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)生的固體殘渣[1]。就當今世界來看，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，但是所占份額仍然相當巨大，這說明粉煤灰的總產(chǎn)生量仍然是一個巨大的數(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)相關文獻，2025年全世界燃煤灰渣總量將達8 億t[3]。當前，怎樣綜合利用粉煤灰已經(jīng)成為我國面臨的一個重大問題。

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，而新型免燒陶?？刹捎米匀火B(yǎng)護或蒸汽養(yǎng)護，工藝簡單，成本較低，投資較小，具有較好的應用前景。為加快生產(chǎn)過程，本試驗采用蒸汽養(yǎng)護的方式，對免燒高比表面積粉煤灰陶粒的制備進行研究。

1 試驗原料與方法

1.1 原料

1.1.1 粉煤灰

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

表1 粉煤灰的化學組成

1.1.2 水泥

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

表2 水泥的成分

1.1.3 激發(fā)劑

本試驗所用的激發(fā)劑包括生石灰、石膏，按1:1的比例進行混合。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。本試驗主要從降低成本的方面考慮，試驗所用的黏結(jié)劑為價格低廉的硅酸鈉水玻璃。本試驗添加黏結(jié)劑的主要目的是改善研制陶粒的可塑性，增強成品陶粒的抗壓強度等理化指標。

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、強度高等優(yōu)勢，在各個行業(yè)得到廣泛的應用。珍珠巖粉越細，粉料越易成球，但用量不宜過多，否則難以黏結(jié)。

1.1.6 有機高分子成孔劑

本試驗采用的有機高分子成孔劑為灰色粉粒狀結(jié)構(gòu)，顆粒度細，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，同時使陶粒的孔隙結(jié)相對均勻，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行使用。

1.2 試驗設備

試驗需要使用以下設備：WKY700 顆粒成球機；NOVA1000F 比表面積測定儀，美國康塔產(chǎn)；HITACHIS-3500N 掃描電鏡，日本日立產(chǎn)；LDZX-40CI 自動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 試驗方法與工藝流程

以前試驗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、有機高分子成孔劑作為C 材料進行正交試驗。下面以三種材料作為因數(shù)，進行三水平三因素L9（33）的正交試驗。

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中成球，在用成球機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。由于粉煤灰早期強度低，為了使陶粒的強度盡早達到要求，首先將成型陶粒在室溫（約25℃）下放置1.5 h 進行自然硬化，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

正交試驗結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗結(jié)果

從表3 可看出，粉煤灰陶粒最佳試驗條件為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，對粉煤灰陶粒比表面積的影響大小排序為：有機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)護時間的確定

本試驗陶粒的制備以蒸汽養(yǎng)護作為后期養(yǎng)護的方式。蒸汽恒溫養(yǎng)護對比試驗如表4所示。

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

表4 蒸汽恒溫養(yǎng)護時間對比試驗

2.3 陶粒理化性能的測定

通過試驗選型后，再進行進行3 次性能試驗，取其平均值。測定自制粉煤灰陶粒的各項理化性能指標，檢測結(jié)果如表5所示。

表5 自制粉煤陶粒的性能指標

2.4 自制陶粒與相關標準的主要技術性能對比

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

通過比較發(fā)現(xiàn)，自制粉煤灰陶粒的各項指標均已達到《輕集料及其試驗方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）的要求，符合使用標準。

2.5 自制陶料表觀結(jié)果的測定

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，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 自制陶粒測試結(jié)果的對比

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%，有機高分子成孔劑2%，同時，成型陶粒最佳用水比為10:3，水玻璃用量為100:8。對自制陶粒的比表面積影響大小排序為：有機高分子成孔劑＞激發(fā)劑＞輕質(zhì)材料。實驗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)護自制陶粒8 h。對成型陶粒理化性能指標進行檢測，自制陶粒檢測的指標為：比表面積12.94 m2/g，堆積密度 0.71 g/cm3，吸水率19.5%，抗壓強度4.01 MPa，各項指標均符合《輕集料及其試驗方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）中關于粉煤灰陶粒的規(guī)定。

通過對自制粉煤灰陶粒外觀和微觀結(jié)構(gòu)的觀測可知，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，基本為小孔、中孔結(jié)構(gòu)，大孔比較少。試驗制備的自制粉煤灰陶粒具有比表面積較高、質(zhì)地輕、強度高、制作簡單等特點，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，達到了變廢為寶的目的。