Ⅰ 合成莫來石的實驗流程
為了研究雜質 ( 除 Al2O3和 SiO2外的其他氧化物) 含量對合成莫來石的物理性能和莫來石生成量的影響，我們採用了兩個系列進行平行實驗，其中一個系列對粉煤灰中的雜質不做任何處理，另一個系列採用 20% 的鹽酸對粉煤灰樣品中的雜質進行處理，主要是除去粉煤灰中的 CaO，因為粉煤灰中的 CaO 含量在幾種雜質中最高，為 4. 22%。在莫來石化作用過程中，鈣離子並不像鐵、鈦離子那樣能夠部分進入莫來石晶格中去。而且在燒結過程中，CaO 的線膨脹系數因子要比 MgO 大許多倍 ( 顧幸勇等，2001) ，從而引起燒製品的物理性能降低。
將除碳研磨後的粉煤灰 ( A 系列) 和除碳研磨後又經 20% 鹽酸處理過的粉煤灰 ( B系列) ，分別按照原始 Al2O3含量 ( 分別記為 A50 和 B50) 和加入工業氧化鋁後使配料中Al2O3含量分別達到 60% ( 分別記為 A60 和 B60) 和 70% ( 分別記為 A70 和 B70) 來進行實驗。根據 3 因素 3 水平正交實驗設計方案，每種配料須做 9 個實驗，那麼兩大系列 3個不同 Al2O3含量的樣品一共做了 54 個實驗。採用的實驗流程見圖 5. 6。
圖 5. 6 高鋁粉煤灰燒結合成莫來石的實驗流程
( 1) 除鐵
粉煤灰中鐵的氧化物有 Fe2O3和 Fe3O4兩種 ( 一般用 Fe2O3表示) ，後者具有磁性，通常可以採用磁選機在 15000 ～20000 Gs( 磁通量密度) 下除鐵，以減少鐵的雜質含量。由於研究處於實驗室環境，我們僅採用了長度為 10 cm 的半圓形磁鐵使用手工方法除鐵，除鐵效果並不理想，粉煤灰中的氧化鐵僅從 1. 95%降至 1. 84%。如果從工業化生產考慮，必須採用磁選機除鐵，這是通用的做法。
( 2) 除碳
粉煤灰中存在未完全燃燒的煤粒或殘炭，在合成莫來石實驗之前必須進行清除，否則在後期加熱過程中產生的 CO2會引起燒製品密度的降低，甚至降低莫來石的生成量。粉煤灰中碳的去除有兩種方法: 一是利用密度差異進行浮選，浮選後的多孔炭可以用作廢物的吸附劑，或制備成過濾材料; 另一種是將粉煤灰在一定溫度下加熱除碳，當粉煤灰中碳含量較低、沒有太多提取價值時常用。除碳過程一般在 800℃ 下恆溫 2 h 即可。這次研究我們採用了上海躍進醫療器械廠生產的 SX2-4-10 型箱式電阻爐對粉煤灰進行了 800℃下恆溫 2 h 的除碳處理，效果比較理想，粉煤灰的燒失量 ( LOI) 從 2. 10% 降至 1. 02% 。
( 3) 細磨與混磨
細磨是合成莫來石過程中不可缺少的重要環節，因為燒結法合成莫來石主要是靠Al2O3和 SiO2之間的固相反應完成的。通過細磨可以提高原料的分散度，增加 Al2O3和SiO2的晶格缺陷，提高反應活性，以加速固相反應的進程和降低燒結溫度。通常情況下，磨料越細，混合越充分，莫來石化反應越徹底，生成的莫來石數量越多，物理性能越好，但細磨的程度與磨礦設備和經濟因素有關，一般保證小於 10 μm 的顆粒佔到 80% 以上即可。
本次實驗過程中採用了鄭州東方機器製造廠生產的 ZJM-20 型周期式攪拌球磨機，以球∶灰∶水 =5∶1∶1 配比研磨 5 h，完全可以達到上述要求。考慮到粉煤灰中莫來石含量已經較高，所以採用的研磨介質為剛玉 ( Al2O3) 質小球，球體直徑 2 ～ 3 mm。工業氧化鋁採用了焦作萬方鋁業公司從澳大利亞的進口產品，Al2O3純度在 99%以上，對工業氧化鋁採用了同樣的研磨條件。將研磨後的物料按照 60%、70% Al2O3含量進行配料，然後再混磨 1 h 使其達到充分混合。此過程也可以先將粉煤灰與工業氧化鋁進行配料，然後再混磨。由於粉煤灰屬於脊性料，所以我們在研磨過程中未加任何分散劑，當磨細料黏度增大時可添加少量水稀釋以提高研磨效果。
( 4) 除鈣
用鹽酸處理粉煤灰可以除去粉煤灰中的部分雜質，如鐵、鈣、鎂等，因為鹽酸可以與粉煤灰中的活性 CaO ( 或 CaCO3、MgCO3等) 和 Fe2O3( 或赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等)反應生成可溶性鹽，其反應式如下:
CaO ( 活性) + 2HCl = CaCl2+ H2O
CaCO3+ 2HCl = CaCl2+ CO2+ H2O
MgCO3+ 2HCl = CaCl2+ CO2+ H2O
Fe2O3+ 6HCl = 2 FeCl3+ 3H2O
FeCO3+ 2HCl = FeCl2+ CO2+ H2O
我們此次酸洗的目的主要是除鈣，採用的鹽酸濃度為 20%。一般來說，隨著鹽酸濃度的增加，除鐵效果會越來越好，但當鹽酸濃度增加到 20% 以後，鹽酸濃度與除鐵效果的關系不甚明顯，其原因是 20. 2% 是鹽酸與水的共蒸發點，鹽酸在加熱、酸浸過程中會迅速逸出，影響酸浸效果。酸浸時，如果提高溫度能增加反應物活性，加快反應速度，有利於提高浸出效果。一般情況下，在 80 ～100℃時反應 3 h 就能獲得良好的浸出效果，室溫下長時間浸泡 ( 2 ～3 d) 也能達到類似的效果 ( 李凱琦等，2001) 。
對細磨後的粉煤灰，採用 20%的鹽酸，按照固∶液 = 1∶3 在室溫下將漿液放入塑料桶內靜置 3 d，然後用自來水沖洗至 pH =7。實驗過程中我們發現，靜置 3 d 後倒出的清水呈現淺綠色 ( 主要是鐵的浸出物) ，漿液呈現白色渾濁物難以沉澱 ( 主要是鈣的浸出物) ，更換清水大約需要 2 ～3 d 一次，至 25 d 後每天更換一次清水，此時浸出物基本被清除干凈，漿液 pH 值達到中性大約需要 30d 時間。由於是靜水沖洗而非流動水洗，所以消耗了大量時間。顆粒物細度的增加也延緩了沉澱的過程。這一步驟在實際生產過程中一般採用壓濾法完成。將清洗後的物料放入由上海博迅實業有限公司醫療設備廠生產的 DHG-9000A 型電熱恆溫鼓風乾燥箱中，於 105℃ 下乾燥 2 h，然後自然冷卻至室溫，以備物料壓製成型使用。
( 5) 成型
考慮到燒結後試樣屬脆性材料，並要進行單軸抗壓強度實驗，所以將物料按照 1 < 長徑比 <2 成型。為滿足試樣成型要求，我們專門加工了上端內徑為 19 mm，下端內徑為19. 5 mm ( 便於取出成型後的試樣) ，長度為 600 mm 的鋼制模具，並且加工了外徑為50 mm的底座。試樣採用 WE-30B 型液壓式萬能實驗機單軸加壓成型，壓力分別選擇 100、150 和 200 MPa 3 個水平。因為粉煤灰屬於脊性料，成型時採用半干法 ( 含 5% 水分) ，所以在取樣時由於試樣與模具內壁之間的摩擦力，很容易使試樣產生脆皮脫落和脆性斷裂現象。為避免上述現象的發生，一方面拋光模具內壁，另一方面在物料中加入了 2% 的糊晶( 澱粉) 作為結合劑，成型效果相當理想。為了考察樣品燒結後的收縮率，用游標卡尺對成型樣品直徑和高度進行逐個測量，並做好記錄。
( 6) 燒結
將成型後的試樣首先放入 DHG-9000A 型電熱恆溫鼓風乾燥箱中，於105℃下乾燥2 h。將乾燥後的試樣放入湖南湘潭中山儀器廠生產的 SX6-12-16 型全纖維快速升溫電阻爐中，在 1000℃以前按照 10℃ /min 的速率升溫，1000℃以後以 5℃ /min 的速率升溫，分別加熱至 1300、1400、1500℃下，然後在不同溫度下分別恆溫 2、3、4 h。在實驗室條件下自然冷卻至室溫後取出。此次實驗過程中每完成一批試樣大約需要24 h，因為電阻爐在封閉狀態下自然冷卻通常需要花費很長時間。燒結過程中的升溫速率必須引起注意，這是因為在低溫時電阻爐升溫較快，至高溫時升溫速度變慢，所以要不斷調節電阻爐電流以確保合成莫來石的實驗溫度。經自然冷卻後的樣品，同樣採用游標卡尺法對其直徑和高度進行逐個測量，並做好記錄。
至此，利用粉煤灰燒結合成莫來石的實驗過程基本完成，然後就要對燒結試樣的物理、力學性能和莫來石含量進行測定。