煤矸石的高值化利用，生产白炭黑与分子筛

煤矸石的高值化利用，生产白炭黑与分子筛

两种目前煤矸石资源化利用中最前沿、最具潜力、高价值化的技术路径，即利用煤矸石制备化工原料“白炭黑”和“分子筛”。

 

 

一、 从煤矸石制备“白炭黑”

1. 什么是白炭黑？

学名沉淀二氧化硅，是一种重要的补强填料。

最大的应用领域是绿色轮胎（降低滚动阻力、节省燃油），此外也广泛用于硅橡胶、涂料、牙膏、食品等行业。

具有较高的经济价值，高端产品价格可达每吨数千甚至上万元人民币。

2. 技术路径分析

煤矸石的主要成分是SiO?和Al?O?，制备白炭黑的核心就是高效、高选择性提取其中的硅元素，并转化为纯净的SiO?。

主流工艺：“酸碱联合法”
这是目前最成熟、研究最广泛的工艺路线，

该工艺是一个连续的化学处理过程，旨在从煤矸石中提纯并转化出二氧化硅，其核心步骤与挑战如下：

第一步，预处理--破碎与焙烧

将原状煤矸石破碎至一定粒度，然后进行高温焙烧。目的是去除有机质、碳质，使其变得更白，同时活化矸石，提高后续化学反应的活性。

第二步，酸浸--去除金属杂质

得到纯度较高的富硅渣（纯度较高的SiO?）和含有铝、铁等离子的酸浸液。 需要选择合适的酸（通常为盐酸或硫酸），并优化浓度、温度、时间等参数，以提高除杂效率并控制成本。 酸的使用量较大，是成本的重要组成部分。酸浸液需处理或用于回收副产品（如聚合氯化铝）。

第三步，碱溶--制备硅酸钠

将酸浸后的富硅渣与浓氢氧化钠（NaOH）溶液在高压的加热条件下反应，生成可溶性的硅酸钠（Na?SiO?，俗称水玻璃）溶液。 此过程能耗较高，需要较高的温度和压力，且需要耐压耐腐蚀的反应设备。

第四步，酸沉--生成白炭黑

向硅酸钠溶液中加入酸（如硫酸），在控制的pH值、温度和搅拌条件下，使其沉淀出水合二氧化硅（SiO?·nH?O），即白炭黑粗产品。 控制沉淀过程中的pH值、温度、搅拌速度等，这些参数直接决定了最终白炭黑产品的比表面积、孔径、粒径等关键性能指标，直接决定了产品等级和价值。

第五步，后处理与副产品回收

后处理：将沉淀出的白炭黑进行过滤、洗涤（去除钠盐等杂质）、干燥和粉碎，得到最终的白炭黑产品。

副产品回收：酸浸步骤产生的酸浸液中含有大量的铝、铁等元素，可以进一步回收制备聚合氯化铝（PAC，一种净水剂）或氧化铝等，实现全组分资源综合利用，提升经济效益和环保性。

3. 优势与瓶颈

优势：

原料成本低，实现了固废的资源化。

产品价值高，市场前景广阔。

瓶颈：

工艺流程长，控制复杂。

能耗和化学品消耗较大，成本控制是关键。

“三废”排放问题： 

尤其是含盐废水（Na?SO?）和废酸的处理，需要完善的环保设施。

产品性能稳定性： 

如何稳定生产出符合不同行业（如轮胎级、硅橡胶级）要求的高品质白炭黑，是技术核心。

 

 

二、 从煤矸石制备“分子筛”

1. 什么是分子筛？

一种具有均匀微孔结构的晶体硅铝酸盐，因其“筛分”分子的能力而得名。

其主要用途：吸附剂（如空气分离、气体净化）、催化剂（石油化工、煤化工中至关重要）和离子交换剂（如洗涤剂中的助剂）。

较高的经济价值：种类繁多，不同型号的分子筛价格差异大，但高端催化剂分子筛价值不菲。

2. 技术路径分析

煤矸石的成分（SiO?和Al?O?）恰好是合成分子筛所需的核心元素。其制备核心在于将无定形的煤矸石转化为具有规则晶体结构的分子筛。

主流工艺：“水热合成法”

该工艺的核心是将煤矸石中无定形的硅铝组分，重新构建成具有规则晶体孔道结构的分子筛。

第一步，预处理与活化—焙烧与碱熔

将焙烧活化的煤矸石与固体氢氧化钠（NaOH）混合并在高温下熔融，或用浓碱液剧烈处理。旨在彻底破坏煤矸石中稳定的晶体结构（如石英、莫来石），将其转变为活性的、无定形的硅铝酸盐前驱体，为后续晶化做准备。

第二步，水热晶化（核心步骤）

将活化后的物料（或调节好特定硅铝比的反应混合物）置于高压反应釜中，在一定的温度、压力和时间内进行陈化与晶化。

通过精确控制硅铝比、碱度、晶化温度与时间、以及是否添加模板剂等参数，来“定向合成”特定类型的分子筛（如4A、13X、ZSM-5等）。不同的分子筛对应完全不同的用途和市场。

此步骤技术门槛极高，是合成的核心诀窍。

第三步，后处理与成型

晶化完成后，产物经过过滤、洗涤至中性、干燥，得到分子筛原粉。将分子筛粉末与粘合剂混合，通过挤条、造粒等方式成型为所需的形状（如条形、球形），并经过活化后具备吸附或催化性能。

3. 优势与瓶颈

优势：

原料来源广泛，成本优势明显。

可以“定向合成”高价值的催化分子筛，技术附加值极高。

是煤矸石高值化利用的顶级路径之一。

瓶颈：

技术门槛极高：对化学工程、材料学的知识要求深，工艺控制非常精密。

产品一致性难保证：煤矸石成分的波动会直接影响合成分子筛的硅铝比和纯度，进而影响产品性能和稳定性，这是产业化的巨大挑战。

模板剂成本与环保问题：合成某些高性能分子筛（如ZSM-5）需要使用有机胺类模板剂，这些模板剂价格昂贵且对环境不友好，其回收和循环利用是降低成本的关键。

能耗高：碱熔和高温晶化过程都是高能耗环节。

三、 两种技术路径对比总结

1、技术原理：
制备白炭黑的技术原理是酸碱联合法，核心在于选择性提取硅元素并沉淀为二氧化硅。
制备分子筛的技术原理是水热合成法，核心在于重新构建具有规则孔道的晶体结构。

2、产品价值与用途：白炭黑主要用于绿色轮胎、硅橡胶等领域的补强填料，产品价值高。

分子筛主要用于吸附剂、石油化工催化剂等领域，产品价值极高。

3、技术门槛与挑战：

制备白炭黑的挑战侧重于成本控制、三废处理与产品性能稳定性。
制备分子筛的挑战侧重于克服原料波动、保证产品一致性与解决模板剂问题。

4、产业化成熟度：
制备白炭黑的产业化成熟度相对较高，已有中试和部分工业化案例。
制备分子筛的产业化成熟度相对较低，多数处于实验室和中小试阶段。

5、资源利用特点：
制备白炭黑可实现硅元素的高价值利用，并可联产铝基副产品。
制备分子筛可实现硅铝元素的协同高价值转化，能生产多种型号产品。

结论：

利用煤矸石制备白炭黑和分子筛，是将其从固体废弃物提升为了化工原料、从“环境负担”转化为“城市矿产”。它们不仅是科技创新的体现，更是实现煤炭产业可持续发展和资源高效循环利用的必然选择。

制备白炭黑的路径更侧重于“提纯与转化”，而制备分子筛的路径则更侧重于“结构与功能再造”。后者技术更为复杂，但潜在回报也更高。

两者都是煤矸石高值化利用的先进方向，虽然目前仍需在成本、技术和环保等方面取得进一步突破，但随着工艺技术的不断优化和集成，以及环保要求的日益严格，这两条技术路径的商业化和规模化应用前景十分广阔。