新型免燒高比表面積粉煤灰陶粒的制備試驗(yàn)研究

謝士兵，李 猛，王友成

（山東華泰紙業(yè)股份有限公司，山東 東營 257000）

本文研究的粉煤灰是山東華泰紙業(yè)股份有限公司配套熱電廠在燃燒煤炭過程中產(chǎn)生的固體殘?jiān)黐1]。就當(dāng)今世界來看，火力發(fā)電作為電力工業(yè)中常規(guī)的一部分，盡管比重有下降的趨勢(shì)，但是所占份額仍然相當(dāng)巨大，這說明粉煤灰的總產(chǎn)生量仍然是一個(gè)巨大的數(shù)字[2]。截至目前，全世界燃煤灰渣的排放量已經(jīng)超過6.5 億t，粉煤灰占總量的5/6、粗灰占總量的1/6。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，2025年全世界燃煤灰渣總量將達(dá)8 億t[3]。當(dāng)前，怎樣綜合利用粉煤灰已經(jīng)成為我國面臨的一個(gè)重大問題。

陶粒是一種輕質(zhì)集料，可用于生產(chǎn)陶粒砌塊等輕質(zhì)墻體材料或作為水處理BAF 用濾料。傳統(tǒng)陶粒生產(chǎn)以燒結(jié)法為主，此法存在投資大、能耗較高、成本較高等缺點(diǎn)，而新型免燒陶?？刹捎米匀火B(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)，工藝簡單，成本較低，投資較小，具有較好的應(yīng)用前景。為加快生產(chǎn)過程，本試驗(yàn)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式，對(duì)免燒高比表面積粉煤灰陶粒的制備進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 原料

1.1.1 粉煤灰

本試驗(yàn)采用山東華泰紙業(yè)股份有限公司熱電產(chǎn)生的粉煤灰作為主要材料。其手感細(xì)膩，顆粒度較細(xì)，無需進(jìn)行破碎，潛水硬性較好，化學(xué)組成如表1所示。

表1 粉煤灰的化學(xué)組成

1.1.2 水泥

本試驗(yàn)選用山水水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽425 號(hào)水泥，成分如表2所示。

表2 水泥的成分

1.1.3 激發(fā)劑

本試驗(yàn)所用的激發(fā)劑包括生石灰、石膏，按1:1的比例進(jìn)行混合。激發(fā)劑既可激發(fā)粉煤灰潛在活性，又可使粉煤灰容易成球。

1.1.4 黏結(jié)劑

本試驗(yàn)以水玻璃作為黏結(jié)劑。根據(jù)特性，水玻璃分為硅酸鈉水玻璃（Na2O·nSiO2）、硅酸鉀水玻璃（K2O·nSiO2）兩類。本試驗(yàn)主要從降低成本的方面考慮，試驗(yàn)所用的黏結(jié)劑為價(jià)格低廉的硅酸鈉水玻璃。本試驗(yàn)添加黏結(jié)劑的主要目的是改善研制陶粒的可塑性，增強(qiáng)成品陶粒的抗壓強(qiáng)度等理化指標(biāo)。

1.1.5 輕質(zhì)材料（膨脹珍珠巖）

珍珠巖具有成本低、體質(zhì)輕、空隙多、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。珍珠巖粉越細(xì)，粉料越易成球，但用量不宜過多，否則難以黏結(jié)。

1.1.6 有機(jī)高分子成孔劑

本試驗(yàn)采用的有機(jī)高分子成孔劑為灰色粉粒狀結(jié)構(gòu)，顆粒度細(xì)，顆粒直徑約≤3.2 μm。高分子成孔劑的主要作用是提高自制陶粒陶粒的比表面積、孔隙率等，同時(shí)使陶粒的孔隙結(jié)相對(duì)均勻，最重要的目的是最大限度地增加研發(fā)陶粒的比表面積，使其更容易作為生物填料進(jìn)行使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)需要使用以下設(shè)備：WKY700 顆粒成球機(jī)；NOVA1000F 比表面積測(cè)定儀，美國康塔產(chǎn)；HITACHIS-3500N 掃描電鏡，日本日立產(chǎn)；LDZX-40CI 自動(dòng)電熱壓力蒸汽滅菌器，上海申囊產(chǎn)；DGG-9140D 恒溫干燥箱，上海森信產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法與工藝流程

以前試驗(yàn)已確定主要材料的最佳添加量為：粉煤灰70%、水泥11%、水玻璃9%。為了確定自制陶粒原料的最佳配方，相同條件下，對(duì)激發(fā)劑（生石灰、石膏）作為A 材料、輕質(zhì)材料（膨脹珍珠巖）作為B材料、有機(jī)高分子成孔劑作為C 材料進(jìn)行正交試驗(yàn)。下面以三種材料作為因數(shù)，進(jìn)行三水平三因素L9（33）的正交試驗(yàn)。

首先按不同的配比稱取原料，用攪拌器攪拌充分，用擠壓成型機(jī)將配比好的原料擠壓成顆粒直徑約2.5 mm 的顆粒。然后將成型顆粒倒入成球機(jī)中成球，在用成球機(jī)成球的過程中再按比例加入硅酸鈉水玻璃和其余原料，直至自制陶粒有少量粉末掉落，再按比例加入硅酸鈉水玻璃和其余原料，如此重復(fù)以上操作步驟，直至陶粒直徑為6～8 mm，成球結(jié)束。由于粉煤灰早期強(qiáng)度低，為了使陶粒的強(qiáng)度盡早達(dá)到要求，首先將成型陶粒在室溫（約25℃）下放置1.5 h 進(jìn)行自然硬化，再將陶粒放入110℃下烘箱內(nèi)，烘1.5 h，最后放入壓力蒸汽滅菌器內(nèi)，采用100℃恒溫養(yǎng)護(hù)自制陶粒8 h，最終得到顆粒直徑為5～8 mm 的成品陶粒。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表3 可看出，粉煤灰陶粒最佳試驗(yàn)條件為A2B2C2。由此可知，自制陶粒的最佳原料配比為：粉煤灰70%，水泥11%，激發(fā)劑為9%，輕質(zhì)材料8%，有機(jī)高分子成孔劑2%。另外，每l00 g 原料用水30 mL， 水玻璃8 g。從極差R分析中可以看出，對(duì)粉煤灰陶粒比表面積的影響大小排序?yàn)椋河袡C(jī)高分子成孔劑的添加量＞激發(fā)劑的添加量＞輕質(zhì)材料的添 加量。

2.2 蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間的確定

本試驗(yàn)陶粒的制備以蒸汽養(yǎng)護(hù)作為后期養(yǎng)護(hù)的方式。蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)對(duì)比試驗(yàn)如表4所示。

由表4 可知，陶粒養(yǎng)護(hù)采用蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間為8 h。蒸汽養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù)10 h 時(shí)，自制陶粒出現(xiàn)極少破損，同時(shí)表面有裂縫。養(yǎng)護(hù)8 h 后，蒸養(yǎng)自制陶粒的強(qiáng)度基本上隨著時(shí)間的增加而降低。

表4 蒸汽恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)

2.3 陶粒理化性能的測(cè)定

通過試驗(yàn)選型后，再進(jìn)行進(jìn)行3 次性能試驗(yàn)，取其平均值。測(cè)定自制粉煤灰陶粒的各項(xiàng)理化性能指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 自制粉煤陶粒的性能指標(biāo)

2.4 自制陶粒與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)性能對(duì)比

通過檢測(cè)對(duì)比可知，自制陶粒測(cè)試值與《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）的對(duì)比情況如表6所示。

通過比較發(fā)現(xiàn)，自制粉煤灰陶粒的各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）的要求，符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 自制陶料表觀結(jié)果的測(cè)定

通過自制陶粒SEM 照片觀察，其表面凹凸有制，并且有很多比較大的坑洼；內(nèi)部空隙比較發(fā)達(dá)，基本為小孔、中孔結(jié)構(gòu)，大孔比較少。通過表面及內(nèi)部電鏡照片可知，該陶粒表面極其粗糙，表面及內(nèi)部有眾多微孔通道，非常適合用作污水處理BAF 系統(tǒng)生物填料。

表6 自制陶粒測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

3 結(jié)論

自制陶粒各原材料的最優(yōu)配比為：粉煤灰70%， 水泥11%，生石灰和石膏為9%，膨脹珍珠巖8%，有機(jī)高分子成孔劑2%，同時(shí)，成型陶粒最佳用水比為10:3，水玻璃用量為100:8。對(duì)自制陶粒的比表面積影響大小排序?yàn)椋河袡C(jī)高分子成孔劑＞激發(fā)劑＞輕質(zhì)材料。實(shí)驗(yàn)室制備陶粒的最佳工藝條件為：首先將成型陶粒在室溫，約25℃，放置1.5 h 進(jìn)行自然硬化，再將陶粒放入110℃下烘箱內(nèi)，烘1.5 h，最后放入壓力蒸汽滅菌器內(nèi)，采用100℃恒溫養(yǎng)護(hù)自制陶粒8 h。對(duì)成型陶粒理化性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，自制陶粒檢測(cè)的指標(biāo)為：比表面積12.94 m2/g，堆積密度 0.71 g/cm3，吸水率19.5%，抗壓強(qiáng)度4.01 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均符合《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）中關(guān)于粉煤灰陶粒的規(guī)定。

通過對(duì)自制粉煤灰陶粒外觀和微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)可知，其表面凹凸有制，并且有很多比較大的坑洼；內(nèi)部空隙比較發(fā)達(dá)，基本為小孔、中孔結(jié)構(gòu)，大孔比較少。試驗(yàn)制備的自制粉煤灰陶粒具有比表面積較高、質(zhì)地輕、強(qiáng)度高、制作簡單等特點(diǎn)，是良好的水處理材料，并成功用于山東華泰紙業(yè)股份有限公司污水處理廠，取得良好的使用效果，達(dá)到了變廢為寶的目的。