新型免燒高比表面積粉煤灰陶粒的制備試驗研究

謝士兵，李 猛，王友成

（山東華泰紙業股份有限公司，山東 東營 257000）

本文研究的粉煤灰是山東華泰紙業股份有限公司配套熱電廠在燃燒煤炭過程中產生的固體殘渣[1]。就當今世界來看，火力發電作為電力工業中常規的一部分，盡管比重有下降的趨勢，但是所占份額仍然相當巨大，這說明粉煤灰的總產生量仍然是一個巨大的數字[2]。截至目前，全世界燃煤灰渣的排放量已經超過6.5 億t，粉煤灰占總量的5/6、粗灰占總量的1/6。根據相關文獻，2025年全世界燃煤灰渣總量將達8 億t[3]。當前，怎樣綜合利用粉煤灰已經成為我國面臨的一個重大問題。

陶粒是一種輕質集料，可用于生產陶粒砌塊等輕質墻體材料或作為水處理BAF 用濾料。傳統陶粒生產以燒結法為主，此法存在投資大、能耗較高、成本較高等缺點，而新型免燒陶?？刹捎米匀火B護或蒸汽養護，工藝簡單，成本較低，投資較小，具有較好的應用前景。為加快生產過程，本試驗采用蒸汽養護的方式，對免燒高比表面積粉煤灰陶粒的制備進行研究。

1 試驗原料與方法

1.1 原料

1.1.1 粉煤灰

本試驗采用山東華泰紙業股份有限公司熱電產生的粉煤灰作為主要材料。其手感細膩，顆粒度較細，無需進行破碎，潛水硬性較好，化學組成如表1所示。

表1 粉煤灰的化學組成

1.1.2 水泥

本試驗選用山水水泥廠生產的普通硅酸鹽425 號水泥，成分如表2所示。

表2 水泥的成分

1.1.3 激發劑

本試驗所用的激發劑包括生石灰、石膏，按1:1的比例進行混合。激發劑既可激發粉煤灰潛在活性，又可使粉煤灰容易成球。

1.1.4 黏結劑

本試驗以水玻璃作為黏結劑。根據特性，水玻璃分為硅酸鈉水玻璃（Na2O·nSiO2）、硅酸鉀水玻璃（K2O·nSiO2）兩類。本試驗主要從降低成本的方面考慮，試驗所用的黏結劑為價格低廉的硅酸鈉水玻璃。本試驗添加黏結劑的主要目的是改善研制陶粒的可塑性，增強成品陶粒的抗壓強度等理化指標。

1.1.5 輕質材料（膨脹珍珠巖）

珍珠巖具有成本低、體質輕、空隙多、強度高等優勢，在各個行業得到廣泛的應用。珍珠巖粉越細，粉料越易成球，但用量不宜過多，否則難以黏結。

1.1.6 有機高分子成孔劑

本試驗采用的有機高分子成孔劑為灰色粉粒狀結構，顆粒度細，顆粒直徑約≤3.2 μm。高分子成孔劑的主要作用是提高自制陶粒陶粒的比表面積、孔隙率等，同時使陶粒的孔隙結相對均勻，最重要的目的是最大限度地增加研發陶粒的比表面積，使其更容易作為生物填料進行使用。

1.2 試驗設備

試驗需要使用以下設備：WKY700 顆粒成球機；NOVA1000F 比表面積測定儀，美國康塔產；HITACHIS-3500N 掃描電鏡，日本日立產；LDZX-40CI 自動電熱壓力蒸汽滅菌器，上海申囊產；DGG-9140D 恒溫干燥箱，上海森信產。

1.3 試驗方法與工藝流程

以前試驗已確定主要材料的最佳添加量為：粉煤灰70%、水泥11%、水玻璃9%。為了確定自制陶粒原料的最佳配方，相同條件下，對激發劑（生石灰、石膏）作為A 材料、輕質材料（膨脹珍珠巖）作為B材料、有機高分子成孔劑作為C 材料進行正交試驗。下面以三種材料作為因數，進行三水平三因素L9（33）的正交試驗。

首先按不同的配比稱取原料，用攪拌器攪拌充分，用擠壓成型機將配比好的原料擠壓成顆粒直徑約2.5 mm 的顆粒。然后將成型顆粒倒入成球機中成球，在用成球機成球的過程中再按比例加入硅酸鈉水玻璃和其余原料，直至自制陶粒有少量粉末掉落，再按比例加入硅酸鈉水玻璃和其余原料，如此重復以上操作步驟，直至陶粒直徑為6～8 mm，成球結束。由于粉煤灰早期強度低，為了使陶粒的強度盡早達到要求，首先將成型陶粒在室溫（約25℃）下放置1.5 h 進行自然硬化，再將陶粒放入110℃下烘箱內，烘1.5 h，最后放入壓力蒸汽滅菌器內，采用100℃恒溫養護自制陶粒8 h，最終得到顆粒直徑為5～8 mm 的成品陶粒。

2 結果與分析

2.1 正交試驗

正交試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗結果

從表3 可看出，粉煤灰陶粒最佳試驗條件為A2B2C2。由此可知，自制陶粒的最佳原料配比為：粉煤灰70%，水泥11%，激發劑為9%，輕質材料8%，有機高分子成孔劑2%。另外，每l00 g 原料用水30 mL， 水玻璃8 g。從極差R分析中可以看出，對粉煤灰陶粒比表面積的影響大小排序為：有機高分子成孔劑的添加量＞激發劑的添加量＞輕質材料的添 加量。

2.2 蒸汽恒溫養護時間的確定

本試驗陶粒的制備以蒸汽養護作為后期養護的方式。蒸汽恒溫養護對比試驗如表4所示。

由表4 可知，陶粒養護采用蒸汽恒溫養護時，最佳養護時間為8 h。蒸汽養護養護10 h 時，自制陶粒出現極少破損，同時表面有裂縫。養護8 h 后，蒸養自制陶粒的強度基本上隨著時間的增加而降低。

表4 蒸汽恒溫養護時間對比試驗

2.3 陶粒理化性能的測定

通過試驗選型后，再進行進行3 次性能試驗，取其平均值。測定自制粉煤灰陶粒的各項理化性能指標，檢測結果如表5所示。

表5 自制粉煤陶粒的性能指標

2.4 自制陶粒與相關標準的主要技術性能對比

通過檢測對比可知，自制陶粒測試值與《輕集料及其試驗方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）的對比情況如表6所示。

通過比較發現，自制粉煤灰陶粒的各項指標均已達到《輕集料及其試驗方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）的要求，符合使用標準。

2.5 自制陶料表觀結果的測定

通過自制陶粒SEM 照片觀察，其表面凹凸有制，并且有很多比較大的坑洼；內部空隙比較發達，基本為小孔、中孔結構，大孔比較少。通過表面及內部電鏡照片可知，該陶粒表面極其粗糙，表面及內部有眾多微孔通道，非常適合用作污水處理BAF 系統生物填料。

表6 自制陶粒測試結果的對比

3 結論

自制陶粒各原材料的最優配比為：粉煤灰70%， 水泥11%，生石灰和石膏為9%，膨脹珍珠巖8%，有機高分子成孔劑2%，同時，成型陶粒最佳用水比為10:3，水玻璃用量為100:8。對自制陶粒的比表面積影響大小排序為：有機高分子成孔劑＞激發劑＞輕質材料。實驗室制備陶粒的最佳工藝條件為：首先將成型陶粒在室溫，約25℃，放置1.5 h 進行自然硬化，再將陶粒放入110℃下烘箱內，烘1.5 h，最后放入壓力蒸汽滅菌器內，采用100℃恒溫養護自制陶粒8 h。對成型陶粒理化性能指標進行檢測，自制陶粒檢測的指標為：比表面積12.94 m2/g，堆積密度 0.71 g/cm3，吸水率19.5%，抗壓強度4.01 MPa，各項指標均符合《輕集料及其試驗方法 第1 部分 輕集料》（GB/T 17431.1-2010）中關于粉煤灰陶粒的規定。

通過對自制粉煤灰陶粒外觀和微觀結構的觀測可知，其表面凹凸有制，并且有很多比較大的坑洼；內部空隙比較發達，基本為小孔、中孔結構，大孔比較少。試驗制備的自制粉煤灰陶粒具有比表面積較高、質地輕、強度高、制作簡單等特點，是良好的水處理材料，并成功用于山東華泰紙業股份有限公司污水處理廠，取得良好的使用效果，達到了變廢為寶的目的。