粉煤灰提鋁殘渣、脫硫石膏、礦渣制備輕質(zhì)保溫板試驗研究*

金 彪，汪 瀟，楊留栓，2

（1.河南城建學院材料與化工學院，河南平頂山467036；2.河南科技大學材料科學與工程學院）

粉煤灰提鋁殘渣是采用酸溶法［1-2］、堿石灰燒結(jié)法［3］或酸堿聯(lián)合法提取Al2O3后的尾渣。提鋁工藝使得粉煤灰顆粒表面嚴重腐蝕，玻璃微珠結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞，導致比表面積大、顆粒細小、疏松多孔［4］，因此該尾渣具有較高的活性。粉煤灰提鋁殘渣綜合利用方式主要有生產(chǎn)水泥［5-7］、制備蒸壓磚［8］、生產(chǎn)陶粒［9］、增強瀝青混合料［10］等建筑材料方面。 脫硫石膏是對燃煤或者燃油等含硫燃料燃燒產(chǎn)生的硫氧化物進行脫硫凈化處理得到的石膏，主要產(chǎn)生于燃煤電廠的煙氣脫硫工藝。脫硫石膏的粒徑主要集中在20～80 μm［11］，含有質(zhì)量分數(shù)約為 10%的游離水，主要礦物成分是二水硫酸鈣晶體（CaSO4·2H2O）。脫硫石膏的綜合利用方式主要是作為生產(chǎn)水泥的緩凝劑［12］、生產(chǎn)石膏板［13］和石膏砌塊、制備粉刷石膏和高強石膏、改良堿化土壤［14］等。發(fā)展以粉煤灰提鋁殘渣、脫硫石膏或礦渣等工業(yè)固體廢棄物為原材料制備輕質(zhì)保溫板，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)固體廢棄物的二次利用，達到保護環(huán)境和節(jié)約能源的目的，而且對于中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重要意義。

筆者首先對粉煤灰提鋁殘渣和脫硫石膏的化學成分、顆粒形貌、礦物組成、粒度分布等基本特性進行分析，然后以粉煤灰提鋁殘渣、脫硫石膏或礦渣為主要原料采用模壓成型法制備輕質(zhì)保溫板，固體廢棄物得到二次利用，實現(xiàn)了社會、環(huán)境與經(jīng)濟效益的和諧統(tǒng)一。同時，研究了粉煤灰提鋁殘渣摻量對輕質(zhì)保溫板導熱系數(shù)、強度、密度的影響，得到生產(chǎn)輕質(zhì)保溫板最佳工藝配方。

1 實驗部分

1.1 粉煤灰提鋁殘渣基本特性

實驗所用粉煤灰提鋁殘渣是高鋁粉煤灰通過堿石灰石燒結(jié)法提取Al2O3后的尾渣。粉煤灰提鋁殘渣是一種淺黃色粉狀固體顆粒，水分質(zhì)量分數(shù)為30%～50%，長期放置容易板結(jié)成塊狀固體，干燥后接近白色。

1）化學成分。利用ZSX PrimusⅡX射線熒光光譜儀對干燥后的粉煤灰提鋁殘渣的化學組成進行分析，結(jié)果見表1。由表1可知，粉煤灰提取Al2O3后的尾渣主要含有Ca、Si元素，Ca來源于粉煤灰本身和堿石灰燒結(jié)法提鋁工藝；由于堿法提鋁技術(shù)無法將鋁完全提取，因此殘渣中仍含有少量Al元素；Fe、Mg等元素則是原粉煤灰中固有的。

表1 粉煤灰提鋁殘渣化學成分

2）粒度分布。采用LS-900型激光粒度分析儀對粉煤灰提鋁殘渣的粒度分布進行檢測，結(jié)果（見圖1a）為 D（10）=6.71 μm，D（50）=17.00 μm，D（90）=30.74 μm。采用錐形球磨機球磨 1 h，結(jié)果為 D（10）=1.72 μm，D（50）=6.05 μm，D（90）=13.59 μm；球磨2 h 結(jié)果為 D（10）=1.65 μm，D（50）=2.20 μm，D（90）=9.72 μm。因此，可以通過球磨的方式對粉煤灰提鋁殘渣進行活化處理。

3）物相組成。采用X′Pert PRO MPD型X射線衍射儀對粉煤灰提鋁殘渣進行物相分析，結(jié)果見圖1b。由圖1b可知，粉煤灰提鋁殘渣主晶相為硅酸二鈣、CaCO3、Ca（OH）2等，另有少量其他礦物相。

圖1 粉煤灰提鋁殘渣粒度分布（a）及XRD譜圖（b）

4）酸堿性測定。稱取1 g粉煤灰提鋁殘渣放入500 mL燒杯中，加入200 mL蒸餾水，超聲波分散5min，攪拌5min，靜置30min。取上層清液，用PHS-3C型pH計測得pH為10.61，呈堿性。

5）顯微形貌。采用QUANTA 450型掃描電子顯微鏡對粉煤灰提鋁殘渣表面形貌進行觀察，結(jié)果見圖2。由圖2看出，堿法提取Al2O3過程對粉煤灰顆粒表面造成了嚴重的腐蝕，顆粒大小不均、表面粗糙不平，玻璃微珠結(jié)構(gòu)遭到破壞，呈疏松多孔狀。表面疏松多孔有利于提高殘渣的活性。

圖2 粉煤灰提鋁殘渣SEM照片

1.2 脫硫石膏基本特性

1）化學組成。實驗所用脫硫石膏為平頂山市某燃煤電廠濕法煙氣脫硫技術(shù)產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)石膏，化學成分見表2。使用時在105℃干燥12 h進行脫水處理。由表2可知，脫硫石膏主要組分SO3質(zhì)量分數(shù)為38.73%。假如試樣中的硫均以SO3的形式存在，將對應81.12%的二水石膏，CaO的對應量為27.11%。然而實際測得CaO的質(zhì)量分數(shù)為33.23%，說明原料中的鈣不都是以二水石膏的形式存在。

表2 脫硫石膏化學成分

2）物相組成和顯微結(jié)構(gòu)分析。圖3為脫硫石膏XRD譜圖（a）和SEM照片（b）。將圖3a中脫硫石膏XRD譜圖與標準譜圖PDF-72-1937、PDF-21-0816、PDF-02-0458對比可知，脫硫石膏中除含有CaSO4·2H2O 外，還含有一定量 SiO2和 CaCO3。

由圖3b可知，脫硫石膏顆粒大小不均、形貌多樣，主要有圓餅狀、板狀、不規(guī)則顆粒狀和球狀。

3）粒度分布。圖4為脫硫石膏粒度分布圖。由圖4看出，脫硫石膏顆粒尺寸主要分布在10～100 μm，顆粒整體較粗，且分布較寬。

圖4 脫硫石膏粒度分布圖

1.3 礦渣性能

實驗所用礦渣為市售礦粉，主要性能見表3。

表3 礦渣的性能

1.4 輕質(zhì)保溫板的制備

將原料干燥處理，按表4進行配料，在強制式攪拌機中攪拌混合5 min，加入外加劑和水之后再攪拌2 min。外加劑為水玻璃，添加量為5%（質(zhì)量分數(shù)）。

表4 輕質(zhì)保溫板配方

將原料混合均勻后倒入模具中在壓力機上壓制成型，成型壓力為 20 MPa，成型尺寸為 240 mm×120 mm×25 mm，保壓1 min。以礦渣為摻合料的保溫板在濕度為90%的環(huán)境下養(yǎng)護7 d，然后在自然條件下養(yǎng)護7 d；以脫硫石膏為摻合料的保溫板在自然條件下養(yǎng)護14 d。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 輕質(zhì)保溫板的密度

圖5為不同摻量粉煤灰提鋁殘渣制備輕質(zhì)保溫板的密度。由圖5看出，隨著粉煤灰提鋁殘渣用量的增加，保溫板的密度整體呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為粉煤灰提鋁殘渣表觀密度小、疏松多孔，導致保溫板的密度降低。摻合料為脫硫石膏時保溫板的密度由1.29 g/cm3降至1.02 g/cm3，摻合料為礦渣時保溫板的密度由1.33 g/cm3降至1.09 g/cm3。摻脫硫石膏的試樣密度較摻礦渣的試樣密度低，這是由于礦渣和脫硫石膏的表觀密度不同引起的。當粉煤灰提鋁殘渣摻量由35%增加到40%時，為保證順利成型，水的加入量由25%增加至30%，體系的固體物質(zhì)含量降低，且粉煤灰提鋁殘渣的活性較低，加入的水有一部分以自由水的狀態(tài)存在，自然養(yǎng)護過程中水分蒸發(fā)導致氣孔率增加，最終使得保溫板的密度降低。

圖5 不同摻量粉煤灰提鋁殘渣制備輕質(zhì)保溫板密度

2.2 輕質(zhì)保溫板的強度

不同摻量粉煤灰提鋁殘渣制備輕質(zhì)保溫板抗壓強度和抗折強度見圖6。隨著粉煤灰提鋁殘渣用量增加，保溫板的強度整體呈現(xiàn)下降趨勢，摻合料為脫硫石膏時抗折強度由1.1 MPa降至0.6 MPa，抗壓強度由12.2 MPa降至 9.4 MPa；摻合料為礦渣時抗折強度由 1.7 MPa降至 1.0 MPa，抗壓強度由14.1 MPa降至9.8 MPa。粉煤灰提鋁殘渣的活性相對于礦渣和脫硫石膏是很低的，隨著粉煤灰提鋁殘渣用量增加，膠凝作用物質(zhì)相對減少；同時，粉煤灰提鋁殘渣比表面積大、多孔疏松、吸水量大，會相對減少脫硫石膏水化時的可用水量，這都不利于板強度的增強。摻礦渣試樣的強度均比摻脫硫石膏試樣的強度高，這是因為水玻璃除了起到黏結(jié)作用外，還作為一種化學激發(fā)劑提高礦渣的活性，生成具有膠凝性的物質(zhì)，從而提高試樣的強度。

圖6 不同摻量粉煤灰提鋁殘渣制備輕質(zhì)保溫板強度

2.3 輕質(zhì)保溫板的導熱系數(shù)

圖7 不同摻量粉煤灰提鋁殘渣制備輕質(zhì)保溫板導熱系數(shù)

3 結(jié)論

1）粉煤灰提取Al2O3后的尾渣呈堿性，主要含Ca、Si元素，另有少量的 Al、Fe、Mg 等元素；粒度分布為 D（10）=6.71 μm，D（50）=17.00 μm，D（90）=30.74 μm；主晶相為硅酸二鈣、CaCO3、Ca（OH）2；提鋁過程對粉煤灰顆粒表面造成了嚴重腐蝕，玻璃微珠結(jié)構(gòu)遭到破壞，呈疏松多孔狀。

2）脫硫石膏顆粒大小不均、形貌多樣，尺寸主要分布在10～100μm，顆粒整體較粗，且分布較寬；原料中除CaSO4·2H2O外，還含有一定量的SiO2和CaCO3。

3）以粉煤灰提鋁殘渣、脫硫石膏或礦渣為主要原料制備輕質(zhì)保溫板，隨著粉煤灰提鋁殘渣摻量的增加，保溫板的密度、導熱系數(shù)、強度均呈下降趨勢。摻礦渣試樣的密度、導熱系數(shù)、強度均比摻脫硫石膏試樣的高。最佳配方：脫硫石膏為15%，粉煤灰提鋁殘渣為40%，水為30%，河砂為15%。以此配方制備出了密度為1.06 g/cm3、抗壓強度為11.6 MPa、抗折強度為 0.7 MPa、導熱系數(shù)為 0.22 W/（m·K）的輕質(zhì)保溫板。

參考文獻：