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        新型免燒高比表面積粉煤灰陶粒的制備試驗研究

        2019-10-09 07:42:34謝士兵王友成
        中國資源綜合利用 2019年9期

        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。

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