目前，粉煤灰的主要利用方向之壹是逐步由粗放型、低級別利用向高技術、高附加值利用方向發展，這也是近幾年來國內、外眾多學者致力研究的熱點問題之壹。
Iyer 和 Scott ( 2001) 對粉煤灰的高附加值利用做過甚為全面的總結，包括利用粉煤灰制備沸石、合成莫來石、生產玻璃質材料、制作復合材料、用作廢物處理的吸附劑、廢物固化、回收有用金屬及礦物材料以及粉煤灰在農業方面的應用等。但是，正如他們在結論中所指出的: 這些重要開發領域的多數研究成果仍然處於實驗室階段，要實現工業化生產還需要大量的工作要做。Querol 等 ( 2002) 對利用粉煤灰制備沸石的研究進展作過專門評述，並且指出: 盡管利用粉煤灰合成沸石所占比例較小，但由於沸石的環境效益，這壹研究備受關註。
我國在粉煤灰利用方面也做出了傑出貢獻，湧現了大量的專利技術 ( 魏榮森，2004) 。在粉煤灰的高附加值利用領域，主要有合成莫來石 ( 邵剛勤等，1997) 、制備沸石 ( 王德舉等，2002) 、制作復合材料 ( 王明珠等，2005) 、提取氧化鋁 ( 趙劍宇等，2003) 、生產復合肥 ( 孫克剛等，2002) 等，但目前能夠實現工業化生產的實例少之又少( Iyer 等，2001; Querol 等，2002; Chandra 等，2005; Rohatgi 等，2006) 。
下面重點對利用粉煤灰燒結合成莫來石和合成堇青石的情況做壹詳細介紹。
( 1) 合成莫來石
莫來石 ( Mullite) 是壹種礦物，因產於蘇格蘭北部的 Mull 島而得名。莫來石具有高熔點 ( 約 1890℃) 、高剪切模量和良好的抗蠕變、抗熱震、抗侵蝕等性能，被廣泛應用於耐火材料和陶瓷工業。Schneider 等 1994 年在 《Mullite and Mullite Ceramics》專著中對莫來石的化學成分、晶體結構及物理、化學特性，以及莫來石產品的工業合成與利用進行過詳細的論述; 2008 年又結合近期研究成果對莫來石的結構和特性進行了評述 ( Schneider等，2008) 。表 1. 4 列出了莫來石及其他高級氧化物陶瓷的熱-力學性能。
表 1. 4 莫來石及其他高級氧化物陶瓷的熱-力學性能
( 據Schneider 等，2008)
1cal = 4. 184J。
目前，世界上電熔莫來石的消耗量為 ( 1 ～2) ×104t / a，燒結莫來石的消耗量為 ( 50 ～60) × 104t / a ( 張秀勤等，2002) 。由於莫來石是高溫、低壓特殊條件下形成的產物，在自然界中極其罕見，至今未發現具有工業性價值的礦床。工業上利用的莫來石全部來自人工合成，包括燒結莫來石、電熔莫來石和化學莫來石，采用的原料主要有矽石、高嶺石、高鋁礬土或工業氧化鋁等，按照莫來石的理論配比進行合成。其中天然原料燒結合成莫來石，占莫來石工業化生產的絕大部分。
國內、外用粉煤灰燒結合成莫來石的文獻並不多，其中最早的研究見於 Ohtake 等( 1991) 的文獻，其方法是用處理過的粉煤灰與 γ-Al2O3按 1∶1 比例混合加熱到 1400℃，獲得了 80%含量的莫來石，其性能幾乎可以與商業性莫來石相比較。Hwang 等 ( 1994)和 Huang 等 ( 1995) 用 F 類處理粉煤灰與 Al2O3按近似1∶1 比例混合在1400 ～1600℃合成了 85%以上的莫來石，並且得出 C 類灰不能合成莫來石的結論。Jung 等 ( 2001) 用含8. 27% Fe2O3和 3. 57% CaO 的粉煤灰和 Al2O3以化學計量的莫來石 ( 71. 8% Al2O3，28. 2% SiO2，Al2O3/ SiO2質量比為 2. 55) 配比也合成出了高質量的莫來石。
國內利用粉煤灰合成莫來石的文獻出現於 1994 年，主要研究莫來石含量與燒成溫度以及化學成分之間的關系 ( 陳震宙等，1994) ，利用處理過的粉煤灰和工業氧化鋁同樣可以合成出 M50、M60 和 M70 系列的莫來石產品，某些理化性能甚至能達到國家壹級莫來石標準 ( 孫俊民等，1999) 。利用粉煤灰和氧化鋁為原料合成的莫來石比用高嶺土和氧化鋁反應制取的莫來石生產成本要低 20% ～30% ( 周忠華，2003) 。
用粉煤灰合成莫來石在理論和實踐上都是可行的，存在的主要問題有 3 個:
第壹個問題是粉煤灰中雜質含量較高，特別是 Fe2O3、CaO、MgO、TiO2，而且 K2O、Na2O 含量也往往高於常規原料，所以用粉煤灰合成莫來石基本上都要進行去雜質處理，清除的程度取決於合成莫來石的質量要求和經濟上的可行性。從國家行業標準 《全天然料燒結莫來石》( YB/T5267—1999) 來看，有些指標要達到要求是很難的，如 Fe2O3含量小於 1. 0%，TiO2含量小於 2. 0%，K2O + Na2O 含量小於 0. 3% 。對莫來石質量指標的制定是針對鋁礬土為原料燒結而言的，而粉煤灰是電廠燃煤排放的工業廢物，用來合成莫來石尚沒有國家標準。可喜的是 2005 年 12 月 1 日開始實施的國家行業新標準 《燒結莫來石》( YB/T5267—2005) 已經頒布，新標準中將 Fe2O3、TiO2和 K2O + Na2O 的最大允許量分別放寬到 1. 5%、3. 5% 和 2. 5% ( 其中 Na2O≤0. 3% ) ，以利於資源的綜合和合理利用。根據實驗情況，含 8. 27% Fe2O3( Jung 等，2001) ，或含 2. 22% TiO2( 陳江峰等，2007) ，或含 2. 8% K2O ( Huang 等，1995) ，或含 0. 64% Na2O ( 孫俊民等，1999) 含量的粉煤灰與工業氧化鋁混合，仍然能夠合成出含量大於 70% 的莫來石。而含 60% 以上莫來石的材料就有良好的高溫熱穩定性能 ( 陳震宙等，1994) 。所以，利用粉煤灰合成的莫來石，同樣可以廣泛用於耐火材料或陶瓷工業。
第二個問題是加入的工業氧化鋁數量，因為粉煤灰中 Al2O3含量壹般在 15. 2% ～36. 1% ，平均 26. 1% ( 陳江峰等，2005) ，要合成 M50、M60 和 M70 的莫來石必需添加大量的工業氧化鋁，而 2005 年 10 月 13 日公布的工業氧化鋁市場價格為 4660 元/噸，這勢必增加合成成本。因此，必須采用 Al2O3含量較高的粉煤灰或經處理後提高了鋁矽比的粉煤灰，在經濟可行性條件下才能獲得高附加值的莫來石產品。
第三個問題是合成條件，不同研究者在利用粉煤灰合成莫來石時采用的成型壓力、合成溫度和恒溫時間不盡相同，這是因為不同電廠粉煤灰的化學成分不同，甚至同壹電廠因燃煤來源不同其粉煤灰的化學成分也會發生變化，導致在配料中加入的工業氧化鋁數量不盡相同，所以至今沒有得出壹個既經濟又實用的結論。粉煤灰化學成分的變化直接影響著合成莫來石原料的配比問題。
( 2) 合成堇青石
堇青石 ( Cordierite) 也是壹種被廣泛應用的陶瓷和耐火礦物原料，它是 MgO-Al2O3-SiO2系中壹個低熔點 ( 約 1470℃) 相，其優點是在莫來石及其他高級氧化物陶瓷中具有極低的熱膨脹系數和極好的抗熱震性能 ( Chowdhury 等，2007) 。由於堇青石還具有高的電阻率和低的介電常數 ( 表 1. 5) ，所以常常被制作為陶瓷基片替代剛玉基片廣泛應用於微電子工業 ( Camerucci 等，2001，2003) 。
工業用堇青石的合成原料主要有兩種: 壹種是 “黏土 + 滑石 + ( 氧化鋁或氧化矽) ”，另壹種是 “黏土 + Mg ( OH)2+ 少量添加劑” ( Yalamac 等，2006) 。由於粉煤灰的化學成分與黏土礦物的化學成分相似，所以可以用粉煤灰替代黏土礦物合成堇青石。
表 1. 5 堇青石與剛玉基片性能比較
( 據倪文等，1995)
與合成莫來石情況相似，利用粉煤灰合成堇青石的文獻雖有報道，但數量極少。1995年，Sampathkumar 等在 《Materials Research Bulletin》上首次發表了 “利用粉煤灰合成 α-堇青石 ( 印度石) ”壹文。他們采用的原料為 “粉煤灰 + 滑石 + 氧化鋁”，按照堇青石的化學計量配比 ( MgO 13. 8%，Al2O334. 8% ，SiO251. 4% ) ，在 1370℃ 下合成了理想的堇青石礦物，經 XRD 分析只有堇青石相存在。合成樣品的材料性能 ( 包括熱膨脹系數) 可與常規原料合成的堇青石相媲美。
Kumar 等 ( 2000) 采用 “原始粉煤灰 + 滑石 + 氧化鋁” 和 “處理後粉煤灰 + 滑石 +氧化鋁”在 1350℃ ×2 h 條件下獲得了較純的堇青石原料。粉煤灰的處理工藝選取了浮選除炭和磁選除鐵兩種方法。獲得的堇青石樣品中主晶相為 α-堇青石 ( 印度石) ，次晶相為β-堇青石和莫來石。另外，在利用原始粉煤灰合成的樣品中還發現有衍射峰強度較低的鐵堇青石相。1350℃合成樣品的密度達到最大值。實驗還表明，在 915℃ ×2 h 合成條件下，出現莫來石、尖晶石 ( Mg、Al) 和 α-Al2O3; 在 1200℃ × 2 h 條件下出現 β-堇青石、莫來石、尖晶石 ( Mg、Al) 和 α-Al2O3; 至 1315℃ × 2 h 條件尖晶石相消失，新出現 α-堇青石相，與 β-堇青石和莫來石相伴生。粉煤灰除炭、除鐵後合成的堇青石樣品密度低於原始粉煤灰合成的堇青石樣品，其物理特性均可與工業堇青石相媲美，而且隨著溫度升高，其斷裂模數優於工業堇青石。
Goren 等 ( 2006) 利用 “粉煤灰 + 滑石 + 熔融氧化鋁和二氧化矽” 在 1350℃ × 3 h 和1375℃ × 1 h 條件下合成了只有壹種晶相的 α-堇青石，並且表明燒結溫度與燒結時間對堇青石再結晶具有同等重要的作用。如果采用 1300℃ ×3 h 條件燒結，得到的堇青石樣品除了主晶相 α-堇青石外，尚有 MgAl2O4尖晶石和方石英次晶相存在。
國內尚未見到利用粉煤灰合成堇青石的報道，僅有的幾篇文獻是利用粉煤灰在 1000℃左右溫度下制備堇青石質玻璃陶瓷 ( Shao 等，2004; He 等，2005; 劉浩等，2006) ，采用的原料除粉煤灰外，還有氧化鋁、堿式碳酸鎂和石英砂，以彌補粉煤灰中 Al2O3、MgO和 SiO2的不足。此法制備堇青石玻璃陶瓷的優點是取其堇青石的低介電常數、低熱膨脹性能和較高的強度，獲得性能優異的玻璃陶瓷; 缺點是首先需要 1500℃ × 2 h 條件熔制基礎玻璃或母體玻璃，然後淬冷、粉碎、再熔融，至少 3 次以確保均質性，成型後在800 ± ℃ × 2 h 條件核化，1000 ± ℃ × 2 h 條件晶化。燒結法制備微晶玻璃的壹般工藝流程為: 配料→熔制→淬冷→粉碎→成型→燒結，工藝相對復雜，能耗較高。張學斌等 ( 2006)用 Al2O3含量為32. 99%的粉煤灰，在1100 ～1350℃添加40%造孔劑 ( 澱粉) 試制堇青石多孔陶瓷，優化的燒結條件為 1300℃ ×4 h。
利用高鋁粉煤灰制備堇青石 ( 2MgO·2Al2O3·5SiO2) 與制備莫來石 ( 3Al2O3·2SiO2)相比，其最大的優點在於，以我國盛產的優質低價滑石 ( 或滑石粉) 為原料，替代莫來石制備中添加的價格昂貴的工業氧化鋁 ( 或鋁土礦) ，以降低制備成本。因為莫來石礦物中 Al2O3的含量高達71. 8%，而堇青石礦物中 Al2O3含量僅為34. 8%。利用高鋁粉煤灰合成堇青石與合成莫來石生產工藝相似，存在的問題同樣是粉煤灰中雜質的預處理。但對高鋁粉煤灰合成堇青石而言，粉煤灰中 MgO 為有利成分，因為堇青石中 MgO 的理論值為 13. 8%。