激發劑摻量對固硫灰基地質聚合物強度和固化Pb2+性能的影響

曹旺均，陳宇肇，陳仕國

(1.中國華電集團福建分公司，福州 350013； 2.福建華電永安發電有限公司，福建 三明 366099；3.華電電力科學研究院，杭州 310030)

激發劑摻量對固硫灰基地質聚合物強度和固化Pb2+性能的影響

曹旺均1，陳宇肇2，陳仕國3

(1.中國華電集團福建分公司，福州 350013； 2.福建華電永安發電有限公司，福建 三明 366099；3.華電電力科學研究院，杭州 310030)

為有效利用大量堆存的循環流化床燃煤固硫灰，以固硫灰為原料制備固硫灰基地質聚合物。開展了堿性激發劑摻量對地質聚合物強度影響的研究，并利用感應耦合等離子體法研究了地質聚合物對Pb2+的固化性能。研究結果表明：激發劑中n(Na2O)/n(SiO2)為0.27時，固硫灰基地質聚合物強度達到最高值，n(Na2O)/n(SiO2)高于0.27時，強度幾乎不變；固硫灰基地質聚合物固化Pb2+的能力隨著激發劑摻量的增加而提高。

循環流化床；固硫灰；地質聚合物；激發劑；摻量；強度；Pb2+；固化

表1 固硫灰化學成分 %

0 引言

地質聚合物(geopolymer)是由法國Davidovits教授發明的一種具有三維網狀結構的新型堿激發材料，該材料具備抗壓強度高、快硬早強、耐久性優、耐高溫、可固化重金屬離子等特性，主要以高硅高鋁質的天然黏土(高嶺土)、工業廢渣(如粉煤灰、礦渣等)等為原料，在堿性激發劑的作用下制備而成[1]。

循環流化床燃煤固硫灰是煤在流化床鍋爐中燃燒后由煙道收集的粉塵。我國固硫灰的年排放量在2 500萬t左右，固硫灰的大量堆存對環境產生了巨大的安全隱患，亟需大用量、工程化資源利用途徑。固硫灰中含有大量的SiO2，Al2O3等組分，具備作為制備地質聚合物原料的潛力。王海龍[2]以固硫灰為原料，成功制備了地質聚合物。Xu等[3]以固硫灰為原材料制備出能有效固化核素Sr的地聚合物固化體。Li等[4]用固硫灰和固硫渣成功制備了地質聚合物。朱強等[5]研究了固化重金屬離子用地質聚合物基體的制備及其離子相容性。K.Krausova等[6]研究了熱處理對地質聚合物固化Pb2+和Cd2+性能的影響。因此，利用固硫灰制備地質聚合物成為一條固硫灰資源化利用的途徑。

本文以固硫灰為原料，以NaOH和水玻璃作為堿性激發劑，研究激發劑的摻量對固硫灰基地質聚合物強度和固化Pb2+性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

固硫灰為福建華電永安發電有限公司循環流化床鍋爐干法排放的固硫灰，化學成分見表1，礦物組成如圖1所示。激發劑為由NaOH和水玻璃配制的復合堿激發劑溶液。

圖1 固硫灰礦物組成

1.2 試驗方法

將固硫灰和摩爾比n(Na2O)/n(SiO2)分別為0.15，0.23，0.27，0.32，0.38的激發劑溶液攪拌均勻后倒入模具中成型，在設定的養護條件下(如圖2所示)分別養護不同齡期(1 d和7 d)，然后進行抗壓強度測試、產物表征和重金屬浸出性分析。

圖4 固硫灰顆粒及固硫灰基地質聚合物微觀形貌分析

圖2 固硫灰基地質聚合物養護制度

抗壓強度試驗采用20 mm×20 mm×20 mm的試件，利用日本理學公司生產的萬用壓力試驗機完成。固硫灰的化學成分利用RIX-2100型X-射線熒光光譜儀進行分析；試樣的晶體結構利用RINT-1100型X-射線衍射儀(CuKα靶)進行分析，管電流和管電壓分別為40 mA和40 kV；采用JSM-6510型掃描電鏡對試樣進行微觀分析；采用電感耦合等離子光譜發生儀分析重金屬浸出性。

2 試驗結果分析

2.1 抗壓強度分析

固硫灰基地質聚合物抗壓強度試驗結果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著n(Na2O)/n(SiO2)的增加，1 d和7 d的地質聚合物強度呈先增加后平穩發展的趨勢。當n(Na2O)/n(SiO2)為0.27時，固硫灰基地質聚合物抗壓強度達到最高值；當n(Na2O)/n(SiO2)大于0.27時，其抗壓強度呈現平穩趨勢。當激發劑的摻加量增加時，n(Na2O)/n(SiO2)提高，固硫灰中Si和Al的溶出率提高，促進了聚合反應的發生。當溶液中堿的質量濃度超過一定值時，過量的堿阻礙了硅鋁基團的縮聚作用，致使強度不再增加[7]。

圖3 固硫灰基地質聚合物抗壓強度

2.2 微觀形貌分析

圖4a，4b分別為固硫灰顆粒和固硫灰基地質聚合物的微觀形貌。由圖4a可見，固硫灰顆粒表面粗糙，顆粒大小不一，呈現不規則形狀。經過堿性激發，地質聚合物形成于固硫灰顆粒表面，近乎為球狀(圖4b所示)。從圖4b可以看出，固硫灰基地質聚合物內部結構相對疏松，這可能也是導致其抗壓強度不高的原因之一。

2.3 固化Pb2+性能分析

作者利用ICP(感應耦合等離子體)法研究了n(Na2O)/n(SiO2)對固硫灰基地質聚合物固化Pb2+性能的影響，結果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著n(Na2O)/n(SiO2)的增加，固硫灰基地質聚合物浸出液中Pb2+質量濃度明顯下降，說明固硫灰基地質聚合物對Pb2+的固化性能逐漸增加；同時，浸出液的pH值也隨之增加，原因在于n(Na2O)/n(SiO2)與激發劑摻量成正比。此外，養護1 d的固硫灰基地質聚合物中Pb2+的浸出質量濃度均大于7 d的，說明地質聚合物對Pb2+的固化性能與強度在一定程度上成正比。

地質聚合物固化重金屬離子主要有物理和化學兩種方式。物理方式主要是地質聚合物特有的三維網狀結構對重金屬離子的吸附和封存作用[8]。研究表明[9-10]，地質聚合物可固化溶液中的重金屬離子，龍伏梅等[11]研究了吸附能力的影響因素，認為地質聚合物的配比影響了吸附性能。化學方式是指重金屬離子鍵合到地質聚合物的骨架結構中，或以比較弱的結合形式與地質聚合物的聚合鏈發生鍵合[8]。相關研究表明[12-14]，地質聚合物中的Pb2+主要靠化學形式被固化在不定形相中，但具體的固化機理尚需進一步研究。

圖5 固硫灰基地質聚合物固化Pb2+性能

3 結論

(1)固硫灰基地質聚合物強度隨激發劑摻量的增加而增加，當n(Na2O)/n(SiO2)大于0.27時，固硫灰基地質聚合物抗壓強度呈現平穩發展趨勢。

(2)固硫灰基地質聚合物對Pb2+有一定的固化作用，隨著n(Na2O)/n(SiO2)和養護時間的增加，固化作用增強，但固化機理有待進一步研究。

[1]陳仕國,王群英, 應光偉,等.NaOH摻量對固硫灰基地質聚合物強度影響研究[J].硅酸鹽通報,2016,35(10):3362-3366，3372.

[2]王海龍.固硫灰制備地聚合物實驗研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(5):1392-1396.

[3]XU Z,WU D,ZHENG L,et al.Experimental study on geopolymer synthesis from activated zeolite[J].Disaster advances,2014,6(S3)：159-163.

[4]LI Q,XU H,LI F,et al.Synthesis of geopolymer composites from blends of CFBC fly and bottom ashes[J].Fuel,2012,97(7):366-372.

[5]朱強,盧都友.固化重金屬離子用地質聚合物基體的制備及其離子相容性[J].南京工業大學學報(自然科學版)，2010，32(3):61-66.

[6]KRAUSOVA K,CHENG T W,GAUTRON L,et al.Heat treatment on fly and bottom ash based geopolymers: Effect on the immobilization of lead and cadmium[J].International journal of environmental science and development，2012，3(4)：350-353.

[7]ZHANG Z H,YAO X,ZHU H J,et al.Role of water in the synthesis of calcined kaolin-based geopolymer[J].Applied clay science,2009,43(2):218-223.

[8]張媛,劉澤,王棟民.粉煤灰基地質聚合物固化重金屬離子的研究進展[J].硅酸鹽通報,2016,35(6):1751-1755.

[9]JAARSVELD J G S V,DEVENTER J S J V,LORENZEN L.Factors affecting the immobilization of metals in geopolymerized flyash[J].Metallurgical and materials transactions B,1998,29(1):283-291.

[10]KHALE D，CHAUDHARY R.Mechanism of geopolymerization and factors influencing its development:A review[J].Journal of materials science,2007,42(3):729-746.

[11]龍伏梅,胡明玉,丁再濤,等.粉煤灰地聚合物材料及性能研究[J].南昌大學學報(工科版)，2006，28(2):173-176.

[12]FERNANDEZ-JIMENEZ A，MACPHEE D E，LACHOWSKI E E,et al.Immobilization of cesium in alkaline activated fly ash matrix[J].Journal of nuclear materials,2005,346(2):185-193.

[13]FERNANDEZ-JIMENEZ A，PALOMO A，MACPHEE D E,et al.Fixing arsenic in alkali-activated vementitious matrices[J].Journal of the American ceramic society,2010,88(5):1122-1126.

[14]ZHANG J，PROVIS JL，FENG D,et al.Geopolymers for immobilization of Cr6+,Cd2+,and Pb2+[J].Journal of hazardous materials,2008,157(2/3):587.

X 705

A

1674-1951(2017)12-0053-03

2017-08-21；

2017-11-29

(本文責編：劉芳)

曹旺均(1973—)，男，福建沙縣人，工程師，從事燃煤、粉煤灰管理工作(E-mail:fz6666@139.com)。陳宇肇(1970—)，男，福建漳平人，高級工程師，工學碩士，從事火電廠生產、運行管理工作(E-mail:zpcyz@vip.163.com)。陳仕國(1987—)，男，山東臨沂人，工程師，工學碩士，從事燃煤電廠固廢利用研究工作(E-mail:hpuchenshiguo@163.com)。