煤渣陶瓷的微觀結構分析

陳倩

【摘 要】以煤渣為主要原料，輔以粘土，長石和石英等原料，采用傳統陶瓷的燒結工藝燒制煤渣陶瓷。采用XRD，EDS分析了煤渣陶瓷的物相組成及微觀結構。研究表明：煤渣陶瓷主要含有鈣長石，石英和赤鐵礦等晶相。石英在坯體中以單獨的相存在，鈣長石分布相對均勻，赤鐵礦零星分布。

【關鍵詞】煤渣；陶瓷；微觀結構

【Abstract】With cinder as major material and clay，feldspar，quartz as ancillary material， cinder ceramics was manufactured by traditional ceramics sinter process. Cinder ceramics were systematically characterized by the X-ray diffraction （XRD） and Energy Dispersive Spectrum （EDS）. The possible crystal phases that exist in cinder ceramics were identified， which are anorthite， quartz and hematite. And the quartz phases exist signally， anorthite are relatively well-distributed， hematite distributed sporadically.

【Key words】Cinder； Ceramic； Microstructure

我國是以煤炭為主的能源生產與消費大國，無論是工業，發電廠還是民用鍋爐及其他燃煤設備，每年都會產生大量的煤渣。煤渣棄置堆積占用土地，長期堆放給生態環境帶來負荷[1-2]。目前，煤渣主要作為吸附劑、脫色劑等[3-5]。由于煤渣含有大量的SiO2和Al2O3，因此，煤渣可作為一種新型的原料，生產建筑陶瓷，不僅減少了傳統陶瓷原料的消耗，而且能夠更多更好的利用廢料煤渣，實現廢料的資源化。

1 實驗方法

采用煤渣、粘土、長石和石英為原料，采用傳統陶瓷的燒結工藝燒制煤渣陶瓷，配方見表1，其中，sample1的燒結溫度為1160℃，sample2和sample3的燒結溫度為1190℃。

2 微觀結構分析

2.1 XRD分析

從圖1可看出，煤渣陶瓷的主晶相包含anorthite（鈣長石）、quartz（石英）和hematite（赤鐵礦）。這是因為煤渣中含有大量的SiO2和CaO，它們在燒結后形成了鈣長石。赤鐵礦來源于煤渣，在低溫燒結過程中它可以填充孔隙從而提高煤渣陶瓷的抗彎強度，但當燒結溫度升高時，赤鐵礦熔融導致液相增加，進而導致煤渣陶瓷的抗彎強度[6]。而鈣長石和石英相都會提高煤渣陶瓷的抗彎強度。

2.2 EDS分析

scanning of elements

為了進一步分析煤渣陶瓷的相分布，對sapmle2進行了EDS分析。Si、O、Fe、Ca和Al 元素的背散射電子圖像和面掃描如圖2所示。其中，不同的顏色代表不同的化合物，圖2可定性的描述了被掃區域中不同元素的分布，且顏色越明亮，說明該處的元素比例越高。從圖2中可以看出，煤渣陶瓷的主晶相分布著為CaO、 Al2O3和 SiO2，這可能是因為鈣長石晶粒細小以致于鈣長石晶粒被玻璃相包裹。其次，煤渣陶瓷的微觀結構中具有零星分布的FeO，且有兩處存在SiO2單晶，如圖3中區域1和區域2處所示。為了進一步對煤渣陶瓷的微觀結構進行定量分析，對被掃區域的四個典型微小區域進行點掃描，如圖3中1、2、3和4所示。

在區域1中，SiO2的含量占99.12%，說明此處晶相為石英。同理，可推斷區域2也為石英相。在區域3中， FeO， SiO2和Al2O3的比例為 91.29：4.07：4.64，包含了少量的SiO2和Al2O3。而由圖2中推斷區域3處是FeO相。經過分析，這可能是因為X-ray的空間分辨率大約在5μm，而區域3大約7μm，因此，由點掃描出的區域3中的含量包含了區域3周圍大概2μm左右的元素含量，因此，存在少量的SiO2和Al2O3。在區域4中， Al2O3、SiO2和CaO的比例為 17.63：73.42：8.98，該比例與鈣長石 （CaO·Al2O3·6SiO2）中各氧化物的比例相近，因此，可判定區域4為鈣長石。由此可見，在煤渣陶瓷中，鈣長石均勻分布，石英和赤鐵礦分布在鈣長石相中，石英顆粒的尺寸大于赤鐵礦。

3 結論

（1）煤渣陶瓷采用的煤渣含量高達60%，實現了廢料的資源化。

（2）通過XRD分析，煤渣陶瓷含有主晶相鈣長石和次晶相石英和赤鐵礦。

（3）通過ESD分析，在煤渣陶瓷中，鈣長石均勻分布，石英和赤鐵礦分布在鈣長石相中，石英顆粒的尺寸大于赤鐵礦。

【參考文獻】

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[5]劉精今，李小明，楊麒.爐渣的吸附性能及在廢水處理中的應用[J].工業用水與廢水，2003，34（1）：12-15.

[6]Hao Bai， Pu Liu， Xianbin Ai et al.， Analysis on the microstructure characteristics of steel-slag based Ceramics[J]. Materials Research， 2011（150-151）：133-138.

[責任編輯：鄧麗麗]