粉煤灰特性及其改性方法

賈魯濤

粉煤灰特性及其改性方法

賈魯濤

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

分析了粉煤灰的細度、需水量比、化學(xué)組成、礦物組成、微觀形貌等理化特性，闡述了粉煤灰用于水泥、混凝土領(lǐng)域以及用于廢水處理的作用機理。從機械粉磨、火法改性、酸改性、堿改性、表面活性劑改性及混合改性等方面介紹了粉煤灰改性方法，有助于改善粉煤灰品質(zhì)。

粉煤灰；理化特性；改性；吸附性能

0 引言

粉煤灰是我國主要的工業(yè)固體廢棄物之一[1]，預(yù)計到2020年我國粉煤灰的累計儲量會超過30億噸[2]。粉煤灰具有一定的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)，目前主要用于水泥、混凝土等建材行業(yè)，不僅可以節(jié)約膠凝材料用量，還可以改善混凝土的工作性能，提高強度[3]，改善耐凍融性能等[4]。另外，也有少量粉煤灰用于土力工程[5-6]、土壤改良[7-8]等的研究。但受原材料品質(zhì)、地域、市場等因素限制，仍有大量粉煤灰無法得到有效利用。如處置不當(dāng)，極易產(chǎn)生二次污染，破壞生態(tài)平衡[9-10]，粉煤灰資源化利用是目前亟需解決的問題。

1 粉煤灰的性質(zhì)

1.1 細度

細度是評價粉煤灰品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，通常以45μm篩余量（%）作為其細度指標(biāo)。粉煤灰細度與煤粉細度、燃燒溫度、電廠鍋爐類型、收塵設(shè)備等都有關(guān)系。粉煤灰的粒徑主要分布在0.5-300μm內(nèi)，平均粒徑在10-30μm內(nèi)。目前火電廠主要采用靜電除塵方式，不同電場收集到的粉煤灰粒徑差異較大，某電廠靜電除塵器不同電場收集到的粉煤灰粒徑分布如圖1所示。可以看出，第一電場收集到的粉煤灰最粗，第五電場收集到的粉煤灰最細[11]。

圖1 不同電場收集的粉煤灰粒徑分布情況

1.2 需水量比

需水量比是粉煤灰用作混凝土摻合料的重要指標(biāo)之一。一般來說，粉煤灰細度越大，其需水量比也越大；另外，燒失量、顆粒形貌等也是影響需水量比的重要因素。

混凝土的拌合用水主要包括兩部分，一是填充水，即填充在固體顆粒孔隙中的水；二是層間水，即固體顆粒表面的水膜層。填充水對漿體流動性沒有作用，填充水的多少取決于固體顆粒的堆積狀態(tài)。較細的粉煤灰顆粒填充在水泥顆粒堆積的孔隙中，從而減少填充水用量，起到減水作用[12]。另外，球形顆粒起到潤滑作用，降低用水量。

1.3 化學(xué)組成

粉煤灰主要化學(xué)組成為SiO2、CaO、A l2O3、Fe2O3等，不同區(qū)域、電廠由于燃煤煤種、燃燒溫度等的不同，粉煤灰化學(xué)組成存在較大差異。表1為袁春林[13]等對我國粉煤灰主要元素的統(tǒng)計結(jié)果。

1.4 礦物組成

粉煤灰中含有大量的玻璃體，晶體物質(zhì)的含量一般在11%-48%范圍內(nèi)。主要的晶體礦物為莫來石、石英、赤鐵礦、磁鐵礦、黃長石、方鎂石、石灰、鋁酸三鈣等。

表1 我國粉煤灰主要化學(xué)元素的含量

圖2 A電廠粉煤灰X R D圖譜

圖3 B電廠粉煤灰XR D圖譜

表2 我國粉煤灰的礦物組成范圍[14]

1.5 微觀形貌

從微觀角度分析，粉煤灰中的顆?？梢苑譃槠?、未燃盡炭粒、富鐵磁珠、富硅鋁玻璃微珠等[15]。

漂珠是一種薄壁中空球狀顆粒，其顆粒密度和松散容重都很小，具有非常好的絕熱絕緣特性，可用于耐火保溫材料。

粉煤灰中未燃盡炭粒形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)疏松。炭粒影響了其綜合利用，主要是因為用于水泥、混凝土中時，降低了粉煤灰的活性，使得強度降低。但炭粒親油疏水，具有較好的吸附活性。

粉煤灰顆粒中富含氧化鐵的微珠，稱為富鐵微珠。其顏色較深，有磁性，從粉煤灰中磁選的鐵珠可作工業(yè)原料使用。

粉煤灰的硅鋁元素以圓球形玻璃體形式存在，表面比較光滑，是粉煤灰火山灰活性的重要來源。

圖4 粉煤灰微觀形貌

2 粉煤灰的活性機理

2.1 用于水泥、混凝土的作用機理

粉煤灰用作水泥混合材或混凝土摻合料主要發(fā)揮三大效應(yīng)：形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。

（1）形態(tài)效應(yīng)。形態(tài)效應(yīng)泛指粉煤灰顆粒形貌等幾何特征在水泥、混凝土中產(chǎn)生的效應(yīng)。粉煤灰中含大量球形玻璃微珠，可改變拌和物的流變性質(zhì)以及硬化后的特性等。

（2）微集料效應(yīng)。粉煤灰中細微顆粒填充在水泥顆粒間，可減少拌合用水，提高致密性及強度。

（3）火山灰效應(yīng)。粉煤灰中活性SiO2及Al2O3，在特定環(huán)境中與Ca（OH）2等堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，對粉煤灰制品起到增強作用，同時，提高抗腐蝕能力。

2.2 用作吸附材料的作用機理

（1）吸附作用。粉煤灰中含有大量多孔顆粒，比表面積大，吸附性能較，包括范德華吸附和化學(xué)吸附。影響范德華吸附的主要因素是比表面積及孔道分布；粉煤灰顆粒表面含有大量的Si-O-Si鍵和A l-O-A l鍵，具有一定極性，與水中的有害物質(zhì)產(chǎn)生偶極-偶極鍵吸附；同時，粉煤灰中次生的正電荷與水中的陰離子發(fā)生離子交換或離子對吸附[16]。

（2）絮凝沉淀作用。粉煤灰中的鐵、鋁等陽離子，可與水中的陰離子反應(yīng)生成絮凝體，加快沉淀[17]。

（3）過濾作用。粉煤灰孔隙率較大，當(dāng)其用于處理廢水時，可截留一部分懸浮物。

3 粉煤灰的改性方法

粉煤灰活性取決于其玻璃體含量、玻璃體中可溶性物質(zhì)含量及玻璃體解聚能力。粉煤灰的活性可以通過人工手段激活[18]。

3.1 機械粉磨

機械粉磨是提高粉煤灰活性最常用的方法之一。一方面，通過磨細可粉碎粗大多孔玻璃體；另一方面，破壞玻璃體表面堅固的保護膜，使內(nèi)部可溶性SiO2、Al2O3溶出斷鍵增多，反應(yīng)接觸面積增加，化學(xué)活性提高。

3.2 火法改性

火法改性是將粉煤灰與助溶劑按一定比例混合，高溫下熔融，使粉煤灰分解。高溫熔融能破壞玻璃體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鐵、鋁等物質(zhì)氧化，提高晶體相結(jié)構(gòu)組成，增加表面活性。

3.3 濕法改性

3.3.1酸改性

經(jīng)酸改性后粉煤灰顆粒表面變粗糙，形成孔洞和凹槽，增大了比表面積。同時，經(jīng)酸處理后的粉煤灰釋放出大量Al3+、Fe3+和H2SiO3，A l3+、Fe3+起絮凝沉降作用，H2SiO3捕收懸浮顆粒，起混凝吸附架橋作用[19]。常用的酸有H2SO4、H Cl等，H2SO4對Al3+的浸出效果較好，H Cl對Fe3+的浸出效果較好[20]。

3.3.2堿改性

經(jīng)堿改性后粉煤灰顆粒表面的SiO2發(fā)生化學(xué)解離產(chǎn)生可變電荷，破壞顆粒表面堅硬外殼，增大比表面積，增強吸附能力；堿性氧化物與玻璃體表面可溶性物質(zhì)反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，同時，非晶狀玻璃相及莫來石熔融，活性提高；粉煤灰顆粒表面羥基中的H+發(fā)生解離，顆粒表面帶負電荷，可吸附帶正電荷的金屬離子和陽離子。

3.3.3表面活性劑改性

表面活性劑具有親水親油基團，可以降低表面張力。研究表明，經(jīng)表面活性劑改性的粉煤灰可以增大對二甲基酚橙[21]、原油[22]等的吸附能力。

3.3.4混合改性

有時，將幾種改性方法聯(lián)合使用，優(yōu)勢互補，可以進一步提高粉煤灰的吸附能力。陳雪初[23]以NaCl為活化劑，15%H2SO4為改性劑，高溫活化后再酸處理對粉煤灰進行改性，經(jīng)混合改性后的粉煤灰除磷性能明顯提升。

改性后的粉煤灰吸附性能得到改善，對于吸附水中的氨氮[18]、磷[17]、氟[24]、重金屬[25]等都有顯著的作用。

4 結(jié)語

粉煤灰具有潛在活性，改性是提升其品質(zhì)的重要途徑。機械粉磨、火法改性、濕法改性是激發(fā)其活性的有效手段，可增強反應(yīng)活性、吸附性能等，改性后的粉煤灰可用于水泥、混凝土、水體凈化等領(lǐng)域，是其資源化利用的有效途徑。

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Properties and Modification of Coal Fly Ash

JIA Lu-tao
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030，China）

Fineness,waterdem and ratio,chem icalcom position and m ineralstructure ofcoalfly ashes were m easured in this paper.The m echanism offly ash used in cem ent,concrete and waste watertreatm entis expounded.The m odification m ethods ofcoalfly ash are introduced from m echanicalgrinding,fire m odification,acid m odification,alkali m odification, surface active agentm odification and m ixed m odification which can im prove the quality offly ash and broaden its utilization w ay.

fly ash；physical and chem ical properties；m odification；adsorption perform ance

X 705

B

2095-3429（2017）01-0035-04

2016-11-25

修回日期：2017-01-13

賈魯濤（1989-），男，山東德州人，碩士，工程師，從事粉煤灰等電廠固廢資源利用研究。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.008