1、粉煤灰中的晶體礦物
玻璃體通常是粉煤灰的主要組成部分，但晶體物質的含量有時也比較高，范圍在11% ～ 48% 之間。主要晶體相物質有莫來石、石英、赤鐵礦、磁鐵礦、鋁酸三鈣、黃長石、默硅鎂鈣石、方鎂石、石灰石等，在所有晶相中莫來石所佔比例最大，可達到總量的6% ～ 15% ，此外粉煤灰中還含有未燃盡的炭粒 ( 錢覺時，2002) 。
表 4. 1 是 Rohatgi 等 ( 1995) 列出的粉煤灰中可能的晶體礦物，其中高鈣粉煤灰中的礦物要比低鈣粉煤灰中的礦物復雜得多。Vassilev 等 ( 1996) 對保加利亞 11 個熱電廠煤灰 ( 包括飛灰、底灰、結渣和儲灰池灰) 的研究識別出礦物和其他物相多達 71 種，其中絕大多數含量都在 1% 以下，含量為 1% ～ 10% 的主要是石英、高嶺石、長石、磁鐵礦、赤鐵礦、硬石膏和炭粒，含量在 10% 以上的主要是莫來石和玻璃體。我國粉煤灰的物相及組成范圍見表 4. 2。
Vassilev 等 ( 1996，2003) 將粉煤灰中礦物或相的成因分為 3 種: 原生成因 ( prima-ry) 、次生成因 ( secondary) 和後生成因 ( tertiary) 。
原生成因是指原來存在於煤中的礦物或相，在煤的燃燒過程中未經歷任何相的轉變;次生成因是指在煤燃燒過程中形成的新礦物或相; 後生成因則是指粉煤灰在經水處理、乾燥、存儲和運輸過程中形成的新礦物或相。根據 Vassilev 等 ( 1996，2003) 的研究，粉煤灰中的礦物和相主要為次生 ( 包括各種硅酸鹽、氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽、炭粒和玻璃體) ，少量為原生 ( 包括部分硅酸鹽、氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽) ，後生的數量為最少 ( 常見的是硫酸鹽、碳酸鹽和氯化物) 。這種差異主要與煤中礦物種類、數量、燃燒條件和後期處理方式有關。在粉煤灰的常見礦物中，石英、長石、方解石、磷灰石一般都是原生成因，而莫來石、磁鐵礦、赤鐵礦、硬石膏基本屬於次生成因，後生礦物主要是石膏。粉煤灰中的原生礦物主要以分散的粒狀和集合體出現，次生礦物主要存在於玻璃體或玻璃體的外表面以及炭粒孔隙之中，而後生礦物則主要以集合體的形式存在。
表 4. 1 粉煤灰中的晶體礦物組成
( 據Ｒohatgi 等，1995)
表 4. 2 我國粉煤灰的物相組成及范圍
許多研究人員都曾經詳細研究過煤燃燒過程中的礦物轉化及其機理，Huffman 等( 1991) 對美國 18 種煤的高溫特性進行了研究，給出的 FeO-SiO2-Al2O3平衡相圖 ( 圖4. 1) 說明，煤灰中礦物整體上位於莫來石區域，在富鐵區域首先發生熔融，液相也可能是在富鐵共熔區域內首先形成的。粉煤灰在 CaO-SiO2-Al2O3相圖中的位置主要位於莫來石、鈣長石區域 ( 圖 4. 2) ，由於 CaO 的存在及含量變化較大，所以也會存在鈣黃長石、石膏以及石灰石等礦物 ( Mollah 等，1999) 。
圖 4. 3 顯示不同礦物及其含量隨溫度的變化情況 ( Huffman 等，1991) ，大約在 900℃以下，樣品中所觀察到的礦物基本上都能與煤中的礦物相對應。方鐵礦和富鐵的鐵酸鹽相主要來自富鐵礦物，如黃鐵礦、菱鐵礦和硫酸鐵等。900℃以下時玻璃體中的鐵含量正比於含鉀黏土礦物和煤中伊利石中鐵的含量，通常認為這是由於在 K2O-SiO2-Al2O3相圖中有很多低熔點的共熔區域。在 900 ～ 1000℃之間，方鐵礦和其他富鐵氧化物將會和石英、高嶺石發生反應而熔融。在 1000 ～ 1200℃之間，由於鐵尖晶石和鋁酸鐵等的形成，鐵的這種熔融反應停止，超過 1200℃所有的鐵將會與液態的硅酸鹽結合。
圖 4. 1 FeO-SiO2-Al2O3相圖( 陰影為粉煤灰區域)
圖 4. 2 CaO-SiO2-Al2O3相圖( 陰影為粉煤灰區域)
圖 4. 3 煤灰礦物含量隨溫度的變化曲線
Spears ( 2000) 對英國煤燃燒過程中黏土礦物的轉化行為也做過詳細研究，他認為粉煤灰中的莫來石主要來源於煤中高嶺石礦物的轉化，而粉煤灰中的玻璃相和空心微珠主要得益於煤中的伊利石礦物。我國學者邵靖邦等 ( 1996) 也詳細給出了煤中 12 種礦物在不同溫度下的化學反應及其礦物相。盛昌棟等 ( 1998) 綜合國內外研究成果評述了煤中含鐵礦物在煤粉燃燒過程中的行為。不同人給出的化學反應式基本一致，存在的差異主要是礦物轉變過程中的溫度問題。
Demir 等 ( 2001) 根據多人研究成果列出煤中礦物不同溫度下的化學反應及其礦物相轉變如下:
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
高鋁粉煤灰的物相組成與普通粉煤灰也有很大差別。XRD 分析 ( SIROQUANT 軟體)表明，准格爾電廠高鋁粉煤灰中含有 55. 2% 的玻璃相和 44. 8% 的結晶礦物相，結晶礦物主要為 35. 6%莫來石和 8. 4%剛玉，另有次要礦物 0. 5%方解石、0. 2% 石英和 0. 2% 金紅石 ( 表 4. 3; 圖 4. 4，圖 4. 5) 。
表 4. 3 XRD 和 SIROQUANT 軟體測得的高鋁粉煤灰物相組成 ( %)
莫來石和剛玉均為煤燃燒過程中形成的二次礦物相，特別是剛玉相在普通粉煤灰中幾乎難以尋覓，但在准格爾電廠高鋁粉煤灰中高達 8. 4%，這種情況十分少見。
莫來石礦物含量高達 35. 6%，也比普通粉煤灰中常見的含量 20% 左右高出許多。粉煤灰中高含量的莫來石主要來源於煤中豐富的高嶺石在高溫下的分解和轉化產物; 莫來石的另一來源途徑是，煤中豐富的勃姆石礦物失水轉變為 γ-Al2O3再與高嶺石分解產生的非晶態 SiO2反應生成莫來石。剛玉則主要來自煤中勃姆石礦物失水後的晶體轉化。
粉煤灰中極其少量的石英主要是原生 ( primary) 或次生 ( secondary) 礦物。在普通粉煤灰中石英是最常見的礦物 ( Vassilev 等，1996) ，呈多角形到渾圓狀 ( 熔點 1713℃，軟化溫度≥1300℃) 。石英在准格爾電廠高鋁粉煤灰中含量極少，與電廠爐前煤中石英含量很少有關 ( 邵龍義等，1996) ，也說明准格爾電廠高鋁粉煤灰中的石英主要為原生殘余礦物。
粉煤灰中的金紅石主要是原生礦物 ( 熔點 1827℃) ，但 Vassilev 等 ( 1995) 認為，若煤中礦物含有銳鈦礦時也可以次生形成。從爐前煤礦物組成看 ( 邵龍義等，1996) ，准格爾電廠粉煤灰中的金紅石應為原生礦物。
圖 4. 4 准格爾電廠高鋁粉煤灰 XRD 圖譜
圖 4. 5 測定的 ( 上) 和計算的 ( 中) XRD 圖譜及其二者之間的差分 ( 下)
粉煤灰中的方解石主要是原生或後生 ( Tertiary) 的，幾乎沒有次生成因的，當溫度低於 700 ～ 950℃ 時，較粗顆粒的方解石可能出現不完全分解而殘留下來 ( Vassilev 等，1996) 。
趙蕾 ( 2007) 測得准格爾電廠高鋁粉煤灰樣品中的主晶相和玻璃相含量與我們的研究結果基本一致，且莫來石含量在飛灰中明顯高於底灰，而燒失量則與之相反 ( 表 4. 4) ;利用 120、160、300、360 和 500 目分級篩將准格爾電廠高鋁粉煤灰按粒度分為 6 級，測得不同粒度段粉煤灰中的礦物相和玻璃相含量見表 4. 5。
表 4. 4 准格爾電廠燃煤產物的物相組成
( 據趙蕾，2007)
表 4. 5 准格爾電廠不同粒度粉煤灰的物相組成
( 據趙蕾，2007)
目數表示每平方英寸上的孔的數目，目數越大，孔徑越小。目數與微米之間的對應關系可查相關資料獲得。
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
從表 4. 5 可以看出，莫來石和剛玉相含量隨粉煤灰粒度減小其含量增多，而玻璃相含量則相應減少; Goodarzi ( 2006) 研究加拿大火電廠普通粉煤灰時發現，同一電廠布袋除塵器收集到的飛灰顆粒粒徑小於靜電除塵器，並且前者飛灰中的莫來石含量高於後者，因此推斷莫來石更多地聚集於細顆粒中。將磁性飛灰與非磁性飛灰相比，非磁性飛灰中的莫來石和剛玉相含量明顯高於磁性飛灰，而含鐵礦物明顯出現在磁性飛灰中 ( 表 4. 6) 。
表 4. 6 准格爾電廠磁性和非磁性飛灰的物相組成
( 據趙蕾，2007)
下面對准格爾電廠高鋁粉煤灰中主要礦物的形成機理作詳細探討。
( 1) 莫來石
莫來石是在 Al2O3-SiO2二元相圖中唯一穩定的結晶硅酸鹽，具有極好的化學穩定性，典型化學成分為 3Al2O3·2SiO2，但實際上莫來石的成分可以從 3Al2O3·2SiO2到 2Al2O3·SiO2連續變化。眾多的研究結果表明，莫來石並非一個固定的化學組成，它不僅有經典的 3 ∶2 型莫來石 ( α-莫來石) ，也有 2∶1 型莫來石 ( β-莫來石) ，還存在 1∶1 過渡型莫來石。莫來石的通式可以表示為: Al4 + 2xSi2 － 2xO10 － x，其中 x 表示單位晶胞中的氧空位，0≤x≤1，氧空位是由於莫來石晶格中的兩個硅原子被兩個鋁原子替代所致: O2 －+ 2Si4 +→2Al3 ++ □， 見圖 4. 6。
圖 4. 6 莫來石結構沿 ( 001) 面的投影( 引自 Ban 等，1992)
就結晶學觀點來說，莫來石的晶體結構符合最終組成硅線石 ( x = 0) 和具有莫來石結構的氧化鋁 ( x =1) 之間的任何結構。實際上，在 1 atm下，硅線石和莫來石之間以及莫來石與具有莫來石結構的氧化鋁之間分別存在非混熔區域，莫來石固熔體僅存在於組成為 x =0. 2 和 x =0. 6 之間，相當於莫來石的 Al2O3含量為 58 mol% 和 75 mol% ( Schnei-der 等，1990) 。燒結 3∶2 型莫來石 x = 0. 25，Al2O3≈72%; 電熔 2∶1 型莫來石 x = 0. 40，Al2O3≈78%; 經有機或無機先驅粉在 < 1000℃ 合成條件下經熱處理得到的化學莫來石( x > 0. 80，Al2O3> 90% ) 也 已 經 得 到 證 實 ( Schneider 等，2008 ) 。我國學 者 高 振 昕 等( 2002) 也指出，介穩態高鋁莫來石 x = 0. 57。
粉煤灰中的莫來石主要來源於煤中的黏土礦物，特別是高嶺石礦物，因為高嶺石在3 種常見的黏土礦物中 Al2O3/ SiO2質量比最高，為 0. 85 ( 41% Al2O3，48% SiO2，11%H2O) 。
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
根據任國斌等 ( 1988) 的資料，高嶺石加熱到 700 ～800℃時，結構中的 ［OH］ 以水的形式分解脫失，形成偏高嶺石; 繼續加熱到 950℃，偏高嶺石轉變為莫來石和非晶質SiO2，這些非晶質 SiO2在更高的溫度下可以轉變為方石英。由高嶺石高溫分解產生的莫來石稱為一次莫來石。
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
上述轉變過程中沒有鋁硅尖晶石中間相生成，這種情況也是存在的 ( Okada 等，1992; Castelein 等，2001) ，但是大多數人認為高嶺石在轉變為莫來石過程中有鋁硅尖晶石中間相生成 ( 林彬蔭等，1989; 高振昕等，2002) ，沃羅爾 ( 1980) 給出的高嶺石高溫下轉變為莫來石的過程如下:
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
上式中的預莫來石 ( Al2O3·SiO2) 也就是現在所稱的過渡組成 1∶1 莫來石。從上述情況看，高嶺石轉化為莫來石在形成方式和轉化溫度上的爭議仍然會存在很長一段時間。
勃姆石又稱一水軟鋁石，化學式為 γ-AlO ( OH) 或 γ-Al2O3·H2O，其中 含 85%Al2O3，15% H2O，成分中可能有少量 Fe3 +替代 Al3 +，晶體結構屬層狀。加熱時於 530 ～600℃ 之間失水後相變為 γ-Al2O3( 林彬蔭等，1989) 。γ-Al2O3結構與尖晶石結構相近，是具有缺陷的尖晶石結構。在 1200℃ 以上高溫下，γ-Al2O3通過調整有缺陷的尖晶石結構，與高嶺石分解出來的非晶質 SiO2反應生成莫來石，即二次莫來石。
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
准格爾電廠燃煤中高含量的高嶺石和勃姆石為莫來石形成提供了充足的物質來源，因為電廠鍋爐燃燒溫度在 1200 ～1700℃，中心溫度甚至超過 1700℃，所以在准格爾電廠粉煤灰中就形成了含量高達 35. 6%的莫來石。粉煤灰中的莫來石多數以顆粒骨架結構存在，而骨架孔隙和表面通常被玻璃質充填和覆蓋，所以在 SEM 下不易直接識別，如果用鹽酸或氫氟酸侵蝕粉煤灰中的玻璃質，就可以發現有大量的針狀莫來石晶體存在。
粉煤灰形成過程中結晶的莫來石，由於受到雜質的影響常常混入其他陽離子，特別是粉煤灰中的 Fe3 +和 Ti4 +可以進入莫來石晶格替代部分鋁離子。Gomse 等 ( 2000) 對法國東部一家火電廠粉煤灰採用多種研究手段進行了研究，得出粉煤灰中莫來石的平均化學式為 Al4. 61Fe0. 05Ti0. 02O9. 65，XRD 和 NMR ( 核磁共振) 等研究得到的化學式為 Al4. 70Si1. 30O9. 65( 對應 x = 0. 35，Al2O3含量為 75. 5%) ，其中鋁含量略高出經典的莫來石化學式 Al4. 5Si1. 5O9. 75( 對應 x = 0. 25，Al2O3含量為71. 8%) ，介於燒結3∶2 莫來石和電熔2∶1 莫來石之間。粉煤灰形成過程中的瞬時冷卻使得莫來石並不能充分結晶和均一化，導致了莫來石在結構和成分上的差異。
( 2) 剛玉
剛玉是次生礦物，其熔融溫度為2050℃，在准格爾電廠爐前煤中並沒有檢測到。Vas-silev 等 ( 1996) 認為，剛玉主要是黏土礦物熔融後重新結晶形成的，也可能是鋁的氫氧化物發生脫羥基化作用形成。從准格爾電廠爐前煤礦物組成看，高鋁粉煤灰中的剛玉主要來自煤中的勃姆石，即:
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
粉末衍射標准聯合委員會 ( JCPDS) 的 XRD 卡片資料表明 Al2O3有 γ、η、χ、δ、θ、κ、τ 和 ε 過渡相，惟一穩定相為 α-Al2O3( 剛玉) 。至於 β-Al2O3，它不屬於 Al2O3變體。這些過渡相的呈現類型和相變順序取決於原始礦物的種類和形成方式。原始礦物為勃姆石，則其相變順序極可能是 γ→δ→θ→α; 若原始礦物為三水鋁石，則相變可能包括γ→χ→τ→θ→α; 如果原始礦物為一水硬鋁石，則直接相變為 α-Al2O3( 剛玉) 。過渡型氧化鋁的結晶參數見表 4. 7。
表 4. 7 過渡型氧化鋁的結晶參數
( 據高振昕等，2002)
( 3) 石英
石英是粉煤灰中的常見礦物，石英在粉煤灰形成過程中是否熔融及其熔融溫度也是一個頗具爭議的問題。在常壓下石英的同質多像轉變形式為 ( 武漢地質學院礦物教研室，1979) :
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
在低溫范圍鱗石英和方石英的轉變為:
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
石英、磷石英和方石英均有低溫 ( α) 變體和高溫 ( β) 變體，這種高低溫變體間的轉變，結構中的 ［SiO4］ 四面體只有稍微移動和旋轉，其他變體的轉變 ［SiO4］ 四面體則需要斷開和重新排列。所以，同一晶型不同變體 α、β 間轉變較快，各晶型間的轉變速度較慢。
通常情況下，煤中的石英均為 α-石英，也就是我們經常所說的石英，其化學成分較純 ( SiO2通常接近 100% ) ，化學性質相當穩定。有人認為石英在燃煤過程中只存在礦物相的轉變，不存在熔融，因為鍋爐的燃燒溫度並不高，達不到石英的熔融溫度( 鱗石英的熔點為 1670℃ ，方石英的熔點為 1713℃ ) ，但大部分人認為存在部分熔融( Demir 等，2001; Spears，2000) 。根據 Mitchell 和 Gluskoter ( 1976) 的報道，將石英暴露於大約 1200 ～ 1300℃ 的氧化條件下 30 min，石英可以轉化為玻璃相 ( Demir 等，2001) 。由於燃煤中的石英顆粒大小不一，小的可能全部熔融，大的則可能存在部分熔融或表面熔融，因為從 XRD 曲線上基本都能夠發現石英的衍射峰，用 FESEM-EDX 分析，也能夠發現粉煤灰中的石英顆粒，而且基本保持了原來的粒狀特徵。粉煤灰中的石英可以是原生的 ( 石英的軟化溫度≥1300℃，有熔融的，也有半熔融的) ，也可以是次生的，但以原生為主，部分石英 ( 主要是骨架形) 還可來源於熔融物的重結晶作用 ( Vassilev 等，1996) 。
准格爾電廠粉煤灰中的石英數量較少，呈分散的粒狀，具多角形或不規則形，基本保持一定的外形，但也可以發現有的石英邊緣有熔融現象，根據形態和成分 ( FESEM-EDX分析) 仍然可以區分出來，它們在底灰中的數量略高於飛灰。
( 4) 其他次要礦物
用 XRD 法鑒定礦物的不足之處是對含量較低的礦物不敏感，也就是說，對於含量在1% ～ 2% 以下的礦物 XRD 衍射峰不明顯，很難做出准確的判斷。所以，我們在用 XRD 鑒定粉煤灰中礦物的同時，採用了 FESEM-EDX 方法對所有樣品進行了分析，發現除上述礦物外，仍然有少量的磁鐵礦、赤鐵礦和金紅石礦物，它們通常富集在玻璃體的表面或構成玻璃微珠的骨架。用磁選法很容易分選出粉煤灰中的磁性顆粒，其表面大部分比較粗糙，為粉煤灰冷卻過程中析出的晶體，可以通過 FESEM-EDX 分析得以確認。
在粉煤灰中，磁鐵礦通常表現為樹枝狀、粒狀或八面體晶型; 而赤鐵礦多表現為薄板狀或薄片狀或硬殼狀晶體，通常形成 「鐵玫瑰」或 「足球」狀，極少數情況下可以繼承黃鐵礦晶型，呈現出立方體或立方體-八面體復合晶型。一般來說，粗顆粒的飛灰和底灰中容易富集磁鐵礦，而細顆粒的飛灰中容易富集赤鐵礦，這是因為細顆粒飛灰形成時具有相對較高的氧化條件 ( Vassilev 等，1996) ，我們的研究也基本如此，但在飛灰中也並不缺乏磁鐵礦微珠顆粒。此外，粉煤灰中還存在未完全燃燒的炭粒和殘余黏土礦物，它們在底灰中的含量明顯高於飛灰。空心炭在底灰中富集較多，絲質體組分的碎片呈光滑或帶有瘤狀的桿狀顆粒，既存在於底灰也存在於飛灰中。此次研究，在個別粉煤灰微珠顆粒中還發現有針狀或柱狀的金紅石礦物，形成球體的骨架，有玻璃質或多或少充填於金紅石骨架孔隙之中。金紅石通常是粉煤灰中 TiO2的主要物質來源，其熔點高達 1827℃，主要為原生成因，但也可以來自熔體的結晶作用或者來自銳鈦礦同質異像的轉變 ( Vassilev 等，1996) 。圖 4. 7 是准格爾電廠粉煤灰 FESEM-EDX 分析得到的部分礦物圖像和主要成分特徵。
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
圖 4. 7 准格爾電廠粉煤灰中的晶體礦物 ( 附有 EDX 能譜點的顆粒)
2、磁性的四氧化三鐵怎麼做SEMTEM
四氧化三鐵是具有磁性的黑色晶體，俗稱磁性氧化鐵，是一種復雜的氧化物，其中1/3是Fe2+、2/3是Fe3+，Fe3O4可看作是由FeO、Fe2O3形成的化合物。[實質是Fe(FeO2)2，偏鐵酸亞鐵鹽]
3、SEM中Ni和Al2O3區分？
10nm非常小了，一般情況下FE-SEM不會用來觀測10nm左右納米顆粒的微觀結構的~還有，SEM是二次電子成像，由於二次電子的產額隨原子數的變化不大，所以得到的SEM圖像中Contrast不怎麼明顯。所以我覺得你應該用TEM來表徵你做的這個樣品，在TEM圖像中，Ni的顏色比Al2O3的暗，如果條件允許的話，做HRTEM或者EDX就更能准備表徵你樣品中的黑色納米顆粒是Ni了~~~
4、求助：冷場掃描電鏡和熱場掃描電鏡的區別
冷場：做完測試關燈絲，需要做Cleaning，燈絲束流亮度較低，成像質量較好，不適合做EDS。
熱場：燈絲常亮，不需要清潔維護，燈絲亮度高，成像效果較好（相同等級的熱場FESEM成像效果略遜色於冷場FESEM），EDS效果遠優於冷場。
5、粉煤灰的預處理效果
利用粉煤灰合成莫來石一般都要對粉煤灰進行預處理，包括除碳、除雜質、研磨等，以減少雜質含量對合成莫來石質量的影響，而研磨可以增加物料的反應活性以降低合成莫來石的燒結溫度。
( 1) 除雜質效果
將粉煤灰手工除鐵前後所做的化學成分分析進行對比不難看出，手工除鐵效果並不明顯，Fe2O3含量僅從 1. 95%降至 1. 84% ( 表 5. 4) 。但在除鐵過程中我們發現明顯有磁性顆粒吸附於磁鐵之上，顏色為灰黑色，說明粉煤灰中磁性顆粒 ( Fe3O4) 是存在的，FESEM-EDX 的分析也證實了粉煤灰中確實含有磁鐵礦。這方面的分析說明: 一是粉煤灰中的鐵含量本身就不高，而且多數以赤鐵礦存在; 二是靠手工除鐵效果不理想，磁場強度過低。工業化分選粉煤灰中的氧化鐵通常都採用磁選機進行，用高梯度強磁場 ( 107Gs / cm 數量級) 磁選機不僅可以從粉煤灰中分選出強磁性礦物，而且還可以分選出弱磁性礦物。如果在除碳加熱過程中營造還原性氣氛，還可以將部分非磁性礦物如赤鐵礦 ( Fe2O3) 轉化為磁性礦物如磁鐵礦 ( Fe3O4) ，然後再用磁選機分選。
表 5. 4 粉煤灰除雜質前、後化學成分之對比 ( %)
粉煤灰在 800℃高溫下恆溫 2 h 可以達到良好的除碳效果，這一點可以從除碳前、後粉煤灰的燒失量 ( LOI) 加以判斷，實驗中粉煤灰的燒失量已經從原來的 2. 10% 降至1. 02% ( 表 5. 4) 。如果粉煤灰中的碳含量較高，可以相應延長恆溫時間以確保大部分殘余炭粒被清除。否則炭粒的存在會在加熱過程中與氧氣結合產生二氧化碳，降低製品的物理性能。除碳前、後粉煤灰的粒度並沒有發生明顯變化 ( 圖 5. 7 ( a) 和 5. 7 ( b) ) ，說明粉煤灰中的炭粒與無機顆粒大小相近，分布一致。但這一情況與底灰明顯不同，底灰中的炭粒數量較多、粒度較大。
用 20%濃度的鹽酸處理除碳研磨後的粉煤灰，去除雜質效果比較理想 ( 表 5. 4) ，CaO 含量從 4. 22% 降至 1% 以下，說明粉煤灰中的活性 CaO 含量較高，容易與鹽酸反應形成可溶鹽而被清除。對 Fe2O3的去除效果一般。但值得注意的是，用酸清洗後，其他雜質K2O、Na2O、MgO 的含量也有所降低，其中 K2O、Na2O 的存在會導致合成過程中已經形成的莫來石產生分解，形成霞石質液相。整體來看，准格爾電廠粉煤灰中的雜質含量並不高 ( 9. 73%) ，經 20%鹽酸處理後大部分有所降低 ( 5. 65%) ，只有 TiO2含量基本保持不變。在合成莫來石過程中有少量的雜質存在也是允許的，它可以降低燒成溫度，其中的鈦、鐵離子還可以部分進入莫來石晶格中去 ( Johnson 等，1982) 。由雜質產生的少量液相還能夠進入製品的孔隙空間，增加密度，減少體積膨脹。然而，從高純莫來石的質量要求來看，雜質含量越少越好。
高鋁粉煤灰特性及其在合成莫來石和堇青石中的應用
圖 5. 7 粉煤灰、工業氧化鋁及不同配料的粒度分布
( 2) 研磨效果
由於粉煤灰手工除鐵效果不理想，而且粉煤灰中的 Fe2O3含量在燒結合成莫來石的允許范圍內 ( 1% ～3%) ，所以在後面的實驗過程中不再對粉煤灰進行除鐵處理。直接將除碳粉煤灰和除碳並經酸洗的粉煤灰用於實驗。經過除碳研磨的粉煤灰以 A 表示，除碳研磨後又經酸洗的粉煤灰以 B 表示，A50、A60、A70 和 B50、B60、B70 表示這兩類粉煤灰中的 Al2O3含量分別為原始含量 ( 52. 72%) 以及配比後達到 60%和 70%的含量。
用 ZJM-20 型周期式攪拌球磨機，以球∶灰∶水 =5∶1∶1 配比研磨 5 h 後，粉煤灰的粒度從原來的 1 ～100 μm 降至 0. 3 ～30 μm，且 10 μm 以下的顆粒已經達到 95%以上，說明研磨效果相當理想 ( 圖 5. 7 ( c) 。研磨 5 h 並經 20%鹽酸清洗後的粉煤灰粒度有所下降，從0. 3 ～ 30 μm 變為 0. 2 ～ 20 μm，而且主峰位置明顯轉向細顆粒方向一側，從 4. 89 μm 轉至1. 27 μm ( 圖 5. 7 ( d) ) ，說明粉煤灰經酸洗後粒度減小，這是因為鹽酸會侵蝕粉煤灰顆粒的外表面。
工業氧化鋁的原始粒度較粗，在 20 ～ 400 μm 之間 ( 圖 5. 7 ( e) ) ，並且以聚合體形式存在，經 5 h 研磨後粒度變為 0. 3 ～20 μm，10 μm 以下的顆粒已經達到 98% 以上 ( 圖5. 7 ( f) ) ，優於粉煤灰研磨效果。其原因是工業氧化鋁的脆性比粉煤灰大，研磨時剛玉質小球的快速運動與旋轉使得工業氧化鋁聚合體首先分離，在撞擊力與剪切力的雙重作用下，氧化鋁比粉煤灰更容易遭到破壞。不管是粉煤灰還是工業氧化鋁，經 5 h 研磨後的粒度均從原來的單峰分布轉變為雙峰分布，工業氧化鋁的雙峰分布特徵更加明顯。
將研磨後的粉煤灰 ( A 系列) 和研磨並經酸洗後的粉煤灰 ( B 系列) 與研磨後的工業氧化鋁按 Al2O3含量分別為 60%和 70%進行配料，然後混磨 1 h ( 讓粉煤灰與氧化鋁充分混合) ，混磨後的粒度分布見圖 5. 7 ( g) 至 ( j) ，從圖中可以看出: 混合後 A60 與 A70粒度分布基本一致，並且與未加氧化鋁的粉煤灰 A50 相差也不大; B60 與未加氧化鋁的B50 粒度分布基本一致，但 B70 的粒度分布不同於 B60，而與工業氧化鋁研磨 5 h 後的粒度分布接近，說明 B70 的粒度受加入的工業氧化鋁研磨粒度影響較大。總之，粉煤灰經5 h研磨後 10 μm 以下顆粒占 95% 以上，混磨 1 h 對配料粒度影響不大 ( 圖 5. 8) 。
( 3) 配料及試樣成型
研磨5 h 和混磨1 h 後不同 Al2O3含量配比的粉煤灰化學成分見表5. 5。然後按照前面設計的 3 因素 3 水平正交實驗設計方案壓製成型，共需成型54 個試樣用於合成莫來石實驗。成型時，將配置好的 A、B 系列粉煤灰分別稱取相同質量的物料用塑料漏斗裝入模具中，在 WE-30B 型液壓式萬能實驗機上加壓成型。成型試樣在壓力為 100、150 和200 MPa下的平均密度分別為 1. 36、1. 40 和 1. 42 g/cm3。密度上的差異有兩方面因素引起: 一是成型壓力不同; 二是配料中 Al2O3的含量不同，隨成型壓力增大和 Al2O3含量的增高，試樣的密度增大，但增加的幅度並不明顯。試樣的整體成型情況良好，僅有 3 個試樣在出膜時出現輕微的破底現象，但這並不影響後面的合成莫來石實驗。粉煤灰中 Fe2O3的存在使得成型試樣呈現微弱的淺紅色 ( 圖 5. 9) 。
圖 5. 8 工業氧化鋁與粉煤灰粒度
表 5. 5 工業氧化鋁成分及合成 M50、M60、M70 莫來石樣品配料
6、磁性Fe3O4做SEM怎麼辦啊？
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