探究煤矸石的主要成分及应用

马翠玲 王雷 任星宇

摘 要：根据三价铁离子、三价铝离子化学性质，利用实验室现有的器材试剂设计实验，检验煤矸石主要成分。

关键词：煤矸石;成分测定;显色;沉淀

1研究背景

煤矸石是伴生煤的开采加工所产生的一种固体废料，主要成分为二氧化硅、氧化铝、焦炭、氧化铁以及少量的其他氧化物。我国历年已积存煤矸石约1000Mt，并且每年仍继续排放约100Mt，不仅堆积占地，而且还可能自燃污染空气或引起火灾，但每年被有效利用煤矸石甚至不到总量的10%。石嘴山地区是传统的以煤炭开采为主的工业性城市，所以对煤矸石的综合开发利用对拉动本地区经济发展具有重要意义。

2研究思路

3研究过程

3.1仪器和药品

①实验器材：离心机、具支试管、铁架台、三脚架、石棉网、蒸发皿、泥三角、烧杯、漏斗、滴管、试管、玻璃导管、橡胶导管、胶塞等;

②实验室化学药品：煤矸石粉末、氢氧化钠溶液、过氧化氢溶液、硅酸钠溶液，三氯化铝溶液、三氯化铁溶液、二氧化硅晶体、稀氨水、氧化钙、稀硝酸、二氧化锰、KSCN溶液、大理石、碳酸钠、PH试纸;

3.2实验步骤

①取煤矸石样品研磨成粉，待测药品研磨有助于增大与反应物的接触面积，使反应现象更加明显。

②取部分煤矸石粉末与氧氣、氧化钙共热使硫化物等杂质反应，达到固硫的目的。将放出的气体通入澄清石灰水，观察到石灰水并未出现浑浊。

③稀硝酸溶解加热后的煤矸石粉末，溶解可能存在的氧化物。常温常压下硝酸盐都能溶于水，使用硝酸可以避免在接下来的探究过程中出现不必要的沉淀影响实验结果。

④过滤溶解后的悬浊液（多次过滤减少杂质），滤液为透明无色的液体而并没有显现出三价铁离子盐的颜色，说明滤液中铁离子含量较低

⑤用KSCN溶液检验滤液中的三价铁离子。取少量上清液加入KSCN溶液后发生显色反应，溶液变为血红色。这成功的验证了滤液中含有铁离子，这也间接地证明了煤矸石样品中含有铁元素。

⑥将滤液逐滴加入过量氢氧化钠后，通入二氧化碳验证三价铝离子的存在。由于此前多组对照实验中滤液与稀氨水溶液反应均未出现红褐色氢氧化铁沉淀，所以在验证铝离子存在的实验中我们排除了三价铁离子对实验现象的干扰，将滤液直接加入过量稀溶液中。反应过程中试管内先出现白色沉淀于溶液上层，随后震荡试管，沉淀消失。之后将二氧化碳通入试管内，沉淀重新出现，这成功的验证了滤液中铝离子的存在，同时也间接地证明了煤矸石样品中含有铝元素。

⑦在蒸发皿中蒸干含有二氧化硅的滤渣。由于滤渣并不是干燥的固体，所以滤渣中依然含有部分铝离子、三价铁离子。这或许会对接下来的实验在成一定的干扰，为了保证实验结果的可靠性，我们对滤渣多次过滤清洗并蒸干。

⑧二氧化硅检测。依据二氧化硅在加热条件下可以与NaOH溶液反应生成硅酸钠并电离出硅酸根离子，我们向蒸干的滤渣中加入NaOH溶液使其中的二氧化硅溶解。过滤悬浊液获得硅酸钠清液。硅酸钠溶液常温下应该是无色透明溶液，但我们所得到的滤液呈透明的淡黄色，可能的原因是滤渣中残留有少量焦油所导致。

⑨取部分硅酸钠滤液加入稀硝酸生产硅酸沉淀，并使用离心机分离沉淀。根据白色沉淀我们成功的验证了NaOH溶液溶解滤渣过滤得到的滤液中的确有硅酸钠存在，这也间接地验证了过滤前的滤渣、煤矸石样品中含有二氧化硅。

4研究结论

我们通过实验发现煤矸石中主要含有二氧化硅、金属铝氧化物、金属铁氧化物以及其他的一些可燃性物质。通过调查资料知道煤矸石的无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。

5实验反思及建议

由于本次试验使用的煤矸石并不理想，所以导致对三价铝离子的检验过程中并没有出现预期的明显白色沉淀。同时我们所使用的制取氧气的发生装置加入反应物的过程十分的不妥当，从试管内喷出的高温浓氧容易使人受伤，应选取锥形瓶与分液漏斗作为发生装置。高温加热煤矸石粉末的过程中粉末需要与氧气接触以达到充分去除杂目的，但是30%过氧化氢溶液反应速率过快会使氧气尚未与煤矸石粉末完全接触，就过快的进入尾气处理装置。

石嘴山市拥有丰富的煤矸石储量，因此我市对于处理利用价值不高的矸石方面，走在全国前列。全国最好的几家生产制作矸砖的企业全部位于银北地区。

基于石嘴山地区对煤矸石的利用情况与矸石区别于一般矿石的特殊成分，我课题组独立设计了一个高效利用矸石的工业应用流程。

专业化验中心的化验结果显示，选取精煤的过程中一级分离出的矸石中主要成分为碳酸钙，碳酸钙受热分解会产生氧化钙——即工业干法固硫的原材料。二级矸石经过我们课题组的探究，验证了其中含有大量的铁元素与二氧化硅。结合本地区丰富的煤炭、矸石、大理石、黄铁矿资源，我们设计将高硫烟煤、焦炭、一级矸石、二级矸石、大理石、黄铁矿加入高炉共热，燃煤产生的热量可以用来供暖供电，而一级矸石与大理石中的钙元素则可以有效固定烟煤中的硫元素防止污染性气体进入大气。烟煤燃烧后产生的焦炭可以用作冶炼铁矿石的还原剂。燃烧后的炉渣中含有大量的二氧化硅，同时粉碎难度较低，适合用与做水泥与轻质建材。这样即解决了矸石占地及其成分利用难的问题又解决了高硫煤利用难题。

参考文献

[1] GB/T 29162-2012.中华人民共和国煤矸石处理工业执行标准[S].