淺談粉煤灰基地質(zhì)聚合物的發(fā)展進(jìn)程及應(yīng)用

王璐瑤 謝瀟

摘要：粉煤灰是燃煤發(fā)電廠常見固體廢物之一，近年來對其資源化再利用已得到廣泛研究，將其作為地質(zhì)聚合物制備原料，不但可以發(fā)揮地質(zhì)聚合物低二氧化碳排放、高機(jī)械強(qiáng)度和強(qiáng)耐久性等優(yōu)勢，還可將粉煤灰中的有害重金屬包埋固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自然資源高效利用。從粉煤灰的定義及分類入手，主要闡述了粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備過程及優(yōu)勢，總結(jié)了近年來國內(nèi)外粉煤灰地質(zhì)聚合物的研究及應(yīng)用，并對今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：粉煤灰;地質(zhì)聚合物;重金屬;混凝土

中圖分類號：TU52

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.069

粉煤灰是燃煤發(fā)電廠的鍋爐煙氣中驅(qū)出的由細(xì)顆粒組成的固體殘?jiān)?。在煙道氣到達(dá)煙囪之前，通常采用靜電除塵裝置或其他顆粒過濾設(shè)備從煙道氣中過濾得到。粉煤灰的組分與燃燒煤的來源密切相關(guān)，通常包括Si02、A1203，Ca0和Fe203，它們以無定形和結(jié)晶氧化物或各種礦物質(zhì)的形式存在[1]。

1 粉煤灰的分類

根據(jù)美國測試和材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)C618（ ASTM C618-12a，2012），粉煤灰可根據(jù)其氧化鈣含量分為C級和F級。C級飛灰具有高鈣含量，主要來自褐煤的燃燒，其中Si02、A1203和Fe203總含量在50% - 70%，Ca0含量大于20%。F級飛灰鈣含量較低，由無煙煤或煙煤燃燒產(chǎn)生，其Si02、 A1203和Fe203總含量大于70%，Ca0含量小于l0%。除了Si、Al、Fe和Ca之外，通常粉煤灰還含有許多其他痕量金屬元素，如Ti、V、Cr、Mn、Co、As、Sr、Mo、Pb和Hg等，其金屬元素的濃度可能比煤中高4- 10倍，另外還可能包括低濃度的二嗯英和多環(huán)芳烴化合物。因此，粉煤灰被認(rèn)為是一種危險物質(zhì)，粉煤灰的不當(dāng)處置不僅會增加對土地的占用，還有可能危及生態(tài)環(huán)境。

2 粉煤灰基地質(zhì)聚合物的制備及優(yōu)勢

由于石油和天然氣能源不易得，不可再生且開采成本高，因此，燃煤電廠在現(xiàn)階段發(fā)展中仍將長期運(yùn)行，特別是在煤炭資源豐富的國家，例如中國、美國、印度和澳大利亞。在這種情況下，粉煤灰的產(chǎn)生仍是不可避免的，因此開發(fā)粉煤灰經(jīng)濟(jì)且綠色的利用技術(shù)十分必要。在目前現(xiàn)有技術(shù)中，粉煤灰可用于土壤改良，也可用于制作低成本的污染物質(zhì)吸附劑，或作為生產(chǎn)沸石所用的二氧化硅和氧化鋁來源，還可被用于制備地質(zhì)聚合物。地質(zhì)聚合物是一種新型粘合劑或水泥.其外觀、反應(yīng)性和性能與普通水合水泥大致相同。地質(zhì)聚合物具有三維硅鋁酸鹽網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從生成機(jī)理上來說，它可由任何硅鋁酸鹽材料經(jīng)堿活化得到[2]，其經(jīng)驗(yàn)式為：

Mn[ -（ Si02）z- A102]nwH20

（l）式（l）中：z為Si/A1摩爾比;M為堿金屬陽離子，比如Na+或K+;n為聚合度;w為含水量。

z為影響地質(zhì)聚合物機(jī)械強(qiáng)度的重要因素之一，而不同堿金屬陽離子具有不同的尺寸和電荷密度，這些均會對硅鋁酸鹽鏈的成核、生長及電荷密度，生成速率和聚合程度產(chǎn)生一定的影響。

在實(shí)際制備中，一般通過將NaOH、KOH、Na2Si03或K2Si03 -起或單獨(dú)加入粉煤灰中在室溫或略高溫度下（通常< 100℃）進(jìn)行堿活化，同時粉煤灰中的痕量有毒金屬元素可以被有效捕獲，并固定于地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了廢物資源化。傳統(tǒng)OPC水泥的生產(chǎn)過程中有大量石灰石（CaC03：在高溫下被煅燒和分解，并釋放大量C02，有研究顯示，每生產(chǎn)It的OPC，將伴隨產(chǎn)生大約0.8t的C02，而地質(zhì)聚合物在制備過程中不但幾乎不排放C02，還擁有與OPC水泥相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和耐久性，因此可以作為綠色環(huán)保型水泥推廣應(yīng)用。

3 粉煤灰基地質(zhì)聚合物的應(yīng)用

3.1 粉煤灰基地質(zhì)聚合物吸附和固定重金屬

近來多項(xiàng)研究表明飛灰、礦渣或其他工業(yè)和住宅廢棄物中的可溶性重金屬，如Ba、Cd、Co、Cr、Cu、Nb、Ni、Pb、Sn和U等可被固定于粉煤灰基地質(zhì)聚合物的三維結(jié)構(gòu)中，主要機(jī)制包括物理封裝和化學(xué)穩(wěn)定。

TEMUUJIN等人[3]將烏蘭巴托市第四熱電站由放射性蒙古煤燃燒產(chǎn)生的具有高鐳放射性（314 - 343 Bq/kg）和高Ca0含量（14 - 30 wt%）的粉煤灰作為原料，加入氫氧化鈉溶液或氫氧化鈉和硅酸鈉溶液的混合溶液，在70℃下固化22h，最終可得到具有良好抗壓強(qiáng)度和抗凍融性的地質(zhì)聚合物，同時放射性降低至130 - 152 Bq/kg，符合建造住宅的安全限度標(biāo)準(zhǔn)。

ZHANG等人[4]通過硅酸鈉溶液堿性活化粉煤灰，形成地質(zhì)聚合物粘合劑，并對其固化穩(wěn)定化重金屬廢物效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示粉煤灰地質(zhì)聚合物中的化學(xué)結(jié)合可非常有效地固定Pb，同時，地質(zhì)聚合物固定化重金屬離子的效果及其對自身結(jié)構(gòu)的影響與重金屬性質(zhì)密切相關(guān)，易溶重金屬可均勻分散在整個地質(zhì)聚合物基質(zhì)中，而微溶重金屬則與大部分粘合劑保持分離。且無論污染程度如何，硅酸鈉活化的粉煤灰基地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度遠(yuǎn)超固化/穩(wěn)定化固體廢物要求的強(qiáng)度。

3.2 粉煤灰基地質(zhì)聚合物用作混凝土

隨著人們環(huán)保意識和自然資源高效利用的需求不斷提升，建筑行業(yè)也在尋求更多的綠色環(huán)保材料。粉煤灰基地聚合物是一種良好的粘合劑，可用作水泥與骨料混合生產(chǎn)地質(zhì)聚合物混凝土，在混凝土工業(yè)中被作為輔助水泥材料已有超過50年的歷史。

在傳統(tǒng)水泥的水化過程中，高含量的A1203和Si02的粉煤灰可以被Ca（ OH）z活化，從而產(chǎn)生更多的C-S-H凝膠，C-A-H凝膠和C-A-S-H凝膠，有效填充了混凝土中的毛細(xì)管，從而提升了混凝土強(qiáng)度，粉煤灰可以在早期降低混凝土的水化熱和熱裂，提高機(jī)械性能和耐久性能。與OPC混凝土相比，粉煤灰基地聚合物混凝土具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)，具有更低的氯擴(kuò)散和更低的孔隙率，同時，粉煤灰基地質(zhì)聚合物混凝土可實(shí)現(xiàn)低C02排放，對減緩全球氣候變暖具有深遠(yuǎn)意義。

3.3 粉煤灰基地聚合物水泥作為碳儲存庫

已有學(xué)者提出將C02注入并儲存至地下封存作為處理溫室氣體的長期策略之一?；贠PC水泥的地下井注入C02后，長期封存結(jié)果顯示OPC水泥有不斷降解趨勢，C02也隨之緩慢泄漏。而粉煤灰基地聚合物的低滲透性可有效防止C02泄漏。

NASVI等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰基地聚合物的C02滲透率隨固化溫度的升高而增加，增加量高達(dá)200% -1 000%。而在任意試驗(yàn)溫度下，其最大滲透率（ 0.04ID）比美國石油工業(yè)（ API）對典型的井密封劑推薦的滲透率值（200ID）低約5 000倍。盡管地質(zhì)聚合物的滲透性隨溫度而提升，但其值遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)OPC水泥和API推薦的限值。因此，地質(zhì)聚合物在地下井建筑材料中具有作為主要密封劑材料的潛力。

4 結(jié)束語

在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮粉煤灰基地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能，以及抗氯化物、抗酸、抗熱、抗凍融、抗風(fēng)化等耐久性能，并通過調(diào)節(jié)Si/A1比、堿溶液、固化條件以及添加爐渣、赤泥和鈣等材料來改善。盡管有關(guān)粉煤灰基地聚合物的研究已有數(shù)十年，但仍有許多問題有待解決及優(yōu)化，包括對粉煤灰基地聚合物反應(yīng)機(jī)理的進(jìn)一步探究，粉煤灰基地聚合物吸附或固化重金屬離子性能的進(jìn)一步提升，粉煤灰基地聚合物應(yīng)用的推廣等，相信在今后的發(fā)展中，這一綠色環(huán)保材料將起到更好的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3] TEMUUJIN J，MINJIGMAAA，DAVAABALB，etal.Utilization of radioactive hi～-calcium Mongolianflyash for the preparation of alkali-activated geopolymersfor safe use as construction materials [J] .CeramicsInternational， 2014， 40（ 10）：16475-16483.

[4] ZHANG J，PROVIS JL，F(xiàn)ENG D， et al.Geopolymersfor immobilization of Cr6+.Cd2+and Pb2+[J] .Joumal ofHazardous Materials， 2008， 157（ 2-3）：587-598.

[5]NASVI M C M，RANJITH P G，SANJAYAN J， et al.Effectof temperature on permeability of geopolymer：A primarywell sealant for carbon capture and storage wells[J].Fuel，2014（ 117）：354-363.