煤矸石對粉煤灰陶粒濾料性能的影響

趙 爽 劉 挺 王 超 謝高偉 王菊俠

(陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院 陜西 蒲城 715500)

前言

粉煤灰陶粒濾料是一種人造球形濾料，是以粉煤灰為主料，添加一定量的粘結(jié)劑和造孔劑，經(jīng)混合、成球、燒結(jié)而制成。粉煤灰陶粒濾料表面粗糙堅(jiān)硬，內(nèi)部多微孔，密度低、比表面積大、表面能高、吸附性強(qiáng)，且易于再生，便于重復(fù)利用，被廣泛的應(yīng)用于生活用水凈化、工業(yè)污水處理等行業(yè)。

造孔劑即氣孔形成劑，是制備粉煤灰陶粒濾料常用的添加劑。陜西省煤炭儲(chǔ)量豐富，煤炭挖掘開采和洗煤過程中排出的廢棄物——煤矸石，由于其自身為可燃物，且燃盡后形成氣孔，可達(dá)到造孔效果。

筆者利用工業(yè)廢料煤矸石作為造孔劑來研究其對粉煤灰陶粒濾料性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)選用的主要原料為陜西渭北發(fā)電廠的粉煤灰，原料的化學(xué)組成見表1，粉煤灰樣品細(xì)度測試結(jié)果見表2。

表1 兩種原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

以可塑粘土為粘結(jié)劑，其化學(xué)組成見表1。

以煤矸石為造孔劑，其化學(xué)組成見表3。

表2 粉煤灰樣品細(xì)度測試結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)通過添加不同比例的造孔劑——煤矸石制備粉煤灰陶粒濾料，其原理是利用煤矸石經(jīng)過燒結(jié)反應(yīng)后產(chǎn)生的氣體逸出,使得原本被占據(jù)的空間成為氣孔。故要對煤矸石在燒結(jié)過程中的變化進(jìn)行研究, 以便制定合適的燒結(jié)工藝。筆者對煤矸石進(jìn)行了TG-DTA分析, 結(jié)果如圖1所示。

表3 煤矸石的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

圖l 煤矸石的TG-DTA曲線

圖1中煤矸石的TG-DTA 曲線溫度為102～408 ℃時(shí)，煤矸石附著水脫出，形成吸熱谷，在TG曲線上質(zhì)量緩慢減少，513 ℃處的吸熱谷是由煤矸石脫去羥基水形成，在513～741 ℃，TG曲線上質(zhì)量大幅減少，此處有劇烈的放熱反應(yīng)發(fā)生，在1 067 ℃處又出現(xiàn)放熱峰，TG曲線上質(zhì)量隨溫度變化微小。根據(jù)TG-DTA分析結(jié)果，設(shè)定燒成溫度為1 200 ℃，以保證原料各組分反應(yīng)完全并趨于穩(wěn)定。

1.3 試驗(yàn)流程(見圖2)

圖2 粉煤灰陶粒濾料工藝流程圖

1)配料。將原料分別破碎，使用球磨機(jī)磨細(xì)并過篩，將粉煤灰、可塑粘土以一定的比例混合，分別摻入不同比例的煤矸石。

2)混料。將配料用V35混料機(jī)均勻混合30 min以上。

3)成形。使用BYJ800造粒機(jī)進(jìn)行球體顆粒成型，水分控制在10%～15%。

4)干燥。將制備好的半成品顆粒在合適的溫度和濕度下放置一段時(shí)間。

5)燒結(jié)。將干燥好的半成品顆粒使用箱式電阻爐在1 200 ℃的燒結(jié)溫度下進(jìn)行燒結(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料燒失率的影響

由圖3可知，隨著煤矸石比例的提高, 粉煤灰陶粒濾料的燒失率逐漸增大。這是由于煤矸石的燒失量大于粉煤灰和粘土，因而其含量越高燒失率越高。

圖3 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料燒失量的影響

2.2 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料吸水率和比表面積的影響

采用煮沸法測量粉煤灰陶粒濾料的吸水率，其結(jié)果如圖4所示。隨著煤矸石含量的增加，粉煤灰陶粒濾料的吸水率逐漸增大。這是因?yàn)槊喉肥暮吭礁撸跓Y(jié)時(shí)，煤矸石中的碳與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣體就越多，所以形成的粉煤灰陶粒濾料的微孔越多，導(dǎo)致樣品吸水率增大。同樣，比表面積也逐漸增大。碳與氧氣的化學(xué)反應(yīng)式如下：

圖4 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料吸水率和比表面積的影響

2.3 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料堆積密度和強(qiáng)度的影響

利用CJ/T 299-2008測試粉煤灰陶粒濾料堆積密度。采用壓力機(jī)測試陶粒濾料的強(qiáng)度，具體方法為：稱取粉煤灰陶粒濾料樣品約30 g，倒入破碎室內(nèi)，在5 MPa壓強(qiáng)下測試，加壓1 min，并保壓2 min。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料堆積密度和破碎率的影響

由圖5可知，粉煤灰陶粒濾料堆積密度隨著煤矸石用量的增大而減小, 這是因?yàn)槊喉肥康脑龃笫固樟V料的微孔率增大，從而使堆積密度下降。微孔增多的同時(shí)，造成粉煤灰濾料內(nèi)部物質(zhì)之間的連接點(diǎn)減少，使陶粒濾料的強(qiáng)度下降，破碎率增大。

2.4 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料耐酸率和耐堿率的影響

由圖6可知，隨著煤矸石用量的提高，強(qiáng)酸堿腐蝕率增加。這是因?yàn)殡S著煤矸石含量的增大，粉煤灰陶粒濾料孔隙逐漸增多，比表面積增大，酸堿可接觸的面積大大增加，造成粉煤灰陶粒濾料的強(qiáng)酸堿腐蝕率增加，耐酸堿性減小，其中鹽酸可溶率高于燒堿可溶率，表明其耐堿性要好于耐酸性。

圖6 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料耐酸率和耐堿率的影響

3 結(jié)論

粉煤灰陶粒濾料的燒失、吸水率及比表面積隨著煤矸石比例的提高逐漸增大，但燒失增加幅度逐漸減緩，而堆積密度、強(qiáng)度和耐酸堿性卻不斷降低，其耐堿性要優(yōu)于耐酸性。