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我国高铝粉煤灰年产量约2500万t,基本处于堆存状态,造成资源巨大浪费及环境严重污染,亟待资源化利用。亚熔盐法高铝粉煤灰提取氧化铝技术可实现氧化铝的高效提取,应用前景广阔。本论文围绕亚熔盐法高铝粉煤灰提铝渣的资源化利用,以硅组分的资源化利用为目标,开展了粉煤灰硅组分形态变化、提铝渣分解转化、水化硅酸钙新材料制备等应用基础研究,取得如下创新性成果:(1)首次系统研究了不同煤在不同压力下燃烧产生粉煤灰的组分变化规律。在相同燃烧条件下,美国PRB次烟煤燃烧产生的亚微米颗粒(0～500 nm)的峰值粒径和峰值数浓度最大,分别为44.5 nm和6.29×107#/cm3;印度Chandrapur褐煤次之,分别为30.0 nm和4.12×107#/cm3;中国山西褐煤最小,分别为13.6 nm和1.78×106#/cm3。增大压力,三种不同煤燃烧产生的亚微米颗粒的峰值粒径逐渐增大,而峰值数浓度逐渐减小。美国PRB粉煤灰矿相主要包含石英、硬石膏、石灰和赤铁矿,其Ca含量较大。印度Chandrapur和中国山西粉煤灰矿相都主要包含石英和莫来石;印度Chandrapur粉煤灰的Si含量最大,而中国山西粉煤灰的Al含量最大。此外,增大压力,较易挥发的物质(Na、Mg、Fe和Ca)富集于亚微米颗粒中,而较难挥发的物质(Si和Al)也会部分转至亚微米颗粒中。(2)阐明了粒度和包覆效应对高铝粉煤灰提铝渣在氢氧化钠稀溶液中分解转化为水化硅酸钙的影响规律和反应机理。通过减小提铝渣粒度,可以显著改善其分解转化率,降低产物的Na2O含量,提铝渣粒度由50-74 μm减小至50 μm以下时,产物Na2O含量可由6.30 wt%降至2.44 wt%。揭示了提铝渣(NaCaHSiO4)分解反应的反应机理符合未反应缩核模型。通过动力学研究发现粒度大的提铝渣分解反应主要为产物层扩散控制,而粒度小的提铝渣分解反应主要为化学反应控制,表明通过减小粒度,可以减弱包覆效应和产物层扩散的影响,从而明显增大提铝渣的分解转化率,并显著减小产物的Na2O含量。(3)提出了高铝粉煤灰提铝渣在碳酸钠浓溶液中分解转化新思路,获得了优化反应条件,并揭示了其分解转化规律。在反应温度为180 ℃,Na2CO3浓度为170 g/L,液固比为10 mL/g,反应时间为2h的优化条件下,产物的Na2O含量为1.02 wt%,低于NaOH稀溶液分解转化提铝渣的产物Na2O含量(>2 wt%)。反应溶液的液固比为10 mL/g,反应后的溶液具有更高的Na2O浓度(100 g/L),与NaOH稀溶液工艺相比,Na2C03浓溶液工艺在Na+循环至亚熔盐法提取氧化铝工艺(Na2O浓度为500 g/L)时,生产每吨氧化铝碱循环部分的水蒸发量由约30 m3降低至约15 m3,碱液蒸发浓度比值从25降低至5,能耗大大降低。(4)建立了水化硅酸钙性能调控新方法。Ca/Si(Ca和Si的摩尔比)由0.8增大至1.4,托贝莫来石的衍射峰强度减弱,产物的Na2O含量由0.80 wt%减小至0.48 wt%,托贝莫来石硅酸盐链的聚合度减小,形成更多碎片状产物,颗粒变松散,孔隙率增大,产物的导热系数减小。Al/Si(Al和Si的摩尔比)由0.05增大至0.20,含铝托贝莫来石的衍射峰强度增强,铝嵌入到托贝莫来石的硅酸盐链结构中使其聚合度增大,更多的A13+取代Si4+引起更高的电荷逆差导致吸附或者键合更多的Na+来平衡电荷,产物的Na2O含量由0.73 wt%增大至1.82 wt%,产物中纤维数量增多,孔隙率增大,产物的导热系数减小。(5)以粉煤灰提铝渣为原料制备了细长纳米纤维缠绕的变针硅钙石型水化硅酸钙,成型为绝热材料后,其密度小至157.16 kg/m3,孔隙率高达93.56%,而导热系数小至0.0473 W/(m·K),优于国标GB/T 10699-2015中170号(密度≤170 kg/m3)的导热系数要求(≤0.058 W/(m·K))。此外,以粉煤灰提铝渣制备了托贝莫来石型水化硅酸钙绝热材料产品,其导热系数为0.0586 W/(m·K),优于国标GB/T 10699-2015中相应导热系数要求(≤0.065 W/(m·K))。(6)以纤维状含铝托贝莫来石型水化硅酸钙为主要原料,制备了新型免蒸压纤维增强硅酸钙板产品。纤维增强硅酸钙板的优化制备条件为成型压力45 MPa,纸浆纤维掺量5 wt%和水泥掺量20 wt%。优化条件制备的纤维增强硅酸钙板的抗折强度和导热系数分别为10.55 MPa和0.2424 W/(m·K),优于国标JC/T 564.1-2008中相应性能要求。明晰了其增韧机理是纤维和基质间存在良好的粘附和渗透,水泥粒子均匀填充于硅酸钙板的孔隙,并且水泥的固化作用增强了纤维和基质间的粘结性,增大了抵抗剪切破坏力和弯曲力的能力。