淺談粉煤灰基地質聚合物的發展進程及應用

王璐瑤 謝瀟

摘要：粉煤灰是燃煤發電廠常見固體廢物之一，近年來對其資源化再利用已得到廣泛研究，將其作為地質聚合物制備原料，不但可以發揮地質聚合物低二氧化碳排放、高機械強度和強耐久性等優勢，還可將粉煤灰中的有害重金屬包埋固定，進而實現自然資源高效利用。從粉煤灰的定義及分類入手，主要闡述了粉煤灰地質聚合物的制備過程及優勢，總結了近年來國內外粉煤灰地質聚合物的研究及應用，并對今后的發展趨勢進行展望。

關鍵詞：粉煤灰;地質聚合物;重金屬;混凝土

中圖分類號：TU52

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.069

粉煤灰是燃煤發電廠的鍋爐煙氣中驅出的由細顆粒組成的固體殘渣之一。在煙道氣到達煙囪之前，通常采用靜電除塵裝置或其他顆粒過濾設備從煙道氣中過濾得到。粉煤灰的組分與燃燒煤的來源密切相關，通常包括Si02、A1203，Ca0和Fe203，它們以無定形和結晶氧化物或各種礦物質的形式存在[1]。

1 粉煤灰的分類

根據美國測試和材料協會標準C618（ ASTM C618-12a，2012），粉煤灰可根據其氧化鈣含量分為C級和F級。C級飛灰具有高鈣含量，主要來自褐煤的燃燒，其中Si02、A1203和Fe203總含量在50% - 70%，Ca0含量大于20%。F級飛灰鈣含量較低，由無煙煤或煙煤燃燒產生，其Si02、 A1203和Fe203總含量大于70%，Ca0含量小于l0%。除了Si、Al、Fe和Ca之外，通常粉煤灰還含有許多其他痕量金屬元素，如Ti、V、Cr、Mn、Co、As、Sr、Mo、Pb和Hg等，其金屬元素的濃度可能比煤中高4- 10倍，另外還可能包括低濃度的二嗯英和多環芳烴化合物。因此，粉煤灰被認為是一種危險物質，粉煤灰的不當處置不僅會增加對土地的占用，還有可能危及生態環境。

2 粉煤灰基地質聚合物的制備及優勢

由于石油和天然氣能源不易得，不可再生且開采成本高，因此，燃煤電廠在現階段發展中仍將長期運行，特別是在煤炭資源豐富的國家，例如中國、美國、印度和澳大利亞。在這種情況下，粉煤灰的產生仍是不可避免的，因此開發粉煤灰經濟且綠色的利用技術十分必要。在目前現有技術中，粉煤灰可用于土壤改良，也可用于制作低成本的污染物質吸附劑，或作為生產沸石所用的二氧化硅和氧化鋁來源，還可被用于制備地質聚合物。地質聚合物是一種新型粘合劑或水泥.其外觀、反應性和性能與普通水合水泥大致相同。地質聚合物具有三維硅鋁酸鹽網狀結構，從生成機理上來說，它可由任何硅鋁酸鹽材料經堿活化得到[2]，其經驗式為：

Mn[ -（ Si02）z- A102]nwH20

（l）式（l）中：z為Si/A1摩爾比;M為堿金屬陽離子，比如Na+或K+;n為聚合度;w為含水量。

z為影響地質聚合物機械強度的重要因素之一，而不同堿金屬陽離子具有不同的尺寸和電荷密度，這些均會對硅鋁酸鹽鏈的成核、生長及電荷密度，生成速率和聚合程度產生一定的影響。

在實際制備中，一般通過將NaOH、KOH、Na2Si03或K2Si03 -起或單獨加入粉煤灰中在室溫或略高溫度下（通常< 100℃）進行堿活化，同時粉煤灰中的痕量有毒金屬元素可以被有效捕獲，并固定于地質聚合物結構中，實現了廢物資源化。傳統OPC水泥的生產過程中有大量石灰石（CaC03：在高溫下被煅燒和分解，并釋放大量C02，有研究顯示，每生產It的OPC，將伴隨產生大約0.8t的C02，而地質聚合物在制備過程中不但幾乎不排放C02，還擁有與OPC水泥相當的機械強度和耐久性，因此可以作為綠色環保型水泥推廣應用。

3 粉煤灰基地質聚合物的應用

3.1 粉煤灰基地質聚合物吸附和固定重金屬

近來多項研究表明飛灰、礦渣或其他工業和住宅廢棄物中的可溶性重金屬，如Ba、Cd、Co、Cr、Cu、Nb、Ni、Pb、Sn和U等可被固定于粉煤灰基地質聚合物的三維結構中，主要機制包括物理封裝和化學穩定。

TEMUUJIN等人[3]將烏蘭巴托市第四熱電站由放射性蒙古煤燃燒產生的具有高鐳放射性（314 - 343 Bq/kg）和高Ca0含量（14 - 30 wt%）的粉煤灰作為原料，加入氫氧化鈉溶液或氫氧化鈉和硅酸鈉溶液的混合溶液，在70℃下固化22h，最終可得到具有良好抗壓強度和抗凍融性的地質聚合物，同時放射性降低至130 - 152 Bq/kg，符合建造住宅的安全限度標準。

ZHANG等人[4]通過硅酸鈉溶液堿性活化粉煤灰，形成地質聚合物粘合劑，并對其固化穩定化重金屬廢物效果進行試驗研究。結果顯示粉煤灰地質聚合物中的化學結合可非常有效地固定Pb，同時，地質聚合物固定化重金屬離子的效果及其對自身結構的影響與重金屬性質密切相關，易溶重金屬可均勻分散在整個地質聚合物基質中，而微溶重金屬則與大部分粘合劑保持分離。且無論污染程度如何，硅酸鈉活化的粉煤灰基地質聚合物的強度遠超固化/穩定化固體廢物要求的強度。

3.2 粉煤灰基地質聚合物用作混凝土

隨著人們環保意識和自然資源高效利用的需求不斷提升，建筑行業也在尋求更多的綠色環保材料。粉煤灰基地聚合物是一種良好的粘合劑，可用作水泥與骨料混合生產地質聚合物混凝土，在混凝土工業中被作為輔助水泥材料已有超過50年的歷史。

在傳統水泥的水化過程中，高含量的A1203和Si02的粉煤灰可以被Ca（ OH）z活化，從而產生更多的C-S-H凝膠，C-A-H凝膠和C-A-S-H凝膠，有效填充了混凝土中的毛細管，從而提升了混凝土強度，粉煤灰可以在早期降低混凝土的水化熱和熱裂，提高機械性能和耐久性能。與OPC混凝土相比，粉煤灰基地聚合物混凝土具有更致密的微觀結構，具有更低的氯擴散和更低的孔隙率，同時，粉煤灰基地質聚合物混凝土可實現低C02排放，對減緩全球氣候變暖具有深遠意義。

3.3 粉煤灰基地聚合物水泥作為碳儲存庫

已有學者提出將C02注入并儲存至地下封存作為處理溫室氣體的長期策略之一。基于OPC水泥的地下井注入C02后，長期封存結果顯示OPC水泥有不斷降解趨勢，C02也隨之緩慢泄漏。而粉煤灰基地聚合物的低滲透性可有效防止C02泄漏。

NASVI等人[5]研究發現，粉煤灰基地聚合物的C02滲透率隨固化溫度的升高而增加，增加量高達200% -1 000%。而在任意試驗溫度下，其最大滲透率（ 0.04ID）比美國石油工業（ API）對典型的井密封劑推薦的滲透率值（200ID）低約5 000倍。盡管地質聚合物的滲透性隨溫度而提升，但其值遠低于傳統OPC水泥和API推薦的限值。因此，地質聚合物在地下井建筑材料中具有作為主要密封劑材料的潛力。

4 結束語

在實際應用中，需要綜合考慮粉煤灰基地質聚合物的抗壓強度、彎曲強度、劈裂抗拉強度等機械性能，以及抗氯化物、抗酸、抗熱、抗凍融、抗風化等耐久性能，并通過調節Si/A1比、堿溶液、固化條件以及添加爐渣、赤泥和鈣等材料來改善。盡管有關粉煤灰基地聚合物的研究已有數十年，但仍有許多問題有待解決及優化，包括對粉煤灰基地聚合物反應機理的進一步探究，粉煤灰基地聚合物吸附或固化重金屬離子性能的進一步提升，粉煤灰基地聚合物應用的推廣等，相信在今后的發展中，這一綠色環保材料將起到更好的作用。

參考文獻：

[l]王淑玲.堿激發粉煤灰制備地質聚合物及其性能研究[D].長沙：長沙理工大學，2016.

[2]劉斯鳳，王培銘，李宗津，等.粉煤灰地聚合物固封Cr3+的FTIR和XPS研究[J].光譜學與光譜分析，2008，28（1）：67-71.

[3] TEMUUJIN J，MINJIGMAAA，DAVAABALB，etal.Utilization of radioactive hi～-calcium Mongolianflyash for the preparation of alkali-activated geopolymersfor safe use as construction materials [J] .CeramicsInternational， 2014， 40（ 10）：16475-16483.

[4] ZHANG J，PROVIS JL，FENG D， et al.Geopolymersfor immobilization of Cr6+.Cd2+and Pb2+[J] .Joumal ofHazardous Materials， 2008， 157（ 2-3）：587-598.

[5]NASVI M C M，RANJITH P G，SANJAYAN J， et al.Effectof temperature on permeability of geopolymer：A primarywell sealant for carbon capture and storage wells[J].Fuel，2014（ 117）：354-363.