醫療廢物焚燒爐渣制備結構材料的研究

＊孔旺盛

（上海市固體廢物處置有限公司 上海 201815）

1.引言

近年來，隨著醫療廢物產生量的不斷增長，醫療廢物的處理處置問題引起廣泛關注。目前，高溫焚燒是國內外處理醫療廢棄物的主要手段，焚燒過程中會產生20wt%-25wt%的爐渣。根據《國家危險廢物名錄（2021）》中豁免管理清單中規定，醫療廢物焚燒處置產生的底渣，滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB16889）要求進入生活垃圾填埋場填埋，全過程可不按照危險廢物管理[1]。醫療廢物焚燒處置過程中產生的爐渣主要成分為金屬和無機非金屬材料，其重金屬浸出濃度遠低于危險廢物鑒別限值，不屬于危險廢物，具有很大的資源化利用潛力[2]。有研究中提出爐渣的資源化應用方向為制備玻璃陶瓷，但是玻璃陶瓷熔鑄所需溫度較高[3]，有些體系的制備溫度甚至達到1500℃[4-7]。在實際應用中存在能耗大，設備造價昂貴的問題，且得到的產品品質容易受到原料成分波動的影響。

醫療廢物焚燒爐渣中含有大量的無機物，質地較脆，可通過粉體工程手段制備出較為均勻的粉體。無機粉體在較高的溫度下會發成熔融或燒結反應，從而賦予材料很好的力學性能和化學穩定性，因此，以爐渣為原料制備具有優異力學性能的結構材料是將其變廢為寶的一個非?？尚械姆较?。

2.材料與方法

(1)實驗材料

實驗涉及的醫療廢物焚燒爐渣由上海市某醫療廢物焚燒處置基地提供。通過X射線熒光光譜儀（XRF）及X射線衍射儀圖譜（XRD）對其進行化學成分和結構測定。

可以得出爐渣的主要成分為SiO2（38.06%）、CaO（26.47%）、Fe2O3（10.95%）和Al2O3（10.78%），合計占爐渣總質量86.28%。其余成分包括堿土金屬氧化物、過渡金屬氧化物和非金屬氧化物等，在爐渣中占比較小。詳見表1。

表1 醫療廢物焚燒爐渣的化學組成

由XRD圖譜可以看出，爐渣成分較為復雜，主要為鈣鋁黃長石、氧化亞鐵、石英以及硅酸鹽類礦物。爐渣的主要成分為無機非金屬材質，可通過資源化工藝將爐渣制備成無機非金屬材料。

圖1 爐渣粉體的XRD衍射圖譜

(2)實驗方法

①造粒：為了得到均勻成型的爐渣粉體，將爐渣在200℃條件下干燥6h后，采用臥式滾磨機（滾磨機的材質為氧化鋁陶瓷，磨球為Al2O3或ZrO2材質）進行破碎、滾磨，滾磨過后，將爐渣通過60目篩網，篩去難以磨碎的大塊金屬即得到均勻的粉體，再向粉體中加入1.5wt%的PVA水溶液進行造粒。

②制樣：通過干壓模具將造粒粉體在10MPa-20MPa壓力之下壓制成生坯。再將生坯置于馬弗爐中加熱至1000℃，恒溫2h，待其自然冷卻放至室溫后制成樣品。

(3)實驗儀器

爐渣材料的抗壓強度和彎曲強度檢測采用Instron-5000R萬能試樣機；粉體顆粒及燒結后樣品的微觀形貌檢測采用Hitachi S-4800場發射電子掃描顯微鏡；樣品斷面元素成分分析采用Genesis 4000 EDAX能譜儀；樣品的物相成分分析采用BRUKER D8 FOCUS X射線衍射儀。

3.結果與討論

(1)粉體成型

從圖2可以直觀看出，醫療廢物焚燒爐渣未經造粒僅通過滾磨破碎后得到的粉體呈現出棱角明顯、燒結后部分粉體出現開裂的現象，得到的粉體松裝密度較低，流動性較差，而且在壓制的過程中材料中的氣體難以排出，使得體系中產生較大的應力，從而導致燒結后的產品強度較低，部分粉體產生開裂的現象。

（4）我們將向“一帶一路”沿線發展中國家提供20億元人民幣緊急糧食援助，向南南合作援助基金增資10億美元，在沿線國家實施100個“幸福家園”、100個“愛心助困”、100個“康復助醫”等項目。我們將向有關國際組織提供10億美元落實一批惠及沿線國家的合作項目。

圖2 未造粒的粉體燒結后產生開裂

本研究采用1.5wt%的PVA水對爐渣粉體進行造粒，從圖3量筒中粉體的狀態可以看出，經過造粒后，爐渣粉體的流動性有明顯的提高。從量筒中粉體體積的變化可以得出，粉體體積明顯減小，其松裝密度由造粒前的0.85g/cm3增加到1.62g/cm3。

從粉體造粒前后外觀形貌的電子掃描顯微鏡對比圖（圖3）中可以得出，粉體形貌顯示造粒之前，大部分粉體呈現為小粒徑的粉體，而造粒后的粉體呈現出明顯的聚集現象，小顆粒的粉體數量明顯減少，主要為大顆粒的塊狀粉體。這是由于造粒前粉體的粒徑小，比表面積大，表面能較高，相互之間容易出現粘連搭接，從而使得粉體的流動性變差、堆積密度降低[8]；而粉體經過造粒后，小粒徑的粉體團聚成較大粒徑的顆粒，這極大減少了粉體間的粘連搭接，從而使得粉體的流動性增強，松裝密度變大。

圖3 粉體造粒前后外觀形貌的變化

將造粒后的粉體分別在10MPa、15MPa和20MPa的壓力下制成生坯，然后在馬弗爐中加熱至1000℃的條件下熱處理2h，在1000℃處理2h后得到的試樣收縮較小，熱處理前后試樣尺寸及收縮率的具體數值如表2所示。從表中可以看出，雖然成型壓力差別比較大，但是樣品的燒結收縮率非常接近，均在2.5%-3.0%范圍之間，由此表明樣品在燒結過程中的尺寸穩定性非常好，在不同的壓力下仍可保持較好的穩定性。

表2 熱處理前后試樣尺寸及收縮率

以PVA作為粘結劑造粒，不僅提高了粉體的流動性，賦予了材料良好的成形性能，同時也提高了壓制生坯的強度，減少彈性后效的作用[9]，在壓制和燒結過程中試樣不容易開裂，有利于性能的提高。

圖4 粉體經過造粒后制備的樣品

(2)力學性能

①抗壓強度

生坯經過熱處理后，得到的樣品的抗壓強度結果如圖5所示，從圖中可以看出樣品具有較高的抗壓強度，樣品的抗壓強度和成型壓力之間并不呈線性關系。在10MPa下制備的樣品的抗壓強度為30MPa，20MPa的成型壓力下制備的樣品的抗壓強度為34MPa，而15MPa的成型壓力下制備的樣品的抗壓強度達到56MPa，遠高于《燒結多孔磚》（GB13544-2000）中一等品建筑用磚30MPa的抗壓強度要求，說明樣品已經達到且高于制備建筑材料的標準。隨著處理工藝的進一步優化，燒結后樣品的力學性能有更大的提升空間，除了在建筑材料領域，該爐渣制備材料在其他結構材料領域也將會有更大的應用前景。

圖5 不同成型壓力樣品的抗壓強度

②彎曲強度

彎曲強度是無機非金屬材料另一個重要的使用性能指標，指材料在彎曲負荷作用下破裂或達到規定彎矩時能承受的最大應力。取15MPa的壓力下成型的熱處理樣品進行彎曲強度的測試，測試結果見圖6。可以看出15MPa的壓力下成型的爐渣樣品測得平均彎曲強度達到了54MPa，而混凝土C40、大理石、釉面墻地磚的彎曲強度均小于爐渣樣品的，其中目前常用的混凝土C40的彎曲強度最小，僅為5.5MPa，而天然優質大理石的彎曲強度為14MPa[10]，釉面墻地磚的彎曲強度的國家標準為24.5MPa[11]。由此可以得出，與上述無機非金屬材料相比，爐渣制備的樣品在彎曲強度方面有著較為顯著的優勢。

圖6 爐渣樣品與其他無機非金屬材料的彎曲強度的對比

(3)耐水耐酸性

取15MPa壓力下成型的熱處理樣品在自來水及1mol/L濃度的HCl水溶液中浸泡15天，而后將樣品取出，洗滌烘干后進行抗壓強度測試，測試結果見表3。從水浸和酸浸后樣品的抗壓強度的測試中可以看出，經過兩種手段處理的樣品的抗壓強度均變化較小。水浸樣品的抗壓強度由原抗壓強度為56MPa變為55.2MPa，下降了1.43%，而酸浸樣品的強度變為54.3MPa，下降3%，說明經過水浸和酸浸后的樣品抗壓強度略有降低，但仍具有很好的力學性能。

表3 水浸及酸浸后樣品抗壓強度

(4)熱處理樣品顯微結構分析

900℃和1000℃熱處理的樣品微觀結構如圖7所示。從圖中可以看出900℃和1000℃熱處理的樣品微觀結構明顯呈現出了不同的結構，樣品在900℃條件下內部顆粒并未發生明顯的粘結或是燒結，熱處理后樣品的強度很低，可輕易掰斷，表明在該溫度下樣品的內部結構并未發生明顯的變化，樣品的抗壓強度很低。而經過1000℃熱處理后的樣品，生胚內部的結構發生了巨大的變化，顆粒之間緊密粘結形成一種連續的整體性結構。

圖7 900℃（上）和1000℃（下）熱處理樣品的微觀形貌

選取1000℃熱處理后樣品的連續相中的一部分放大觀察，發現其表面仍然較為光滑，無晶粒晶界特征。從EDS能譜分析結果對其成分進行分析，顯示該處主要成分為Ca、Si、Al、Na、Fe（圖8），說明這幾種元素的氧化物在高溫條件下易生成連續的玻璃相[12]。

圖8 樣品的連續相結構及EDS能譜分析結果

結合SEM圖像中樣品的內部具有很多不規則孔洞的顯示結果，在孔洞的尖端極易產生裂紋，這是樣品產生破裂的主要原因。通過調整粉體的顆粒形狀和粒徑分布，優化樣品內部的空隙結構，可進一步提高樣品的力學性能，從而得到結構性能優異的材料。

(5)樣品物相分析

經過1000℃熱處理2h后的樣品的XRD衍射圖譜如圖9。可以看出圖譜的左側有典型的饅頭峰，表明材料中有玻璃相生成，與SEM的觀測結果相一致。樣品的主要物相為鈣鐵榴石，而尖晶石、黝方石等物相含量較少，與熱處理前樣品的成分具有較大差異，表明鈣鋁黃長石、石英、氧化亞鐵等物質在高溫下發生了較充分的固相反應。

圖9 1000℃熱處理2h后的樣品的XRD衍射圖譜

通過玻璃相的粘結以及不同成分間的固相反應，材料中的不同成分和結構單元連接在一起，賦予了材料優異的力學性能和耐水耐酸性能。作為主要成分的鈣鐵榴石屬等軸晶系，莫氏硬度為6.5-7.5，高于普通玻璃和石材，且其在室溫～1045℃范圍內仍然可以保持很好的熱穩定性，因此使得以醫療廢物焚燒爐渣制備得到的樣品作為結構材料具有很好的應用前景。

4.總結

醫療廢物焚燒爐渣作為一類特殊的固體廢棄物，含有大量的金屬和無機非金屬材料，并且由于其重金屬含量低，不屬于危險廢棄物，具有資源化利用的潛力。通過造粒和熱處理燒結工藝后，可制備得到具有優異力學性能的建筑材料。

（1）醫療廢物焚燒爐渣由于含有較多的脆硬性成分，可使用較為先進的粉體工程技術對其進行精細加工，通過球磨造粒等工藝手段可以制備出適合高壓成型的粉體原料；

（2）在15MPa的成型壓力和1000℃的熱處理條件下，樣品可表現出很好的力學性能，抗壓強度可達56MPa以上，彎曲強度達到54MPa，且具有優異的耐水、耐酸性能；

（3）材料強度的提高主要是因為高溫下形成的玻璃相的粘結以及不同成分間發生固相反應而結合在一起，在材料內部形成一種連續的結構；

（4）樣品的內部有很多不規則的孔洞，在孔洞的尖端極易產生裂紋，這是樣品產生破裂的主要原因，通過進一步調整粉體的顆粒形狀和粒徑分布，優化樣品內部的空隙結構，可以進一步提高樣品的力學性能，制備得到性能優異的建筑材料；

（5）熱處理前后爐渣的物相組成變化很大，在熱處理前爐渣的主要成分為鈣鋁黃長石、石英、氧化亞鐵的物質，而熱處理之后形成的物相以鈣鐵榴石為主，還有少量的尖晶石等物相。