目前，粉煤灰的主要利用方向之一是逐步由粗放型、低级别利用向高技术、高附加值利用方向发展，这也是近几年来国内、外众多学者致力研究的热点问题之一。
Iyer 和 Scott ( 2001) 对粉煤灰的高附加值利用做过甚为全面的总结，包括利用粉煤灰制备沸石、合成莫来石、生产玻璃质材料、制作复合材料、用作废物处理的吸附剂、废物固化、回收有用金属及矿物材料以及粉煤灰在农业方面的应用等。但是，正如他们在结论中所指出的: 这些重要开发领域的多数研究成果仍然处于实验室阶段，要实现工业化生产还需要大量的工作要做。Querol 等 ( 2002) 对利用粉煤灰制备沸石的研究进展作过专门评述，并且指出: 尽管利用粉煤灰合成沸石所占比例较小，但由于沸石的环境效益，这一研究备受关注。
我国在粉煤灰利用方面也做出了杰出贡献，涌现了大量的专利技术 ( 魏荣森，2004) 。在粉煤灰的高附加值利用领域，主要有合成莫来石 ( 邵刚勤等，1997) 、制备沸石 ( 王德举等，2002) 、制作复合材料 ( 王明珠等，2005) 、提取氧化铝 ( 赵剑宇等，2003) 、生产复合肥 ( 孙克刚等，2002) 等，但目前能够实现工业化生产的实例少之又少( Iyer 等，2001; Querol 等，2002; Chandra 等，2005; Rohatgi 等，2006) 。
下面重点对利用粉煤灰烧结合成莫来石和合成堇青石的情况做一详细介绍。
( 1) 合成莫来石
莫来石 ( Mullite) 是一种矿物，因产于苏格兰北部的 Mull 岛而得名。莫来石具有高熔点 ( 约 1890℃) 、高剪切模量和良好的抗蠕变、抗热震、抗侵蚀等性能，被广泛应用于耐火材料和陶瓷工业。Schneider 等 1994 年在 《Mullite and Mullite Ceramics》专著中对莫来石的化学成分、晶体结构及物理、化学特性，以及莫来石产品的工业合成与利用进行过详细的论述; 2008 年又结合近期研究成果对莫来石的结构和特性进行了评述 ( Schneider等，2008) 。表 1. 4 列出了莫来石及其他高级氧化物陶瓷的热-力学性能。
表 1. 4 莫来石及其他高级氧化物陶瓷的热-力学性能
( 据Schneider 等，2008)
1cal = 4. 184J。
目前，世界上电熔莫来石的消耗量为 ( 1 ～2) ×104t / a，烧结莫来石的消耗量为 ( 50 ～60) × 104t / a ( 张秀勤等，2002) 。由于莫来石是高温、低压特殊条件下形成的产物，在自然界中极其罕见，至今未发现具有工业性价值的矿床。工业上利用的莫来石全部来自人工合成，包括烧结莫来石、电熔莫来石和化学莫来石，采用的原料主要有硅石、高岭石、高铝矾土或工业氧化铝等，按照莫来石的理论配比进行合成。其中天然原料烧结合成莫来石，占莫来石工业化生产的绝大部分。
国内、外用粉煤灰烧结合成莫来石的文献并不多，其中最早的研究见于 Ohtake 等( 1991) 的文献宽颂宽，其方法是用处理过的粉煤灰与 γ-Al2O3按 1∶1 比例混合加热到 1400℃，获得了 80%含量的莫来石，其性能几乎可以与商业性莫来石相比较。Hwang 等 ( 1994)和 Huang 等 ( 1995) 用 F 类处理粉煤灰与 Al2O3按近似1∶1 比例混合在1400 ～1600℃合成了 85%以上的莫来石，并且得出 C 类灰不能合成莫来石的结论。Jung 等 ( 2001) 用含8. 27% Fe2O3和 3. 57% CaO 的粉煤灰和 Al2O3以化学计量的莫来石 ( 71. 8% Al2O3，28. 2% SiO2，Al2O3/ SiO2质量比为 2. 55) 配比也合成出了高质量的莫来石。
国内利用粉煤灰合成莫来石的文献慎亮出现于樱烂 1994 年，主要研究莫来石含量与烧成温度以及化学成分之间的关系 ( 陈震宙等，1994) ，利用处理过的粉煤灰和工业氧化铝同样可以合成出 M50、M60 和 M70 系列的莫来石产品，某些理化性能甚至能达到国家一级莫来石标准 ( 孙俊民等，1999) 。利用粉煤灰和氧化铝为原料合成的莫来石比用高岭土和氧化铝反应制取的莫来石生产成本要低 20% ～30% ( 周忠华，2003) 。
用粉煤灰合成莫来石在理论和实践上都是可行的，存在的主要问题有 3 个:
第一个问题是粉煤灰中杂质含量较高，特别是 Fe2O3、CaO、MgO、TiO2，而且 K2O、Na2O 含量也往往高于常规原料，所以用粉煤灰合成莫来石基本上都要进行去杂质处理，清除的程度取决于合成莫来石的质量要求和经济上的可行性。从国家行业标准 《全天然料烧结莫来石》( YB/T5267―1999) 来看，有些指标要达到要求是很难的，如 Fe2O3含量小于 1. 0%，TiO2含量小于 2. 0%，K2O + Na2O 含量小于 0. 3% 。对莫来石质量指标的制定是针对铝矾土为原料烧结而言的，而粉煤灰是电厂燃煤排放的工业废物，用来合成莫来石尚没有国家标准。可喜的是 2005 年 12 月 1 日开始实施的国家行业新标准 《烧结莫来石》( YB/T5267―2005) 已经颁布，新标准中将 Fe2O3、TiO2和 K2O + Na2O 的最大允许量分别放宽到 1. 5%、3. 5% 和 2. 5% ( 其中 Na2O≤0. 3% ) ，以利于资源的综合和合理利用。根据实验情况，含 8. 27% Fe2O3( Jung 等，2001) ，或含 2. 22% TiO2( 陈江峰等，2007) ，或含 2. 8% K2O ( Huang 等，1995) ，或含 0. 64% Na2O ( 孙俊民等，1999) 含量的粉煤灰与工业氧化铝混合，仍然能够合成出含量大于 70% 的莫来石。而含 60% 以上莫来石的材料就有良好的高温热稳定性能 ( 陈震宙等，1994) 。所以，利用粉煤灰合成的莫来石，同样可以广泛用于耐火材料或陶瓷工业。
第二个问题是加入的工业氧化铝数量，因为粉煤灰中 Al2O3含量一般在 15. 2% ～36. 1% ，平均 26. 1% ( 陈江峰等，2005) ，要合成 M50、M60 和 M70 的莫来石必需添加大量的工业氧化铝，而 2005 年 10 月 13 日公布的工业氧化铝市场价格为 4660 元/吨，这势必增加合成成本。因此，必须采用 Al2O3含量较高的粉煤灰或经处理后提高了铝硅比的粉煤灰，在经济可行性条件下才能获得高附加值的莫来石产品。
第三个问题是合成条件，不同研究者在利用粉煤灰合成莫来石时采用的成型压力、合成温度和恒温时间不尽相同，这是因为不同电厂粉煤灰的化学成分不同，甚至同一电厂因燃煤来源不同其粉煤灰的化学成分也会发生变化，导致在配料中加入的工业氧化铝数量不尽相同，所以至今没有得出一个既经济又实用的结论。粉煤灰化学成分的变化直接影响着合成莫来石原料的配比问题。
( 2) 合成堇青石
堇青石 ( Cordierite) 也是一种被广泛应用的陶瓷和耐火矿物原料，它是 MgO-Al2O3-SiO2系中一个低熔点 ( 约 1470℃) 相，其优点是在莫来石及其他高级氧化物陶瓷中具有极低的热膨胀系数和极好的抗热震性能 ( Chowdhury 等，2007) 。由于堇青石还具有高的电阻率和低的介电常数 ( 表 1. 5) ，所以常常被制作为陶瓷基片替代刚玉基片广泛应用于微电子工业 ( Camerucci 等，2001，2003) 。
工业用堇青石的合成原料主要有两种: 一种是 “黏土 + 滑石 + ( 氧化铝或氧化硅) ”，另一种是 “黏土 + Mg ( OH)2+ 少量添加剂” ( Yalamac 等，2006) 。由于粉煤灰的化学成分与黏土矿物的化学成分相似，所以可以用粉煤灰替代黏土矿物合成堇青石。
表 1. 5 堇青石与刚玉基片性能比较
( 据倪文等，1995)
与合成莫来石情况相似，利用粉煤灰合成堇青石的文献虽有报道，但数量极少。1995年，Sampathkumar 等在 《Materials Research Bulletin》上首次发表了 “利用粉煤灰合成 α-堇青石 ( 印度石) ”一文。他们采用的原料为 “粉煤灰 + 滑石 + 氧化铝”，按照堇青石的化学计量配比 ( MgO 13. 8%，Al2O334. 8% ，SiO251. 4% ) ，在 1370℃ 下合成了理想的堇青石矿物，经 XRD 分析只有堇青石相存在。合成样品的材料性能 ( 包括热膨胀系数) 可与常规原料合成的堇青石相媲美。
Kumar 等 ( 2000) 采用 “原始粉煤灰 + 滑石 + 氧化铝” 和 “处理后粉煤灰 + 滑石 +氧化铝”在 1350℃ ×2 h 条件下获得了较纯的堇青石原料。粉煤灰的处理工艺选取了浮选除炭和磁选除铁两种方法。获得的堇青石样品中主晶相为 α-堇青石 ( 印度石) ，次晶相为β-堇青石和莫来石。另外，在利用原始粉煤灰合成的样品中还发现有衍射峰强度较低的铁堇青石相。1350℃合成样品的密度达到最大值。实验还表明，在 915℃ ×2 h 合成条件下，出现莫来石、尖晶石 ( Mg、Al) 和 α-Al2O3; 在 1200℃ × 2 h 条件下出现 β-堇青石、莫来石、尖晶石 ( Mg、Al) 和 α-Al2O3; 至 1315℃ × 2 h 条件尖晶石相消失，新出现 α-堇青石相，与 β-堇青石和莫来石相伴生。粉煤灰除炭、除铁后合成的堇青石样品密度低于原始粉煤灰合成的堇青石样品，其物理特性均可与工业堇青石相媲美，而且随着温度升高，其断裂模数优于工业堇青石。
Goren 等 ( 2006) 利用 “粉煤灰 + 滑石 + 熔融氧化铝和二氧化硅” 在 1350℃ × 3 h 和1375℃ × 1 h 条件下合成了只有一种晶相的 α-堇青石，并且表明烧结温度与烧结时间对堇青石再结晶具有同等重要的作用。如果采用 1300℃ ×3 h 条件烧结，得到的堇青石样品除了主晶相 α-堇青石外，尚有 MgAl2O4尖晶石和方石英次晶相存在。
国内尚未见到利用粉煤灰合成堇青石的报道，仅有的几篇文献是利用粉煤灰在 1000℃左右温度下制备堇青石质玻璃陶瓷 ( Shao 等，2004; He 等，2005; 刘浩等，2006) ，采用的原料除粉煤灰外，还有氧化铝、碱式碳酸镁和石英砂，以弥补粉煤灰中 Al2O3、MgO和 SiO2的不足。此法制备堇青石玻璃陶瓷的优点是取其堇青石的低介电常数、低热膨胀性能和较高的强度，获得性能优异的玻璃陶瓷; 缺点是首先需要 1500℃ × 2 h 条件熔制基础玻璃或母体玻璃，然后淬冷、粉碎、再熔融，至少 3 次以确保均质性，成型后在800 ± ℃ × 2 h 条件核化，1000 ± ℃ × 2 h 条件晶化。烧结法制备微晶玻璃的一般工艺流程为: 配料→熔制→淬冷→粉碎→成型→烧结，工艺相对复杂，能耗较高。张学斌等 ( 2006)用 Al2O3含量为32. 99%的粉煤灰，在1100 ～1350℃添加40%造孔剂 ( 淀粉) 试制堇青石多孔陶瓷，优化的烧结条件为 1300℃ ×4 h。
利用高铝粉煤灰制备堇青石 ( 2MgO・2Al2O3・5SiO2) 与制备莫来石 ( 3Al2O3・2SiO2)相比，其最大的优点在于，以我国盛产的优质低价滑石 ( 或滑石粉) 为原料，替代莫来石制备中添加的价格昂贵的工业氧化铝 ( 或铝土矿) ，以降低制备成本。因为莫来石矿物中 Al2O3的含量高达71. 8%，而堇青石矿物中 Al2O3含量仅为34. 8%。利用高铝粉煤灰合成堇青石与合成莫来石生产工艺相似，存在的问题同样是粉煤灰中杂质的预处理。但对高铝粉煤灰合成堇青石而言，粉煤灰中 MgO 为有利成分，因为堇青石中 MgO 的理论值为 13. 8%。