的相分离并增强相分离过程中的金属迁移，添加了不同比例的B₂O₃。在温度为1100 °C、保持时间为1小时的条件下，研究了B₂O₃添加对金属去除的影响。图1a显示了添加5 wt%–40 wt% B₂O₃后CFA中六种典型金属氧化物的去除情况。随着B₂O₃比例的增加，所有金属氧化物的去除率最初上升，随后趋于稳定。

结论

本研究采用热处理-酸浸法研究了从CFA中去除金属氧化物和提纯SiO₂的方法。使用B₂O₃作为相分离剂。系统地研究了B₂O₃添加比例、温度和保持时间对金属去除效率的影响。在B₂O₃添加量为25 wt%、温度为1100 °C、保持时间为1小时的条件下，金属氧化物的去除率超过95%。在加热过程中，B₂O₃降低了...

CRediT作者贡献声明

江安：撰写——初稿，研究。 吴静文：研究，正式分析。 曲博宇：方法学，研究，概念化。 傅泽刚：撰写——审稿与编辑，正式分析，数据管理，概念化。 王天：方法学。 季国昭：撰写——审稿与编辑，可视化，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢塔里木大学的校长研究基金[编号TDZKBS202547]的财政支持，同时也感谢大连理工大学的设备共享计划。