煤矸石對粉煤灰陶粒濾料性能的影響

趙 爽 劉 挺 王 超 謝高偉 王菊俠

(陜西省石油化工研究設計院 陜西 蒲城 715500)

前言

粉煤灰陶粒濾料是一種人造球形濾料，是以粉煤灰為主料，添加一定量的粘結劑和造孔劑，經混合、成球、燒結而制成。粉煤灰陶粒濾料表面粗糙堅硬，內部多微孔，密度低、比表面積大、表面能高、吸附性強，且易于再生，便于重復利用，被廣泛的應用于生活用水凈化、工業污水處理等行業。

造孔劑即氣孔形成劑，是制備粉煤灰陶粒濾料常用的添加劑。陜西省煤炭儲量豐富，煤炭挖掘開采和洗煤過程中排出的廢棄物——煤矸石，由于其自身為可燃物，且燃盡后形成氣孔，可達到造孔效果。

筆者利用工業廢料煤矸石作為造孔劑來研究其對粉煤灰陶粒濾料性能的影響。

1 試驗方法

1.1 原材料

本試驗選用的主要原料為陜西渭北發電廠的粉煤灰，原料的化學組成見表1，粉煤灰樣品細度測試結果見表2。

表1 兩種原料的化學組成(質量%)

以可塑粘土為粘結劑，其化學組成見表1。

以煤矸石為造孔劑，其化學組成見表3。

表2 粉煤灰樣品細度測試結果

1.2 試驗方法

本試驗通過添加不同比例的造孔劑——煤矸石制備粉煤灰陶粒濾料，其原理是利用煤矸石經過燒結反應后產生的氣體逸出,使得原本被占據的空間成為氣孔。故要對煤矸石在燒結過程中的變化進行研究, 以便制定合適的燒結工藝。筆者對煤矸石進行了TG-DTA分析, 結果如圖1所示。

表3 煤矸石的化學組成(質量%)

圖l 煤矸石的TG-DTA曲線

圖1中煤矸石的TG-DTA 曲線溫度為102～408 ℃時，煤矸石附著水脫出，形成吸熱谷，在TG曲線上質量緩慢減少，513 ℃處的吸熱谷是由煤矸石脫去羥基水形成，在513～741 ℃，TG曲線上質量大幅減少，此處有劇烈的放熱反應發生，在1 067 ℃處又出現放熱峰，TG曲線上質量隨溫度變化微小。根據TG-DTA分析結果，設定燒成溫度為1 200 ℃，以保證原料各組分反應完全并趨于穩定。

1.3 試驗流程(見圖2)

圖2 粉煤灰陶粒濾料工藝流程圖

1)配料。將原料分別破碎，使用球磨機磨細并過篩，將粉煤灰、可塑粘土以一定的比例混合，分別摻入不同比例的煤矸石。

2)混料。將配料用V35混料機均勻混合30 min以上。

3)成形。使用BYJ800造粒機進行球體顆粒成型，水分控制在10%～15%。

4)干燥。將制備好的半成品顆粒在合適的溫度和濕度下放置一段時間。

5)燒結。將干燥好的半成品顆粒使用箱式電阻爐在1 200 ℃的燒結溫度下進行燒結。

2 結果與討論

2.1 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料燒失率的影響

由圖3可知，隨著煤矸石比例的提高, 粉煤灰陶粒濾料的燒失率逐漸增大。這是由于煤矸石的燒失量大于粉煤灰和粘土，因而其含量越高燒失率越高。

圖3 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料燒失量的影響

2.2 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料吸水率和比表面積的影響

采用煮沸法測量粉煤灰陶粒濾料的吸水率，其結果如圖4所示。隨著煤矸石含量的增加，粉煤灰陶粒濾料的吸水率逐漸增大。這是因為煤矸石的含量越高，在燒結時，煤矸石中的碳與氧氣發生化學反應，反應時產生的氣體就越多，所以形成的粉煤灰陶粒濾料的微孔越多，導致樣品吸水率增大。同樣，比表面積也逐漸增大。碳與氧氣的化學反應式如下：

圖4 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料吸水率和比表面積的影響

2.3 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料堆積密度和強度的影響

利用CJ/T 299-2008測試粉煤灰陶粒濾料堆積密度。采用壓力機測試陶粒濾料的強度，具體方法為：稱取粉煤灰陶粒濾料樣品約30 g，倒入破碎室內，在5 MPa壓強下測試，加壓1 min，并保壓2 min。測試結果如圖5所示。

圖5 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料堆積密度和破碎率的影響

由圖5可知，粉煤灰陶粒濾料堆積密度隨著煤矸石用量的增大而減小, 這是因為煤矸石含量的增大使陶粒濾料的微孔率增大，從而使堆積密度下降。微孔增多的同時，造成粉煤灰濾料內部物質之間的連接點減少，使陶粒濾料的強度下降，破碎率增大。

2.4 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料耐酸率和耐堿率的影響

由圖6可知，隨著煤矸石用量的提高，強酸堿腐蝕率增加。這是因為隨著煤矸石含量的增大，粉煤灰陶粒濾料孔隙逐漸增多，比表面積增大，酸堿可接觸的面積大大增加，造成粉煤灰陶粒濾料的強酸堿腐蝕率增加，耐酸堿性減小，其中鹽酸可溶率高于燒堿可溶率，表明其耐堿性要好于耐酸性。

圖6 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料耐酸率和耐堿率的影響

3 結論

粉煤灰陶粒濾料的燒失、吸水率及比表面積隨著煤矸石比例的提高逐漸增大，但燒失增加幅度逐漸減緩，而堆積密度、強度和耐酸堿性卻不斷降低，其耐堿性要優于耐酸性。