連水瑕，高新梅，溫振宇，李聰明

（太原理工大學(xué) 煤科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼鐵、能源、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量固體廢棄物，累積堆存量逐年遞增。這不僅占用土地，而且污染大氣、土壤、水體，最終危害人體健康，更是對資源的巨大浪費(fèi)［1-2］。因此，如何解決工業(yè)固體廢棄物的污染問題并實(shí)現(xiàn)其高效利用已成為引起關(guān)注的環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)問題。當(dāng)前工業(yè)固體廢棄物的主要處理方法為填埋，但該法會對土壤和地下水造成二次污染。除填埋外，工業(yè)固體廢棄物也應(yīng)用于基礎(chǔ)建材，如陶瓷、水泥、磚等［3-5］，以及農(nóng)業(yè)方面［6］。

工業(yè)固體廢棄物中含有豐富的氧化物，目前有較多研究關(guān)注于回收利用其中的CaO和Al2O3等，如：由高鋁粉煤灰回收Al和Li［7-8］，Al和Li的壓力萃取效率分別達(dá)到93%和98%；由赤泥回收Al2O3［9］，經(jīng)鈣化-碳化處理后Al2O3提取率達(dá)46.5%；由鋼鐵渣回收MgO和Al2O3，用于CO2封存等［10］。

工業(yè)固體廢棄物中也含有豐富的SiO2，對于其中SiO2的回收利用是目前一大研究熱點(diǎn)，如果可以在提取其他高附加值氧化物的基礎(chǔ)上提取其中的SiO2，無疑是一個(gè)經(jīng)濟(jì)節(jié)約、資源友好的選擇。目前此方面的研究有利用赤泥回收Si和Al［11］，粉煤灰回收Al2O3和SiO2［12-14］等，均是在提取Al2O3等金屬氧化物的同時(shí)聯(lián)產(chǎn)SiO2。SiO2可用作油漆涂料填充劑、塑料增黏劑和觸變劑、橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑以及合成硅脂的稠化劑等，還可用于制備白炭黑（水合二氧化硅）。根據(jù)產(chǎn)物中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，可將其劃分為不同品級的白炭黑。白炭黑用途廣泛，現(xiàn)有許多研究者將該種白炭黑用于吸附領(lǐng)域，取得了很好的吸附效果。

本文綜述了富含SiO2的硫酸鋁廢渣、黃磷爐渣、赤泥、高爐渣、粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物提取SiO2用于制備白炭黑的研究進(jìn)展，包括處理方法的總結(jié)、應(yīng)用前景的分析等，為工業(yè)固體廢物的綜合利用及其可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 含SiO2工業(yè)固體廢棄物的化學(xué)組成

含SiO2工業(yè)固體廢棄物的產(chǎn)生量很大且種類繁多，含有多種金屬氧化物和非金屬氧化物，如Al2O3，MgO，SiO2，P2O5等，其主要化學(xué)組成如表1所示［15-24］。

表1 含SiO2工業(yè)固體廢棄物的主要化學(xué)組成 w，%

由表1可以看出，硫酸鋁廢渣、黃磷爐渣、硫酸渣、鋼渣、高爐渣、赤泥以及粉煤灰中SiO2含量較高，適于作為制備白炭黑的原料。由于鋼渣一般用于回填工程、筑路、農(nóng)業(yè)以及生產(chǎn)水泥［6］，而硫酸渣一般用于制備鐵鹽產(chǎn)品、鐵系顏料、鐵基磁粉、鐵粉等［25］，故目前關(guān)于將鋼渣和硫酸渣用于制備白炭黑的研究報(bào)道較少。因此，本文主要總結(jié)了以硫酸鋁廢渣、黃磷爐渣、赤泥、高爐渣、粉煤灰工業(yè)固體廢棄物為原料制備白炭黑的研究進(jìn)展。采用的處理方法包括酸法［26］、堿法、酸堿聯(lián)合法、煅燒法等。

2 利用富含SiO2工業(yè)固體廢棄物制備白炭黑

2.1 硫酸鋁廢渣制備白炭黑

硫酸鋁廢渣主要礦物學(xué)成分為高嶺石、石英、石膏、銳鈦礦、鋁鐵礦和硫酸鋁［27］。目前硫酸鋁廢渣主要以堆填方式處置，占用土地且污染環(huán)境。要將硫酸鋁廢渣中的硅資源轉(zhuǎn)化為重要的化工原料和產(chǎn)品，如水玻璃、白炭黑、聚硅酸系列絮凝劑等，實(shí)現(xiàn)廢渣的資源化利用［28］，必須將硫酸鋁廢渣中的礦物學(xué)成分分解。利用硫酸鋁廢渣制備白炭黑的方法主要有高溫煅燒法和酸堿聯(lián)合法。

蔡會武［29］將硫酸鋁廢渣（Al2O3·2SiO2·2H2O）在650 ℃下煅燒，使廢渣中水合氧化鋁脫水脫羧，晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化得到γ-Al2O3。γ-Al2O3具有良好的化學(xué)性質(zhì)，易與酸發(fā)生反應(yīng)。采用20%（w）鹽酸于90 ℃下浸取40 min即可將Al2O3，F(xiàn)e2O3，TiO2等有色雜質(zhì)分離，得到純度高于94%、白度大于90%的白炭黑產(chǎn)品，加熱減量等指標(biāo)也均達(dá)到了相關(guān)白炭黑國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可用作橡膠和塑料的補(bǔ)強(qiáng)填充劑等，大幅提高了資源利用率［29］。TAN等［30］也利用煅燒法處理酸性硫酸鋁廢渣，證實(shí)了煅燒溫度在300～400 ℃之間時(shí)出現(xiàn)了無定型SiO2相，當(dāng)煅燒溫度超過600 ℃時(shí)，酸性硫酸鋁廢渣分解出Al2O3組分；在500～600 ℃的煅燒溫度下，Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)30%。由于硫酸鋁廢渣中Al主要以高嶺土礦物形式存在，而提取高嶺土中Al一般利用高溫煅燒法，該方法不僅能耗高且對設(shè)備要求嚴(yán)格。

黃文足等［16］采用酸堿聯(lián)合法處理硫酸鋁廢渣。首先利用濃硫酸在較溫和的反應(yīng)溫度下（150～180 ℃）破壞硫酸鋁廢渣的水合結(jié)構(gòu)得到可溶性硫酸鹽及SiO2的殘?jiān)?，水溶殘?jiān)墒笰l2O3溶解，去除率達(dá)90%以上，分離所得濾渣，利用NaOH制備水玻璃，溶解回收其中的SiO2，回收率達(dá)90%以上；再采用乙酸乙酯作中和酸，制得硅凝膠，利用溶膠-凝膠法輔以正丁醇共蒸餾得到粒徑為10～20 nm的白炭黑。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于利用溶膠-凝膠法進(jìn)行制備，較沉淀法更利于控制粒徑的尺寸，而加入正丁醇共蒸餾脫水可以抑制二次粒子在脫水、烘干過程的團(tuán)聚，進(jìn)一步有效控制產(chǎn)物粒徑，從而得到粒徑較小的納米白炭黑。

酸堿聯(lián)合法較酸法操作更復(fù)雜，但生產(chǎn)的白炭黑品質(zhì)更高，粒徑小且純度高，并且較高溫煅燒更加節(jié)能經(jīng)濟(jì)。目前酸堿聯(lián)合法和酸法這兩種方法均被使用，其中酸堿聯(lián)合法具有更好的發(fā)展前景。

2.2 黃磷爐渣制備白炭黑

黃磷爐渣是電爐法生產(chǎn)黃磷時(shí)產(chǎn)生的固體廢棄物，主要化學(xué)成分是無定型硅酸鈣，相較將其用于生產(chǎn)水泥、混凝土、磷渣磚、硅鈣肥等，分離提取其中SiO2和CaO［31］的利用價(jià)值更高［17，32］。目前酸法和酸堿聯(lián)合法是黃磷爐渣制備白炭黑的兩種主要方法。

ABISHEVA等［33］利用硝酸處理黃磷爐渣，在稀土金屬、鈣、鋁、鐵的回收率分別為85.0%，98.0%，80.7%，11.8%的同時(shí)可以得到無定型SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%～85%的濾餅。黃禮麗等［34］利用鹽酸浸取黃磷爐渣制備白炭黑，并使用正丁醇調(diào)節(jié)產(chǎn)品粒度。在溫度60 ℃、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的條件下向60 mL鹽酸溶液中滴加1.5 mL正丁醇，制得白度67.1%、產(chǎn)率62.5%、平均粒徑70～90 nm的白炭黑產(chǎn)品。但該研究僅是利用黃磷爐渣粗制白炭黑，缺少后續(xù)的精制過程。唐麗平等［35］首先采用磷酸浸取黃磷爐渣，同樣加入適量正丁醇調(diào)節(jié)粒度，再采用稀硝酸進(jìn)行精制，從而得到白度90%以上、平均粒徑40～50 nm的白炭黑產(chǎn)品，較上一研究得到的白炭黑品質(zhì)更高。對應(yīng)的磷酸處理?xiàng)l件為磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%、反應(yīng)溫度90 ℃、向60 mL硝酸溶液中滴加3滴正丁醇；對應(yīng)的硝酸處理?xiàng)l件為硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、反應(yīng)時(shí)間3 h、反應(yīng)溫度70 ℃。

對于酸堿聯(lián)合處理法，ABISHEVA等［36］首先利用Na2CO3溶液回收SiO2，再進(jìn)行碳酸化實(shí)現(xiàn)SiO2沉淀。在Na2CO3溶液質(zhì)量濃度為250 g/L、SiO2質(zhì)量濃度為25 g/L、溫度為50 ℃、pH為6.0～6.5的條件下，SiO2的回收率可達(dá)90%。宋佳［17］采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)考察了各因素對制備白炭黑的影響程度，其大小順序?yàn)椋合跛狍w積分?jǐn)?shù)＞黃磷爐渣粒度＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時(shí)間＞液固比＞攪拌轉(zhuǎn)速，對應(yīng)的最優(yōu)條件依次為：140%，150 μm，75℃，110 min，12.5∶1，300 r/min，得到的白炭黑粗品白度為71.4%，純度為96.2%。白炭黑的精制選用NaOH溶液堿浸及稀硝酸調(diào)節(jié)pH的方法，最優(yōu)反應(yīng)條件為NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.5%、液固比12.5∶l、反應(yīng)溫度85 ℃、反應(yīng)時(shí)間60 min、攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min，產(chǎn)率為80.3%，產(chǎn)品白度為96.2%、純度為99.3%。粗制過程的硝酸浸出液中富含Ca（NO3）2，利用Ca（OH）2除去浸出液中鐵、鋁、鎂等雜質(zhì)，可以得到Ca（NO3）2純度為99.94%的產(chǎn)品。這樣既得到了白炭黑，也得到了品質(zhì)較高的副產(chǎn)品Ca（NO3）2。

利用酸處理黃磷爐渣制備白炭黑，無論是粗制還是精制，在最優(yōu)條件下得到的白炭黑的品質(zhì)均低于利用酸堿聯(lián)合處理法得到的白炭黑的品質(zhì)。因此，要得到品質(zhì)較高的白炭黑，酸堿聯(lián)合法是一個(gè)較優(yōu)的選擇。

2.3 赤泥制備白炭黑

赤泥是鋁工業(yè)中最主要的固體廢棄物，由拜耳石（Na8Al6Si6（OH）24CO3）、未反應(yīng)的薄水鋁石（γ-AlO（OH），赤鐵礦（Fe2O3）、Al2O3、石英（SiO2）和TiO2組成［37］，主要用于生產(chǎn)建筑材料、陶瓷、吸附劑、新型功能材料和回收鐵、鋁、鈦、鈉、稀有金屬等［38-39］。利用赤泥制備白炭黑的方法主要有酸法和酸堿聯(lián)合法。

王克勤等［40］對赤泥的鹽酸浸出液進(jìn)行了脫硅處理，由于硅在鹽酸浸出液中的主要存在形式為硅酸，而硅酸在低pH下，由于陰離子的水解以及羥基上氧的配合作用和縮聚作用，會縮聚成硅酸溶膠或凝膠，阻礙固液分離，從而影響脫硅效果。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高pH下影響脫硅效果因素的強(qiáng)弱順序依次為脫硅溫度、脫硅時(shí)間、晶種加入體積分?jǐn)?shù)、靜置時(shí)間（室溫下），脫硅率最高可達(dá)94.12%，對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件為脫硅溫度80 ℃、脫硅時(shí)間7 h、晶種加入體積分?jǐn)?shù)1%、靜置時(shí)間24 h。

LI等［11］利用赤泥分離出磁性材料Fe2O3和非磁性材料TiO2以及SiO2，Na2O，Al（OH）3等。在鈉鹽環(huán)境中進(jìn)行赤泥還原以及磁性材料分離，非磁性材料利用硫酸溶液浸出。在溫度30 ℃、液固比10∶1、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%、鈉鹽存在的條件下，Al和Si的提取率分別為98.6%和95.9%。非磁性材料浸出效率在鈉鹽存在條件下較無鈉鹽條件下有所提高，原因是鈉鹽存在下還原焙燒過程中Al2O3和SiO2組分同時(shí)被活化，鐵礬石和石英轉(zhuǎn)化為鋁硅酸鈉，而鋁硅酸鈉在硫酸中具有良好的溶解度，Al2O3、Na2O和SiO2組分被過濾分離。

利用赤泥制備白炭黑一般有酸法和酸堿聯(lián)合法，酸堿聯(lián)合法對赤泥的脫硅效果更佳。酸法僅利用酸刻蝕赤泥中金屬氧化物從而使SiO2富集，而酸堿聯(lián)合法首先在鈉鹽環(huán)境中將磁性材料與非磁性材料進(jìn)行分離，達(dá)到粗分SiO2的效果，再進(jìn)行酸處理以達(dá)到更高的脫硅效果，因此較酸法具有更好的應(yīng)用前景。

2.4 高爐渣制備白炭黑

高爐渣微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是以硅氧四面體［SiO4］通過聚合作用相互連接而成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［41］。XRF和XRD分析表明，高爐渣是由Ca（43.4%（w）為CaO）、Si（37.7%（w）為SiO2）、Al（13.4%（w）為Al2O3）等組成的無定型相，因此利用高爐渣制備白炭黑較為困難［42］。目前利用高爐渣制備白炭黑的方法主要有酸法和酸堿聯(lián)合法。

針對高爐渣復(fù)雜的致密結(jié)構(gòu)，ABD ELMAGIED等［21］利用3 mol/L鹽酸在100 ℃下反應(yīng)2 h以提取SiO2，分解高爐渣致密的結(jié)構(gòu)并浸出其中的金屬元素，過濾分離得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于97%的SiO2，圖1為其制備及改性路線。FAKHAR等［43］首先在105 ℃空氣中煅燒高爐渣2 h以除去有機(jī)成分，再利用不同濃度的過量硝酸處理高爐渣以除去金屬元素，制得比表面積為303.83 m2/g的SiO2并回收純度為98%的CaO。KIM等［44］利用過量60%～62%的硝酸處理高爐渣，高爐渣與硝酸的質(zhì)量比為1∶4，反應(yīng)時(shí)間為1 h，水洗并于200 ℃烘干可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)98.87%、平均粒徑240.38 nm的SiO2（路線圖見圖2）。SEGGIANI等［45］利用硫酸浸取粒徑小于0.6 mm的高爐渣以回收硅膠，用含0.136 mol硫酸的133 mL水溶液處理10 g爐渣，然后在pH為3.2、酸浸時(shí)間為1 h的條件下制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的SiO2。

圖1 由高爐渣制備硅膠及改性的路線圖

圖2 由高爐渣制備納米SiO2和Ca（NO3）2的路線圖

DHMEES等［46］利用酸堿聯(lián)合法處理高爐渣制備白炭黑。首先將高爐渣在120 ℃利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaOH溶液處理，50 ℃水洗分離后得到的濾液再經(jīng)蒸發(fā)得到硅酸鈉溶液，然后利用硫酸調(diào)節(jié)pH得到硅膠，120 ℃烘干后即可得到白炭黑產(chǎn)品，且純度接近100%。

利用高爐渣制備白炭黑大多采用酸法，也有采用酸堿聯(lián)合法的研究。酸法處理高爐渣操作更簡單且制備的白炭黑品質(zhì)較高，因而應(yīng)用廣泛；酸堿聯(lián)合法所使用的試劑種類多但濃度較低，雖操作復(fù)雜可但節(jié)能減排，并且制備的白炭黑純度高，具有更好的發(fā)展前景。

以高爐渣為原料制備得到的白炭黑比表面積較大，在已有的許多研究中多將其利用表面活性劑等進(jìn)行改性后作為吸附劑［21，46］使用。ABD ELMAGIED等［21］利用98%的硫酸對以高爐渣為原料制備得到的白炭黑進(jìn)行200 ℃高溫活化，得到了磺化介孔SiO2。如圖3［21］所示，U吸附在該改性SiO2表面，帶負(fù)電荷的磺酸基與鈾酰陽離子（UO22+）的U原子發(fā)生靜電作用，其O原子指向溶液相，O原子的非成鍵自由電子對與鈾酰陽離子的U原子結(jié)合形成鈾酰鏈。研究發(fā)現(xiàn)，該材料從硫酸、鹽酸和硝酸介質(zhì)中吸附U的最大吸附容量分別為48.75，63.74，73.8 mg/g（以U原子計(jì)）。

圖3 硝酸和鹽酸介質(zhì)中U的吸附機(jī)理

2.5 粉煤灰制備白炭黑

粉煤灰是一種在煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的會對環(huán)境造成污染的工業(yè)副產(chǎn)物，主要用作輕骨料、礦山回填材料、道路底基層材料、低成本吸附劑（去除有機(jī)化合物、煙氣和金屬）以及沸石合成原料等［47-48］，其主要組成為莫來石、石英和無定形態(tài)物質(zhì)，Si元素主要存在于這些惰性物質(zhì)的晶格中，因而提取難度較大［49］。目前對于從粉煤灰提取SiO2制備白炭黑已有較多研究，并且取得了不錯(cuò)的研究成果［50-53］，主要方法有煅燒法、酸法、堿法以及酸堿聯(lián)合法。

徐子芳等［14］利用低溫煅燒法從粉煤灰中提取SiO2，將粉煤灰和碳酸鈉按一定比例混合后在800℃下保溫反應(yīng)2 h，燒結(jié)產(chǎn)物經(jīng)冷卻后加入適量鹽酸，即可得到硅膠，再經(jīng)多次洗滌后可獲得純度為99.9%、比表面積為374 m2/g的白炭黑。

唐云等［12］利用酸法進(jìn)行粉煤灰制備Al2O3聯(lián)產(chǎn)SiO2的研究，在酸浸過程中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氟化銨助浸劑以破壞粉煤灰中鋁硅玻璃體和莫來石結(jié)構(gòu)，從而使鋁硅網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榛钚凿X硅溶于水中。研究中Al2O3的提取率達(dá)到98.68%，并且在提取Al2O3的同時(shí)得到了SiO2含量更高的殘?jiān)?，?shí)現(xiàn)了SiO2的富集，達(dá)到了制備Al2O3聯(lián)產(chǎn)富含SiO2濾餅的目的。

何文斌等［54］利用堿法進(jìn)行粉煤灰制備白炭黑的實(shí)驗(yàn)，將粉煤灰與純堿混合后進(jìn)行焙燒，用堿溶解焙燒后的殘?jiān)^濾后得到的濾液用鹽酸滴定，在pH為8、沉積溫度為80 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min、沉積時(shí)間為4 h的條件下，可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%～82%、比表面積為75～115 m2/g的含鋁白炭黑。

由于粉煤灰中Si和Al的含量較高，為排除其他微量元素的影響，利用粉煤灰制備白炭黑一般需經(jīng)多次處理，首先將Al除去，再利用堿溶液提取Si得到水玻璃，進(jìn)而酸溶得到SiO2［55］。胡將軍［56］利用酸堿聯(lián)合法處理粉煤灰制備白炭黑，首先使用鹽酸浸出粉煤灰中Al2O3成分，剩余殘?jiān)肗aOH熱解，得到水玻璃溶液后加酸和鹽進(jìn)行沉析，得到SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.1%的白炭黑。蔣訓(xùn)雄等［13］以高鋁粉煤灰為原料，采用酸堿聯(lián)合法回收Al2O3和SiO2。如圖4所示：首先通過濃硫酸熟化得到高硅渣，然后將高硅渣進(jìn)行低溫堿浸得到含硅堿浸液，在堿浸溫度為95 ℃時(shí)，硅的浸出率為96.25%。GONG等［57］也是利用酸堿聯(lián)合法處理粉煤灰提取SiO2，與其他研究不同的是，該研究首先利用物理活化法提高玻璃相中Al2O3和SiO2的反應(yīng)活性，然后利用鹽酸溶解Al2O3再利用NaOH溶液提取SiO2，在物理活化的條件下，粉煤灰的脫硅效率可從38.4%提高到53.2%。

圖4 酸堿聯(lián)合法回收粉煤灰中Al2O3和SiO2的工藝流程

APHANE等［58］比較了酸堿聯(lián)合處理與直接堿處理對粉煤灰提取SiO2的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：兩種方法均可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.3%以上的SiO2納米顆粒；相較直接堿處理，酸堿聯(lián)合法由于先使用硫酸優(yōu)先提取Al元素再使用NaOH溶液提取Si元素，得到的納米SiO2純度高達(dá)99.9%，目前已用于催化劑載體研究。

與其他幾種工業(yè)廢渣不同的是，粉煤灰中Al2O3含量較高，而Al2O3是兩性氧化物，故利用粉煤灰制備白炭黑的方法較多。其中：酸堿聯(lián)合法多采用先堿后酸的方法，不僅可以減少酸的使用量，節(jié)能減排，而且不會影響白炭黑的品質(zhì)，目前應(yīng)用最為廣泛；酸法是一種傳統(tǒng)的粉煤灰處理方法，雖技術(shù)成熟，但酸使用量大，易腐蝕設(shè)備，并且助浸劑會產(chǎn)生HF；堿法易造成堿液使用量大以及堿二次污染；酸法和堿法均會導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染；煅燒法操作簡單，生產(chǎn)過程無污染且制備的白炭黑純度高，但高溫煅燒耗能較大。從以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，綜合考慮操作的簡易、對環(huán)境的污染以及對資源的浪費(fèi)等方面，酸堿聯(lián)合法具有更好的發(fā)展前景。

以粉煤灰為原料制備得到的白炭黑比表面積也較高，在已有的許多研究中利用表面活性劑等對其進(jìn)行改性后作為吸附劑［52］使用。WANG等［53］以粉煤灰為原料，采用新型界面共水解-縮聚法制備了偕胺肟基化介孔SiO2納米球，其吸附U的機(jī)理如圖5所示。U（Ⅵ）通常以UO22+形式存在于水溶液中，它具有線性結(jié)構(gòu)，孤對電子在垂直于軸的平面上接受配體形成配位鍵，而氧基O原子和氨基N原子均含有未成鍵的孤對電子，與UO22+之間存在強(qiáng)絡(luò)合作用，能與UO22+形成穩(wěn)定的配合物從而實(shí)現(xiàn)對U的吸附。

圖5 偕胺肟基化介孔SiO2納米球吸附U的機(jī)理

從以上工業(yè)固體廢棄物制備白炭黑的研究中可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)固體廢棄物均含有豐富的金屬氧化物和SiO2，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，處理方法有高溫煅燒法、酸法、堿法和酸堿聯(lián)合法。高溫煅燒法對溫度及設(shè)備要求很高，反應(yīng)條件嚴(yán)苛；酸法一般需要過量的較高濃度的酸刻蝕工業(yè)固體廢棄物中的金屬氧化物從而分離得到SiO2，較高溫煅燒法條件溫和；酸堿聯(lián)合法是利用酸溶液初步處理工業(yè)固體廢棄物，溶解部分CaO，MgO，Al2O3等金屬氧化物，再利用NaOH溶液溶解濾渣制得水玻璃，進(jìn)而提取SiO2。酸法的步驟簡單，酸堿聯(lián)合法雖然步驟多，但條件更加溫和，適用于一些對反應(yīng)條件要求較低的設(shè)備及工廠，具有更好的發(fā)展前景。

3 存在的問題和建議

以富含SiO2工業(yè)固體廢棄物為原料制備白炭黑是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)約、環(huán)境友好的廢渣資源化利用方法，因而受到廣泛關(guān)注。但仍存在一些需要解決的問題：1）在提取白炭黑的同時(shí)，沒能完全實(shí)現(xiàn)含金屬離子廢液中金屬元素的有效回收利用，從而造成資源的浪費(fèi)［7，59］；2）在保持白炭黑高品質(zhì)的條件下，需要進(jìn)一步簡化提取工藝及降低能耗和成本，擴(kuò)展其利用途徑；3）在利用工業(yè)廢渣制備白炭黑的過程中往往使用酸或堿作為浸出劑，不僅浪費(fèi)資源且后續(xù)需對廢液進(jìn)行處理后排放以避免對環(huán)境造成二次污染［60-61］，這也會帶來經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

在廢液中金屬元素提取方面，可以利用堿溶液將其中金屬離子進(jìn)行分步沉淀以達(dá)到回收金屬元素的目的，例如含Ca元素較多的廢液可以利用Ca（OH）2沉淀其他金屬離子從而有效回收Ca等；在工藝簡化方面，針對不同的工業(yè)固體廢棄物的氧化物組成及其鍵合方式探索SiO2與金屬氧化物的相互作用，從而優(yōu)化工藝流程；在節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境方面，應(yīng)先采用工業(yè)廢酸浸提工業(yè)固體廢棄物中的Ca，Mg等元素，從而降低酸用量，對于酸處理后廢液可以進(jìn)行簡單沉淀提取Fe，Al等金屬元素，或通過pH調(diào)節(jié)制備絮凝劑用于污水處理等。

4 結(jié)語

a）部分工業(yè)固體廢棄物中富含SiO2，利用這些工業(yè)固體廢棄物制備白炭黑實(shí)現(xiàn)了其綜合利用，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的選擇。

b）由于各工業(yè)固體廢棄物的氧化物含量不盡相同，且SiO2與各金屬氧化物之間的相互作用不同，因此利用其制備白炭黑的方法也不同，大致可分為煅燒法、酸法、堿法以及酸堿聯(lián)合法。

c）部分利用工業(yè)固體廢棄物制得的白炭黑已達(dá)到相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可作為橡膠和塑料的補(bǔ)強(qiáng)填充劑以及吸附劑等，其中利用粉煤灰制得的納米白炭黑純度達(dá)99.9%，將其應(yīng)用于催化劑載體的研究正在進(jìn)行中。