作為世界最大的煤炭產出國和消費國，我國每年對煤炭的消耗量足占全球的51.7%。照現在的形勢看，在未來長時間內我國仍會以煤炭為主要能源，如此一來一半以上的煤炭資源就會一直用于燃煤發電，這個過程中排放的大量粉塵和有害氣體都會對人及環境造成嚴重的危害。

為了避免這部分危害，對這些廢棄物進行二次利用是最好的解決途徑。比如說燃煤后產出的主要固體廢棄物粉煤灰，就可以通過提取其中的有用組分來創造可觀的經濟效益，同時也緩解了環境污染問題，可謂是一石二鳥！

粉煤灰

一、粉煤灰中的空心微珠

粉煤灰主要由SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等氧化物組成，并含有少量未燃炭殘渣。由于燃煤種類及燃燒條件的差異，粉煤灰中主要氧化物的含量變化范圍很大，主要氧化物的含量見下表。

粉煤灰主要氧化物含量范圍

其中，可被提取出來的有用組分有：空心微珠、磁珠、殘炭、氧化鋁和稀有金屬元素等。根據其物化性質差異，再利用選礦分離技術，就可以有效地將粉煤灰中有用組分提取出來。提取質后的粉煤灰可以用于建筑領域，工程效果更佳。

其中，空心微珠的形成過程如下：

爐膛內煤粉的燃燒是一個復雜的反應過程，包含多相態的變化階段。煤粉在爐腔內的整個過程時間很短暫，大約只有幾秒鐘。

煤中有三種物質：有機碳、晶體和無定形物質。煤在高溫作用下，有機成分燃燒，溫度隨之升高，導致熔點較低的已固化和部分熔融物質的分解、脫水、脫羥基和脫碳。在這一階段，產物主要由鋁硅酸鹽組成的非晶態玻璃相（29~90%）和一些結晶相組成。微晶混合物由石英、石灰、方鎂石、硬石膏、菱鐵礦、長石和鐵素體尖晶石（FeAl₂O₄）、莫來石、赤鐵礦、鋁酸鹽和鈣鐵氧體組成。

隨著對熔點較高的石英和長石等剩余組分的加熱，在固液相互作用下，會有新的礦物相形成，在這一階段，會有水泡狀、致密的球形顆粒生成。在1000~1200℃左右，在還原氣氛下含鐵量高的鋁硅酸鹽和鐵素體被熔化，還會出現低硅質硅礦石、鐵素體液相、鐵硅堿以及鋁硅酸鹽熔體的液滴。隨著溫度的進一步升高，已熔融的玻璃相會捕獲未熔融的單體石英顆粒并將其部分溶解，這一過程的發生，會使SiO₂/Al₂O₃比增加，會導致熔融體的黏度和表面張力的變化。

粉煤灰顆粒形成的過程示意圖

由于潤濕性參數和相互作用時間短，單個熔融小液滴合并成較大的液滴，而硅酸鹽和含氮熔融組分之間的熔融關系保持不變。在這一階段，會有空心微珠的形成。對于形成過程，提出了兩個假設：

1.最廣為接受的一種說法是，煤中有機物、碳酸鹽、硫化物、硫酸鹽、水硅酸鹽、氮的分解和孔隙水的蒸發形成了致密的氣體，這些氣體被困在熔融的微球中。氣體在高溫下的運動會使熔融微球液滴膨脹，最終形成不同粒徑的中空球形顆粒。

2.另種說法是，熔融液滴在爐膛高溫區時，熱煙氣可以滲透進中，熔融液滴在低溫區冷卻后，這些氣體仍舊留在其中，形成中空球形顆粒。凝固后，這些中空球形顆粒被稱為空心微珠。

二、提取空心微珠的方式

空心微珠是20世紀五、六十年代發展起來的一種中空的微米級圓球粉末狀超輕質無機非金屬材料，因性能優異，被譽為“復合材料之王”、“新時代的空間材料”、“魔粉”，是二十一世紀高端復合材料的主流品種，具有質輕、強度高、隔熱保溫、流動性好、耐腐蝕等諸多獨特的特點。

1973年在美國匹茲堡國際灰渣會議上，畢特華博士（B eclow）就論述了從粉煤灰中提取空心微珠的可能性，以及它的優良性能，而美國飛利特公司也由此開始著手開發粉煤灰空心微珠，并以商品的形式在市場上銷售。

空心微珠及粉煤灰中飄珠的形貌圖

而我國由于政策支持，對空心微珠的研究和應用也在逐年增強。其中，粉煤灰空心微珠因為原料豐富、變廢為寶、價格低廉等優勢，越發受到人們關注——畢竟人造珠售價高達300~500元/公斤，而從粉煤灰中提取的多用途空心玻璃微珠成本不超過0.05元/公斤，這真的很有誘惑力。

目前，從粉煤灰中提取空心微珠主要分濕選法和干選法。

①濕選法

濕選法需要利用大量的水資源，主要是利用空心微珠的可浮性從粉煤灰排放池的表面漂浮物中提取，不過分選出的空心微珠還需要烘干，因此對水資源以及電能的消耗較大。

例：李云凱等首先對電廠粉煤灰進行高壓沖洗預處理，使灰珠分離，然后利用空心微珠較好的可浮性進行浮選，進一步提純后得到產品。

楊久俊等采用水力旋流器分選提取粉煤灰空心微珠，微珠提取率在20~60%，分選分級粒度為28~250μm。

LiJ等報道了逆流分級機，分選原理基于終端末速度，顆粒終端末速度大于水流速度，顆粒在底流中，顆粒終端末速度小于水流速度，顆粒在溢流中。空心微珠的回收率可以達到78%。

濕法（左）和干法（右）粉煤灰空心微珠分選設備運行示意圖

②干選法

由于越來越多的電廠采用干排以保證粉煤灰的活性，因此干選法開始成為一種提取粉煤灰中空心微珠的有效手段。根據電廠排放粉煤灰的方式，可以選擇不同的分選方法對其進行有效回收。

例：李蔓球等報道了SFX-1型旋風分選器，顆粒在設備內部主要受離心力和氣流阻力共同作用，顆粒所受離心力大于氣流阻力時，顆粒下沉至底部排出，顆粒所受離心力小于氣流阻力時，顆粒經細灰出料口由氣流帶出。粉煤灰顆粒在分選室所受氣流阻力與離心力相等時，可求得分級粒度，通過調節氣流大小，可分選不同粒度的粉煤灰，分選產物中存在磁珠和碳粒等雜質組分。

Hirajima T等使用細川公司制造的微米分選器取得了不錯的效果，在給料量為170 kg/h，且給料中空心微珠含量為 20%時，對粉煤灰和空心微珠混合物的分選效果進行了測試，結果表明，理想條件下的空心微珠回收率為66%。同一團隊進行了進一步的研究，比較了微米分選器和氣動分選器，給料量為100 g/min，空心微珠的最大回收率為63%，分選效率低于微米級分選器。

三、粉煤灰空心微珠的應用

粉煤灰空心微珠主要由二氧化硅和金屬氧化物組成，具有質輕高強、耐高溫、絕緣性好等特性，廣泛應用于建筑行業、航空航天、耐火保溫和絕緣材料制造等領域。

①建筑行業

空心微珠是一種微小的球形顆粒，在混凝土混合物中起著微型球軸承的作用。由于球軸承效應，在常規混凝土混合料中加入空心微珠，當用量在1~5%之間時，可提高其性能。空心微珠的超細度也能提高混凝土的可拋光性和可擦洗性。此外，空心微珠對混凝土強度和密度也有積極的影響，因為它們表現為結構骨料，具有更好的充填性。

此外，空心微珠作為一種添加劑摻入混凝土時，由于其空心球形，還可以提供額外的隔音和隔熱效果。此外，空心微珠還有助于建筑用石膏、涂料和砂漿的隔熱（聲和熱）質量。

②復合材料

空心微珠具有的獨特性能，使其可以作為鋁、鎂、鉛等金屬基體（有色金屬）加固物或填充物。由于空心微珠具有低密度、高熔點和球形等特性，鋁復合材料中加入50～60%的空心微珠時，表現出有效的微觀結構。

空心微珠也可以用作許多聚合物復合材料的填料，如通過在聚酯基體中使用可控尺寸和改性空心微珠，可以制造輕質高強度聚酯材料；基體材料與空心微珠混合而成的合成泡沫材料具有吸濕性少、浮力好、強度高、抗損傷性和吸能性強等優點，可用于船舶，航空航天和汽車制造產品來承受高靜壓負載。

此外，用空心微珠制備陶瓷隔熱材料，能用于制造可重復使用的航天飛機陶瓷隔熱材料，保護航天飛機的主要結構。

③石油工業

空心微珠在石油工業中應用較為廣泛，如在有多種用途的鉆井過程中，空心微珠被用作鉆井泥漿的添加劑，它可以充分幫助鉆井，并增加鉆井設備的使用壽命。此外，空心微珠被用來制造井內膠結物，用來填充鑄件和井間的空間，以防止地下水的滲入或將不同的井分開。這些由空心微珠制成的油井水泥重量輕、價格便宜，具有高強度和隔熱等特性。以及空心微珠還可以作為輕質劑，減少循環過程中的水泥漏失，同時又足以抵抗井下條件。

④醫學工程

空心微珠在制藥工業中也被用作藥物的運輸劑。空心微珠體積小，形狀接近完美的球形，可作為藥物在人體中的輸送設備。目前，利用空心微珠治療癌癥的方法也被使用。在這種技術中，空心微珠微珠浸泡在釔的同位素（β輻射）中，然后注入人體，釋放輻射，導致腫瘤組織損傷。

資料來源：

粉煤灰空心微珠精細化分選方法研究，祁超。

粉煤灰資源化綜合利用研究進展及展望，李博琦，謝賢，呂晉芳，朱輝，黎潔，康博文，宋強。

空心微珠簡介，王勇，高勇，鐘家湘。

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