粉煤灰特性及其改性方法

贾鲁涛

粉煤灰特性及其改性方法

贾鲁涛

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

分析了粉煤灰的细度、需水量比、化学组成、矿物组成、微观形貌等理化特性，阐述了粉煤灰用于水泥、混凝土领域以及用于废水处理的作用机理。从机械粉磨、火法改性、酸改性、碱改性、表面活性剂改性及混合改性等方面介绍了粉煤灰改性方法，有助于改善粉煤灰品质。

粉煤灰；理化特性；改性；吸附性能

0 引言

粉煤灰是我国主要的工业固体废弃物之一[1]，预计到2020年我国粉煤灰的累计储量会超过30亿吨[2]。粉煤灰具有一定的形态效应、微集料效应、火山灰效应，目前主要用于水泥、混凝土等建材行业，不仅可以节约胶凝材料用量，还可以改善混凝土的工作性能，提高强度[3]，改善耐冻融性能等[4]。另外，也有少量粉煤灰用于土力工程[5-6]、土壤改良[7-8]等的研究。但受原材料品质、地域、市场等因素限制，仍有大量粉煤灰无法得到有效利用。如处置不当，极易产生二次污染，破坏生态平衡[9-10]，粉煤灰资源化利用是目前亟需解决的问题。

1 粉煤灰的性质

1.1 细度

细度是评价粉煤灰品质的重要指标之一，通常以45μm筛余量（%）作为其细度指标。粉煤灰细度与煤粉细度、燃烧温度、电厂锅炉类型、收尘设备等都有关系。粉煤灰的粒径主要分布在0.5-300μm内，平均粒径在10-30μm内。目前火电厂主要采用静电除尘方式，不同电场收集到的粉煤灰粒径差异较大，某电厂静电除尘器不同电场收集到的粉煤灰粒径分布如图1所示。可以看出，第一电场收集到的粉煤灰最粗，第五电场收集到的粉煤灰最细[11]。

图1 不同电场收集的粉煤灰粒径分布情况

1.2 需水量比

需水量比是粉煤灰用作混凝土掺合料的重要指标之一。一般来说，粉煤灰细度越大，其需水量比也越大；另外，烧失量、颗粒形貌等也是影响需水量比的重要因素。

混凝土的拌合用水主要包括两部分，一是填充水，即填充在固体颗粒孔隙中的水；二是层间水，即固体颗粒表面的水膜层。填充水对浆体流动性没有作用，填充水的多少取决于固体颗粒的堆积状态。较细的粉煤灰颗粒填充在水泥颗粒堆积的孔隙中，从而减少填充水用量，起到减水作用[12]。另外，球形颗粒起到润滑作用，降低用水量。

1.3 化学组成

粉煤灰主要化学组成为SiO2、CaO、A l2O3、Fe2O3等，不同区域、电厂由于燃煤煤种、燃烧温度等的不同，粉煤灰化学组成存在较大差异。表1为袁春林[13]等对我国粉煤灰主要元素的统计结果。

1.4 矿物组成

粉煤灰中含有大量的玻璃体，晶体物质的含量一般在11%-48%范围内。主要的晶体矿物为莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿、黄长石、方镁石、石灰、铝酸三钙等。

表1 我国粉煤灰主要化学元素的含量

图2 A电厂粉煤灰X R D图谱

图3 B电厂粉煤灰XR D图谱

表2 我国粉煤灰的矿物组成范围[14]

1.5 微观形貌

从微观角度分析，粉煤灰中的颗粒可以分为漂珠、未燃尽炭粒、富铁磁珠、富硅铝玻璃微珠等[15]。

漂珠是一种薄壁中空球状颗粒，其颗粒密度和松散容重都很小，具有非常好的绝热绝缘特性，可用于耐火保温材料。

粉煤灰中未燃尽炭粒形状不规则、结构疏松。炭粒影响了其综合利用，主要是因为用于水泥、混凝土中时，降低了粉煤灰的活性，使得强度降低。但炭粒亲油疏水，具有较好的吸附活性。

粉煤灰颗粒中富含氧化铁的微珠，称为富铁微珠。其颜色较深，有磁性，从粉煤灰中磁选的铁珠可作工业原料使用。

粉煤灰的硅铝元素以圆球形玻璃体形式存在，表面比较光滑，是粉煤灰火山灰活性的重要来源。

图4 粉煤灰微观形貌

2 粉煤灰的活性机理

2.1 用于水泥、混凝土的作用机理

粉煤灰用作水泥混合材或混凝土掺合料主要发挥三大效应：形态效应、微集料效应和火山灰效应。

（1）形态效应。形态效应泛指粉煤灰颗粒形貌等几何特征在水泥、混凝土中产生的效应。粉煤灰中含大量球形玻璃微珠，可改变拌和物的流变性质以及硬化后的特性等。

（2）微集料效应。粉煤灰中细微颗粒填充在水泥颗粒间，可减少拌合用水，提高致密性及强度。

（3）火山灰效应。粉煤灰中活性SiO2及Al2O3，在特定环境中与Ca（OH）2等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，对粉煤灰制品起到增强作用，同时，提高抗腐蚀能力。

2.2 用作吸附材料的作用机理

（1）吸附作用。粉煤灰中含有大量多孔颗粒，比表面积大，吸附性能较，包括范德华吸附和化学吸附。影响范德华吸附的主要因素是比表面积及孔道分布；粉煤灰颗粒表面含有大量的Si-O-Si键和A l-O-A l键，具有一定极性，与水中的有害物质产生偶极-偶极键吸附；同时，粉煤灰中次生的正电荷与水中的阴离子发生离子交换或离子对吸附[16]。

（2）絮凝沉淀作用。粉煤灰中的铁、铝等阳离子，可与水中的阴离子反应生成絮凝体，加快沉淀[17]。

（3）过滤作用。粉煤灰孔隙率较大，当其用于处理废水时，可截留一部分悬浮物。

3 粉煤灰的改性方法

粉煤灰活性取决于其玻璃体含量、玻璃体中可溶性物质含量及玻璃体解聚能力。粉煤灰的活性可以通过人工手段激活[18]。

3.1 机械粉磨

机械粉磨是提高粉煤灰活性最常用的方法之一。一方面，通过磨细可粉碎粗大多孔玻璃体；另一方面，破坏玻璃体表面坚固的保护膜，使内部可溶性SiO2、Al2O3溶出断键增多，反应接触面积增加，化学活性提高。

3.2 火法改性

火法改性是将粉煤灰与助溶剂按一定比例混合，高温下熔融，使粉煤灰分解。高温熔融能破坏玻璃体结构，内部铁、铝等物质氧化，提高晶体相结构组成，增加表面活性。

3.3 湿法改性

3.3.1酸改性

经酸改性后粉煤灰颗粒表面变粗糙，形成孔洞和凹槽，增大了比表面积。同时，经酸处理后的粉煤灰释放出大量Al3+、Fe3+和H2SiO3，A l3+、Fe3+起絮凝沉降作用，H2SiO3捕收悬浮颗粒，起混凝吸附架桥作用[19]。常用的酸有H2SO4、H Cl等，H2SO4对Al3+的浸出效果较好，H Cl对Fe3+的浸出效果较好[20]。

3.3.2碱改性

经碱改性后粉煤灰颗粒表面的SiO2发生化学解离产生可变电荷，破坏颗粒表面坚硬外壳，增大比表面积，增强吸附能力；碱性氧化物与玻璃体表面可溶性物质反应生成胶凝物质，同时，非晶状玻璃相及莫来石熔融，活性提高；粉煤灰颗粒表面羟基中的H+发生解离，颗粒表面带负电荷，可吸附带正电荷的金属离子和阳离子。

3.3.3表面活性剂改性

表面活性剂具有亲水亲油基团，可以降低表面张力。研究表明，经表面活性剂改性的粉煤灰可以增大对二甲基酚橙[21]、原油[22]等的吸附能力。

3.3.4混合改性

有时，将几种改性方法联合使用，优势互补，可以进一步提高粉煤灰的吸附能力。陈雪初[23]以NaCl为活化剂，15%H2SO4为改性剂，高温活化后再酸处理对粉煤灰进行改性，经混合改性后的粉煤灰除磷性能明显提升。

改性后的粉煤灰吸附性能得到改善，对于吸附水中的氨氮[18]、磷[17]、氟[24]、重金属[25]等都有显著的作用。

4 结语

粉煤灰具有潜在活性，改性是提升其品质的重要途径。机械粉磨、火法改性、湿法改性是激发其活性的有效手段，可增强反应活性、吸附性能等，改性后的粉煤灰可用于水泥、混凝土、水体净化等领域，是其资源化利用的有效途径。

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Properties and Modification of Coal Fly Ash

JIA Lu-tao
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030，China）

Fineness,waterdem and ratio,chem icalcom position and m ineralstructure ofcoalfly ashes were m easured in this paper.The m echanism offly ash used in cem ent,concrete and waste watertreatm entis expounded.The m odification m ethods ofcoalfly ash are introduced from m echanicalgrinding,fire m odification,acid m odification,alkali m odification, surface active agentm odification and m ixed m odification which can im prove the quality offly ash and broaden its utilization w ay.

fly ash；physical and chem ical properties；m odification；adsorption perform ance

X 705

B

2095-3429（2017）01-0035-04

2016-11-25

修回日期：2017-01-13

贾鲁涛（1989-），男，山东德州人，硕士，工程师，从事粉煤灰等电厂固废资源利用研究。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.008