激發(fā)劑摻量對固硫灰基地質(zhì)聚合物強度和固化Pb2+性能的影響

曹旺均，陳宇肇，陳仕國

(1.中國華電集團福建分公司，福州 350013； 2.福建華電永安發(fā)電有限公司，福建 三明 366099；3.華電電力科學研究院，杭州 310030)

激發(fā)劑摻量對固硫灰基地質(zhì)聚合物強度和固化Pb2+性能的影響

曹旺均1，陳宇肇2，陳仕國3

(1.中國華電集團福建分公司，福州 350013； 2.福建華電永安發(fā)電有限公司，福建 三明 366099；3.華電電力科學研究院，杭州 310030)

為有效利用大量堆存的循環(huán)流化床燃煤固硫灰，以固硫灰為原料制備固硫灰基地質(zhì)聚合物。開展了堿性激發(fā)劑摻量對地質(zhì)聚合物強度影響的研究，并利用感應(yīng)耦合等離子體法研究了地質(zhì)聚合物對Pb2+的固化性能。研究結(jié)果表明：激發(fā)劑中n(Na2O)/n(SiO2)為0.27時，固硫灰基地質(zhì)聚合物強度達到最高值，n(Na2O)/n(SiO2)高于0.27時，強度幾乎不變；固硫灰基地質(zhì)聚合物固化Pb2+的能力隨著激發(fā)劑摻量的增加而提高。

循環(huán)流化床；固硫灰；地質(zhì)聚合物；激發(fā)劑；摻量；強度；Pb2+；固化

表1 固硫灰化學成分 %

0 引言

地質(zhì)聚合物(geopolymer)是由法國Davidovits教授發(fā)明的一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型堿激發(fā)材料，該材料具備抗壓強度高、快硬早強、耐久性優(yōu)、耐高溫、可固化重金屬離子等特性，主要以高硅高鋁質(zhì)的天然黏土(高嶺土)、工業(yè)廢渣(如粉煤灰、礦渣等)等為原料，在堿性激發(fā)劑的作用下制備而成[1]。

循環(huán)流化床燃煤固硫灰是煤在流化床鍋爐中燃燒后由煙道收集的粉塵。我國固硫灰的年排放量在2 500萬t左右，固硫灰的大量堆存對環(huán)境產(chǎn)生了巨大的安全隱患，亟需大用量、工程化資源利用途徑。固硫灰中含有大量的SiO2，Al2O3等組分，具備作為制備地質(zhì)聚合物原料的潛力。王海龍[2]以固硫灰為原料，成功制備了地質(zhì)聚合物。Xu等[3]以固硫灰為原材料制備出能有效固化核素Sr的地聚合物固化體。Li等[4]用固硫灰和固硫渣成功制備了地質(zhì)聚合物。朱強等[5]研究了固化重金屬離子用地質(zhì)聚合物基體的制備及其離子相容性。K.Krausova等[6]研究了熱處理對地質(zhì)聚合物固化Pb2+和Cd2+性能的影響。因此，利用固硫灰制備地質(zhì)聚合物成為一條固硫灰資源化利用的途徑。

本文以固硫灰為原料，以NaOH和水玻璃作為堿性激發(fā)劑，研究激發(fā)劑的摻量對固硫灰基地質(zhì)聚合物強度和固化Pb2+性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

固硫灰為福建華電永安發(fā)電有限公司循環(huán)流化床鍋爐干法排放的固硫灰，化學成分見表1，礦物組成如圖1所示。激發(fā)劑為由NaOH和水玻璃配制的復合堿激發(fā)劑溶液。

圖1 固硫灰礦物組成

1.2 試驗方法

將固硫灰和摩爾比n(Na2O)/n(SiO2)分別為0.15，0.23，0.27，0.32，0.38的激發(fā)劑溶液攪拌均勻后倒入模具中成型，在設(shè)定的養(yǎng)護條件下(如圖2所示)分別養(yǎng)護不同齡期(1 d和7 d)，然后進行抗壓強度測試、產(chǎn)物表征和重金屬浸出性分析。

圖4 固硫灰顆粒及固硫灰基地質(zhì)聚合物微觀形貌分析

圖2 固硫灰基地質(zhì)聚合物養(yǎng)護制度

抗壓強度試驗采用20 mm×20 mm×20 mm的試件，利用日本理學公司生產(chǎn)的萬用壓力試驗機完成。固硫灰的化學成分利用RIX-2100型X-射線熒光光譜儀進行分析；試樣的晶體結(jié)構(gòu)利用RINT-1100型X-射線衍射儀(CuKα靶)進行分析，管電流和管電壓分別為40 mA和40 kV；采用JSM-6510型掃描電鏡對試樣進行微觀分析；采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀分析重金屬浸出性。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 抗壓強度分析

固硫灰基地質(zhì)聚合物抗壓強度試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著n(Na2O)/n(SiO2)的增加，1 d和7 d的地質(zhì)聚合物強度呈先增加后平穩(wěn)發(fā)展的趨勢。當n(Na2O)/n(SiO2)為0.27時，固硫灰基地質(zhì)聚合物抗壓強度達到最高值；當n(Na2O)/n(SiO2)大于0.27時，其抗壓強度呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢。當激發(fā)劑的摻加量增加時，n(Na2O)/n(SiO2)提高，固硫灰中Si和Al的溶出率提高，促進了聚合反應(yīng)的發(fā)生。當溶液中堿的質(zhì)量濃度超過一定值時，過量的堿阻礙了硅鋁基團的縮聚作用，致使強度不再增加[7]。

圖3 固硫灰基地質(zhì)聚合物抗壓強度

2.2 微觀形貌分析

圖4a，4b分別為固硫灰顆粒和固硫灰基地質(zhì)聚合物的微觀形貌。由圖4a可見，固硫灰顆粒表面粗糙，顆粒大小不一，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。經(jīng)過堿性激發(fā)，地質(zhì)聚合物形成于固硫灰顆粒表面，近乎為球狀(圖4b所示)。從圖4b可以看出，固硫灰基地質(zhì)聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對疏松，這可能也是導致其抗壓強度不高的原因之一。

2.3 固化Pb2+性能分析

作者利用ICP(感應(yīng)耦合等離子體)法研究了n(Na2O)/n(SiO2)對固硫灰基地質(zhì)聚合物固化Pb2+性能的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著n(Na2O)/n(SiO2)的增加，固硫灰基地質(zhì)聚合物浸出液中Pb2+質(zhì)量濃度明顯下降，說明固硫灰基地質(zhì)聚合物對Pb2+的固化性能逐漸增加；同時，浸出液的pH值也隨之增加，原因在于n(Na2O)/n(SiO2)與激發(fā)劑摻量成正比。此外，養(yǎng)護1 d的固硫灰基地質(zhì)聚合物中Pb2+的浸出質(zhì)量濃度均大于7 d的，說明地質(zhì)聚合物對Pb2+的固化性能與強度在一定程度上成正比。

地質(zhì)聚合物固化重金屬離子主要有物理和化學兩種方式。物理方式主要是地質(zhì)聚合物特有的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對重金屬離子的吸附和封存作用[8]。研究表明[9-10]，地質(zhì)聚合物可固化溶液中的重金屬離子，龍伏梅等[11]研究了吸附能力的影響因素，認為地質(zhì)聚合物的配比影響了吸附性能?；瘜W方式是指重金屬離子鍵合到地質(zhì)聚合物的骨架結(jié)構(gòu)中，或以比較弱的結(jié)合形式與地質(zhì)聚合物的聚合鏈發(fā)生鍵合[8]。相關(guān)研究表明[12-14]，地質(zhì)聚合物中的Pb2+主要靠化學形式被固化在不定形相中，但具體的固化機理尚需進一步研究。

圖5 固硫灰基地質(zhì)聚合物固化Pb2+性能

3 結(jié)論

(1)固硫灰基地質(zhì)聚合物強度隨激發(fā)劑摻量的增加而增加，當n(Na2O)/n(SiO2)大于0.27時，固硫灰基地質(zhì)聚合物抗壓強度呈現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)展趨勢。

(2)固硫灰基地質(zhì)聚合物對Pb2+有一定的固化作用，隨著n(Na2O)/n(SiO2)和養(yǎng)護時間的增加，固化作用增強，但固化機理有待進一步研究。

[1]陳仕國,王群英, 應(yīng)光偉,等.NaOH摻量對固硫灰基地質(zhì)聚合物強度影響研究[J].硅酸鹽通報,2016,35(10):3362-3366，3372.

[2]王海龍.固硫灰制備地聚合物實驗研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(5):1392-1396.

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[4]LI Q,XU H,LI F,et al.Synthesis of geopolymer composites from blends of CFBC fly and bottom ashes[J].Fuel,2012,97(7):366-372.

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[6]KRAUSOVA K,CHENG T W,GAUTRON L,et al.Heat treatment on fly and bottom ash based geopolymers: Effect on the immobilization of lead and cadmium[J].International journal of environmental science and development，2012，3(4)：350-353.

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X 705

A

1674-1951(2017)12-0053-03

2017-08-21；

2017-11-29

(本文責編：劉芳)

曹旺均(1973—)，男，福建沙縣人，工程師，從事燃煤、粉煤灰管理工作(E-mail:fz6666@139.com)。陳宇肇(1970—)，男，福建漳平人，高級工程師，工學碩士，從事火電廠生產(chǎn)、運行管理工作(E-mail:zpcyz@vip.163.com)。陳仕國(1987—)，男，山東臨沂人，工程師，工學碩士，從事燃煤電廠固廢利用研究工作(E-mail:hpuchenshiguo@163.com)。