生活垃圾焚燒飛灰-粉煤灰基多孔保溫材料的制備①

易龍生， 劉 濤， 吳 倩， 劉 苗

(中南大學 資源加工與生物工程學院,湖南 長沙410083)

城市生活垃圾焚燒飛灰(Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash,MSWI Fly Ash,簡稱飛灰)中二噁英、重金屬等含量較高,被列入國家危險廢棄物名錄。粉煤灰是燃煤電廠產生的主要固體廢棄物。 兩者對環境危害巨大,實現其資源化利用是對其處置的最佳途徑［1-5］。 飛灰在建材方面擁有廣泛應用潛力［6-8］；粉煤灰是一種良好的骨架材料和膠凝材料,在摻合料方面有良好的應用［9-10］。 生活垃圾焚燒飛灰和粉煤灰均含有較多的SiO2、Al2O3、CaO 等,具有一定膠凝性,在堿性條件下會發生地質聚合反應,形成具有一定強度的聚合網絡結構。 本文研究了在飛灰中摻入粉煤灰制備多孔保溫材料的方法,以期實現固體廢棄物減量化和高值化利用的雙重目標。

1 實 驗

1.1 實驗原料及設備

1.1.1 實驗樣品

飛灰樣品來自湖南某生活垃圾焚燒發電廠,呈灰棕色,比表面積2 150 cm2/g,機械粉磨處理后比表面積達到3 700 cm2/g。 粉煤灰來自新疆某發電廠,呈灰白色,比表面積2 200 cm2/g,機械粉磨處理后比表面積3 400 cm2/g。 采用XRF 對樣品及粉煤灰進行化學成分分析,結果分別見表1 和表2。

表1 生活垃圾焚燒飛灰化學成分（質量分數）/%

表2 粉煤灰化學成分（質量分數）/%

由表1 可知,生活垃圾焚燒飛灰樣品中SiO2含量為23.45%,Al2O3含量為14.80%,是構成多孔材料的重要骨架成分,但飛灰中SiO2和Al2O3總含量小于50%,達不到火山灰材料的要求,無法直接作為膠凝材料利用［11］,因此需要摻拌其他含有較高SiO2、Al2O3的物質來制備成膠凝材料。 飛灰中含有6.35%的Cl 元素,在多孔保溫材料制備試驗前,大部分已通過水洗和高溫燒結去除。

從表2 可以看出,粉煤灰中含有豐富的SiO2和Al2O3,是形成骨架和膠凝性的主要成分。 因此,通過向飛灰中加入粉煤灰,可以提高混合物的SiO2和Al2O3含量,形成良好的膠凝性,從而提高多孔材料的強度。

1.1.2 實驗儀器與設備

實驗所用主要儀器與設備見表3。

表3 實驗所用主要儀器與設備

1.2 實驗方法

采用雙氧水在堿性條件下分解產生氣體的方法制備聚合物多孔材料,具體操作步驟為:①稱取一定量的飛灰(經機械粉磨和去氯處理)和粉煤灰,加入水玻璃和水,攪拌使漿料混合均勻；②邊攪拌邊加入一定濃度的雙氧水和油酸鈉；③將混合好的漿料倒入模具中,密封放置于一定溫度下養護24 h 后,取出放在室溫條件下繼續養護至恒重,養護完成后將樣品切割成具有一定規則形狀的塊狀體,測定其性能。

采用無側限抗壓強度檢測方法測量樣品抗壓強度值,加壓速度5 kN/s。 采用瞬態平面熱源法(TPS)和以Hot Disk 為探頭的DRE-2C 導熱系數測定儀測定樣品導熱系數。

2 實驗結果與討論

2.1 原料配比的影響

油酸鈉用量0.2%、水玻璃模數2.34、水玻璃用量11%、水添加量37%、雙氧水用量2%,飛灰/粉煤灰配比(質量比)對樣品抗壓強度和導熱系數的影響見圖1。 以上添加劑用量均為相對飛灰、粉煤灰混合物的質量分數。

圖1 原料配比與樣品抗壓強度和導熱系數的關系

由圖1 可知,飛灰占比越多,樣品抗壓強度越低,導熱系數越高。 當飛灰/粉煤灰配比為1 ∶2時,樣品抗壓強度最高,導熱系數最低,分別為0.76 MPa 和0.063 W/(m·K),但飛灰利用率較低。 當飛灰/粉煤灰配比為1 ∶1時,樣品抗壓強度滿足要求,為0.44 MPa,導熱系數為0.139 W/(m·K),接近保溫材料的標準(0.12 W/(m·K))［12］。 當飛灰占比繼續增加時,SiO2和Al2O3總含量減少,即骨架成分和膠凝成分減少,制成的樣品抗壓強度和隔熱系數均不達標。 綜合考慮飛灰利用率和樣品性能,選擇飛灰/粉煤灰配比1 ∶1。

2.2 油酸鈉用量的影響

飛灰/粉煤灰配比1 ∶1、水玻璃模數2.34、水玻璃用量11%、水添加量37%、雙氧水用量2%,穩泡劑油酸鈉用量對抗壓強度和導熱系數的影響見圖2。

圖2 油酸鈉用量與樣品抗壓強度和導熱系數的關系

從圖2 看出,隨著油酸鈉用量增加,樣品抗壓強度增大,導熱系數先降低后升高。 當油酸鈉用量較少時,氣泡穩定性不高,有些氣泡在未成形前就發生坍塌,使得多孔結構少且孔尺寸較大,孔隙率低,抗壓強度小,導熱系數大。 隨著油酸鈉用量增加,氣泡穩定時間變長,孔隙結構增多,但總體孔尺寸變小,抗壓強度增大,導熱系數降低。 當油酸鈉用量增加到0.4%時,氣泡能夠穩定存在,此時樣品抗壓強度為0.51 MPa,導熱系數降到最小,為0.095 W/(m·K),滿足多孔保溫材料的要求。 隨著油酸鈉用量繼續增加,漿料黏度過大,發泡效果差,抗壓強度和導熱系數均增大。 因此選擇油酸鈉用量0.4%。

2.3 水玻璃模數的影響

飛灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸鈉用量0.4%、水玻璃用量11%、水添加量37%、雙氧水用量2%,水玻璃模數對樣品抗壓強度和導熱系數的影響見圖3。

圖3 水玻璃模數與樣品抗壓強度和導熱系數的關系

從圖3 可以看出,隨著水玻璃模數增大,樣品抗壓強度先升高后降低,導熱系數不斷降低。 導熱系數與堿度有關,NaOH 用量越多,體系黏度越大,發泡效果變差,導熱系數升高。 水玻璃模數過大時,體系堿度低,飛灰和粉煤灰中的Si 和Al 溶出量不足,而且模數大的水玻璃中硅氧四面體結構呈高聚合形式,不利于地聚鍵合反應［13］,形成的地聚物抗壓強度低。 水玻璃模數2.5 時綜合效果最佳,此時樣品的抗壓強度為0.45 MPa,導熱系數為0.101 W/(m·K)。

2.4 水玻璃用量的影響

飛灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸鈉用量0.4%、水玻璃模數2.5、水添加量37%、雙氧水用量2%,水玻璃用量對樣品抗壓強度和導熱系數的影響見圖4。 由圖4 可知,隨著水玻璃用量增加,樣品抗壓強度增大,導熱系數降低。 水玻璃溶液中含有硅酸鹽低聚體(OH)3SiO-、(OH)2SiO22-、(OH)SiO33-,這些低聚體的存在可以與飛灰和粉煤灰中漿料體系中的硅鋁酸鹽溶解物起到橋連作用,加速形成具有強度的網絡結構［14］,使樣品強度增大,導熱系數降低。 當水玻璃用量為10%時,樣品抗壓強度為0.46 MPa,導熱系數為0.098 W/(m·K),效果較好,因此選擇水玻璃用量為10%。

圖4 水玻璃用量與樣品抗壓強度和導熱系數的關系

2.5 雙氧水用量的影響

飛灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸鈉用量0.4%、水玻璃模數2.5、水玻璃用量10%、水添加量37%,雙氧水用量對樣品抗壓強度和導熱系數的影響見圖5。

圖5 雙氧水用量與樣品抗壓強度和導熱系數的關系

從圖5 可以看出,樣品抗壓強度和導熱系數均隨著雙氧水用量增加而降低。 隨著雙氧水用量增加,體系內產生的氣泡增多,最終成型的樣品孔隙率增加,抗壓強度降低,導熱系數也降低。 當雙氧水用量為2%時,樣品抗壓強度為0.47 MPa,導熱系數為0.096 W/(m·K),符合要求,因此選擇雙氧水用量為2%。

2.6 水添加量的影響

飛灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸鈉用量0.4%、水玻璃模數2.5、水玻璃用量10%、雙氧水用量2%,水添加量對樣品抗壓強度和導熱系數的影響見圖6。 從圖6 可以看出,隨著水添加量增加,樣品抗壓強度增大,導熱系數先降低后基本穩定。 當水量較少時,漿料流動性差,影響硅鋁酸鹽物質的擴散,不利于聚合反應的發生,無法形成有強度的聚合網絡結構,而且使發泡變得困難,成品孔結構很少,抗壓強度低,導熱系數大。 隨著水添加量增加,有利于聚合反應的發生以及泡沫的產生,抗壓強度增大,導熱系數降低。 當水添加量為40%時,樣品抗壓強度為0.48 MPa,導熱系數最小,為0.091 W/(m·K),符合要求。 因此選擇水添加量為40%。

圖6 水添加量與樣品抗壓強度和導熱系數的關系

2.7 最優條件實驗

根據以上實驗,確定制備多孔保溫材料的最優條件為:飛灰/粉煤灰配比1 ∶1,油酸鈉用量0.4%,水玻璃模數2.5,水玻璃用量10%,雙氧水用量2%,水添加量40%。 在最優條件下制備多孔保溫材料,經測量發現該多孔保溫材料的抗壓強度為0.48 MPa,導熱系數為0.091 W/(m·K)(測試溫度100 ℃)。 一般要求保溫材料的導熱系數小于0.12 W/(m·K)(平均溫度小于或等于350 ℃),抗壓強度大于0.4 MPa［12］,因此,本文制備的保溫材料符合行業要求。

3 結 論

1) 采用生活垃圾焚燒飛灰、粉煤灰為原料,可以制備符合行業要求的多孔保溫材料。 該工藝可以實現飛灰、粉煤灰的減量化與高附加值利用。

2) 雙氧水會在堿性條件下產生大量氣泡,而油酸鈉能使氣泡穩定存在更長時間,避免氣泡在短時間內快速長大破裂。 基于此原理,采用生活垃圾焚燒飛灰和粉煤灰作為原料,在飛灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸鈉用量0.4%、水玻璃用量10%(水玻璃模數為2.5)、雙氧水用量2%、水添加量40%條件下制備的多孔保溫材料抗壓強度和導熱系數分別為0.48 MPa 和0.091 W/(m·K),達到了保溫材料行業要求。