内蒙古中西部、山西北部作为我国重要的大型能源基地，年消耗原煤近3亿吨用于燃煤发电，该区域年排放高铝粉煤灰（HAFA）超3000万吨，HAFA的大量堆积对当地生态环境造成极大的破坏。从资源角度来看，HAFA中Al2O3与SiO2的含量一般均超过40%，矿相组成主要以莫来石、刚玉、非晶态铝硅酸盐为主，因此利用HAFA制备系列铝硅材料成为其资源化利用的重要途径。本论文针对HAFA铝硅比低、粉体呈脊性难成型、杂质含量高影响材料综合性能等问题，提出机械化学活化-深度脱硅制备莫来石基复合材料新工艺，重点开展HAFA元素赋存状态与反应活性的关联性、碱磨活化-深度脱硅工艺及机理、碱磨脱硅灰制备莫来石基多孔陶瓷材料、酸磨活化除杂-深度脱硅工艺及机理、酸磨脱硅灰制备莫来石-钛酸铝复合材料等研究，为HAFA的规模化与高值化利用提供理论及技术支撑。主要研究内容与结论如下：（1）针对HAFA中元素赋存状态与反应活性不明晰的问题，通过多种物理化学手段对其主量元素Al、Si以及影响材料性能的杂质元素Fe、Ti的赋存状态进行研究。研究发现，HAFA中晶相、非晶相、磁性物质的质量占比分别为68.00%、30.16%与1.84%。非晶相中Al-O-Si配位结构主要以Q2(1Al)、Q4(0Al)、Q4(2Al)和Q4(3Al)形式存在，其酸反应活性顺序为Q4(3Al)＞Q4(2Al)＞Q4(1Al)。Fe主要以磁性物质和铁固溶体的形式存在，在晶相、非晶相和磁性物质中的占比分别为15.98%、49.24%和34.78%。Ti主要以二氧化钛和钛固溶体的形式存在，在晶相、非晶相和磁性物质中的质量占比分别为69.41%、29.34%和1.25%。利用密度泛函理论计算与浸出实验相结合的方式，研究Fe/Ti的浸出反应活性，发现Ti比Fe更稳定的存在于HAFA中。（2）基于非晶相铝硅配位与其反应活性的关联性，针对HAFA脱硅过程中沸石相易生成、脱硅效率低等问题，为进一步提升脱硅效率，提出碱磨机械化学活化-深度脱硅工艺。随着固体NaOH进入HAFA内部，HAFA与固体NaOH之间发生“固-固反应”，降低脱硅反应过程的传质阻力，解决因沸石相生成而无法深度脱硅的问题，在最佳工艺条件下，脱硅率可以达到54.47%，碱磨脱硅灰的铝硅比由1.23提升至2.58，矿相结构以莫来石与刚玉相为主。经过碱磨脱硅反应，HAFA中Ca/Na/K等碱金属元素未被脱除，这些杂质元素可以有效降低材料制备过程的烧结温度，促进烧结过程。（3）以HAFA规模化利用为导向，结合上述碱磨脱硅灰富含莫来石-刚玉相、熔融特性好的特点，提出碱磨脱硅灰梯度控温制备莫来石基多孔陶瓷材料工艺路线。采用添加造孔剂的方法，考察造孔剂形貌、造孔剂掺量、烧结温度、成型压力、保温时间等因素对产品性能的影响规律，最佳工艺条件为：以鳞片石墨作为造孔剂，成型压力为120 MPa、烧结温度为1450 ℃、烧结时间为2 h，制备所得的莫来石基多孔陶瓷的显气孔率为35.21%，材料的体积密度为2.01 g/cm3，吸水率为16.90%，抗压强度为8.14 MPa，抗折强度为41.04 MPa，酸/碱腐蚀质量损失率分别为0.11%与0.22%，各项性能指标均满足《多孔陶瓷产品通用技术条件》（GB/T16533-1996）的要求。（4）针对碱磨活化-深度脱硅过程无法实现HAFA中杂质元素有效脱除的问题，限制其高端化利用，提出酸磨机械化学活化-深度脱硅工艺，解决HAFA中非晶相铝硅配位活性低、脱硅难、杂质含量高等问题。利用HAFA与HCl发生“固-液反应”，强化部分活性铝与杂质元素迁移至液相体系，丰富了HAFA的孔道结构，降低了HAFA的粒径，增加了HAFA的比表面积，晶相与非晶相间的包裹状态被逐渐解离；惰性配位结构Q4(3Al)含量由26.25%降至10.82%，高活性的Q4(2Al)含量从4.46%增加至35.32 ，粉体的反应活性得以提升。酸磨活化灰经过碱脱硅后，灰样的铝硅比由1.23提高至2.41，棒状莫来石结构得到充分暴露，粉体的塑性得以提升。（5）以HAFA高值化利用为导向，结合上述酸磨脱硅灰富含莫来石-刚玉相、杂质含量低的特点，基于莫来石与钛酸铝热膨胀系数的差异性，提出酸磨脱硅灰与钛酸铝复配制备莫来石-钛酸铝复合材料工艺路线。在温度场驱使下促进莫来石中Al与钛酸铝中Ti相互填隙形成固溶体，考察烧结温度与脱硅灰掺量对复合材料综合性能的影响，最佳工艺条件为：酸磨脱硅灰与钛酸铝质量比为9:1、反应温度为1500 ℃、烧结时间为3 h，所制备的莫来石-钛酸铝复合材料体积密度达到3.08 g/cm3，抗压强度达到164.64 MPa，抗折强度为84.70 MPa，热膨胀系数为7.02E-6 /℃。