碱熔法从粉煤灰中制备羟基硅酸钙及其硅缓释性能研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0861

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (2): 517-527.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0861

碱熔法从粉煤灰中制备羟基硅酸钙及其硅缓释性能研究

张梦甜¹(), 王学凯¹^,²(), 徐子芳¹^,³, 扈霜月¹, 李政¹, 李佳韦¹

^1.安徽理工大学材料科学与工程学院，淮南 232001
^2.安徽省煤基固废新材料产业共性技术研究中心，淮南 232001
^3.深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室，淮南 232000

收稿日期:2025-08-26 修订日期:2025-09-21 出版日期:2026-02-20 发布日期:2026-03-09
通信作者: 王学凯，博士，讲师。E-mail：771381779@qq.com
作者简介:张梦甜（2002—），女，硕士研究生。主要从事固废资源化利用方面的研究。E-mail：13781602640@163.com
基金资助:
安徽省高校自然科学研究项目(2023AH051204);安徽省高校协同创新项目(GXXT-2022-083);安徽理工大学引进人才科研启动基金(2023yjrc23);安徽理工大学引进人才科研启动基金(13230028)

Preparation of Calcium Silicate Hydrate from Fly Ash by Alkali Fusion Method and Its Silicon Slow-Release Performance

ZHANG Mengtian¹(), WANG Xuekai¹^,²(), XU Zifang¹^,³, HU Shuangyue¹, LI Zheng¹, LI Jiawei¹

^1.School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China
^2.Anhui Industrial Generic Technology Research Center for New Materials from Coal-Based Solid Wastes，Huainan 232001，China
^3.National Key Laboratory of Safe Mining and Environmental Protection in Deep Coal Resources，Huainan 232000，China

Received:2025-08-26 Revised:2025-09-21 Published:2026-02-20 Online:2026-03-09

摘要/Abstract

摘要：

本研究以粉煤灰（CFA）为原料，通过碱熔-水热法实现了高活性可溶性硅的提取与纳米级羟基硅酸钙（CSH）的可控制备，为煤基固废的高值化利用提供了可行路径。具体流程包括：采用Na₂CO₃作为活化剂，在850 ℃煅烧2 h，煅烧产物与水以固液比1∶10溶解，80 ℃水浴90 min后固液分离，得到提硅液，硅提取率为45.7%；提硅液与CaCl₂在80 ℃水浴中反应3 h，成功合成CSH。缓释研究表明：所制备的CSH在柠檬酸溶液中硅释放行为符合Higuchi扩散模型，最大硅缓释浓度为350 mg/L；在不同pH值环境下CSH亦表现出持续释放特性，当pH值为6和8时，硅缓释浓度在第3天分别达到150与100 mg/L。本研究实现了CFA的低成本资源化转化，制备的CSH对推动固废绿色资源化利用和农业可持续发展具有重要意义。

关键词: 粉煤灰, 羟基硅酸钙, 碱熔法, 缓释, 固废资源化

Abstract:

This study utilized coal fly ash （CFA） as raw material to achieve the extraction of highly reactive soluble silicon and the controllable synthesis of nano-sized calcium silicate hydrate （CSH） through an alkali fusion-hydrothermal method， providing a feasible pathway for the high-value utilization of coal-based solid waste. The specific procedure included： using Na₂CO₃ as an activator and calcining at 850 ℃ for 2 h. The calcined product was dissolved in water at a solid-liquid ratio of 1∶10. After 90 min in an 80 ℃ water bath， solid-liquid separation yielded a silicon extraction solution. This process achieves a silicon extraction rate of 45.7%. The silicon extraction solution was then reacted with CaCl₂ in an 80 ℃ water bath for 3 h to successfully synthesize CSH. Slow-release studies demonstrate that the silicon release behavior of the as-prepared CSH in citric acid solution follows the Higuchi diffusion model， with a maximum silicon slow-release concentration of 350 mg/L. It also exhibits continuous release characteristics under different pH conditions， at pH value of 6 and 8， the silicon slow-release concentration reached 150 and 100 mg/L， respectively， on the third day. This research achieves the low-cost resource conversion of CFA， and the prepared CSH holds promise for promoting the green resource utilization of solid waste and the sustainable development of agriculture.

Key words: coal fly ash, calcium silicate hydrate, alkali fusion method, slow-release, resource utilization

中图分类号:

TQ17

张梦甜, 王学凯, 徐子芳, 扈霜月, 李政, 李佳韦. 碱熔法从粉煤灰中制备羟基硅酸钙及其硅缓释性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(2): 517-527.

ZHANG Mengtian, WANG Xuekai, XU Zifang, HU Shuangyue, LI Zheng, LI Jiawei. Preparation of Calcium Silicate Hydrate from Fly Ash by Alkali Fusion Method and Its Silicon Slow-Release Performance[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(2): 517-527.

图/表 11

表1 CFA的主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of CFA

Ingredient	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO
Mass fraction/%	45.999	26.218	4.962	2.750	0.462

图1 配制溶液步骤

Fig.1 Steps for preparing solution

图2 可溶性SiO2测试步骤

Fig.2 Steps for testing soluble SiO2

图3 可溶性SiO2浓度-吸光度曲线

Fig.3 Concentration-absorbance curve of soluble SiO2

图4 原料CFA的表征及硅提取率分析

Fig.4 Characterization of raw material CFA and analysis of silicon extraction rate

图5 850 ℃煅烧产物及其水浸滤渣的XRD谱

Fig.5 XRD patterns of calcination products at 850 ℃ and their water-leached filter residues

图6 合成样品的XRD谱与SEM照片

Fig.6 XRD patterns and SEM images of synthetic sample

图7 不同条件下CSH、CSH-NH4+和CSH-PO43?-反应产物缓释3 d及短时间缓释的可溶性硅浓度

Fig.7 Soluble silicon concentration in slow-release products for 3 d and short-term slow-release periods from reaction of CSH， CSH-NH4+， CSH-PO43?- under different conditions

表2 动力学拟合方程数据分析

Table 2 Kinetic fitting equations and data analysis

Kinetic model	Parameter	CSH	CSH- $N H 4 +$	CSH- $P O 4 3 -$
Higuchi equation	C	2.164	29.250	1.211
	$k H$	36.295	33.383	21.917
	$R 2$	0.990	0.950	0.971
Pseudo-second-order equation	1/（ $k 2 Q e 2$ ）	0.013	0.004	0.022
	1/ $Q e$	0.012	0.010	0.020
	$R 2$	0.966	0.999	0.986

表2 动力学拟合方程数据分析

Table 2 Kinetic fitting equations and data analysis

Kinetic model	Parameter	CSH	CSH- $N H 4 +$	CSH- $P O 4 3 -$
Higuchi equation	C	2.164	29.250	1.211
	$k H$	36.295	33.383	21.917
	$R 2$	0.990	0.950	0.971
Pseudo-second-order equation	1/（ $k 2 Q e 2$ ）	0.013	0.004	0.022
	1/ $Q e$	0.012	0.010	0.020
	$R 2$	0.966	0.999	0.986

图8 CSH、CSH-NH4+和CSH-PO43?-的缓释动力学拟合曲线

Fig.8 Fitting curves for slow-release kinetic of CSH， CSH-NH4+， and CSH-PO43?-

图9 CSH在不同条件下缓释后的XRD谱与FT-IR谱

Fig.9 XRD patterns and FT-IR spectra of CSH after sustained release under different conditions

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碱熔法从粉煤灰中制备羟基硅酸钙及其硅缓释性能研究

Preparation of Calcium Silicate Hydrate from Fly Ash by Alkali Fusion Method and Its Silicon Slow-Release Performance

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