基于地聚合反应的生活垃圾焚烧飞灰资源化利用实验研究

李春林

(西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室 四川绵阳 621010)

0 引言

近年来，城市化进程的加快不可避免地造成了生活垃圾产生量的急剧增加，导致许多城市饱受“垃圾围城”之苦[1-3]。相较于传统的卫生填埋等处理方式[4-6]，生活垃圾焚烧发电因具备减量效果突出和可回收焚烧余热等优点而日渐成为广泛采用的处理方式[7-8]。然而，在焚烧处置期间由烟气净化系统收集到的生活垃圾焚烧飞灰属于危险固体废弃物，需经固化处置后才能进行最终处置[9]。作为常见的固封材料，水泥固化体存在着增容比较大、长期稳定性较差和飞灰二次污染风险高等缺陷[10-11]，因此有待寻求更加高效的固化材料。作为一种新型无机高分子胶凝材料，地聚合物可在常温下由硅氧四面体和铝氧四面体发生缩聚反应而成[12]，且地聚合物内部的三维网状结构对众多污染物具有较好的固封作用[13]。相较于普通硅酸盐水泥，其制备工艺简单、成本低，且CO2的排放量亦可减少44%～64%[14-15]，可实现对生活垃圾焚烧飞灰有效固化的目的。

本实验以城市生活垃圾焚烧飞灰为原材料，采用碱激发法制备出可用作建筑材料的地聚合物固化体。以产物的抗压强度为标准不断优化制备参数，并结合产物的物相结构、官能团类型及微观形貌等特征分析对垃圾焚烧飞灰基地聚合物固化体的性能进行考察。

1 实验

1.1 材料及设备

原材料取自于某城市生活垃圾焚烧发电厂，表1所示的化学成分分析结果表明垃圾焚烧飞灰中含有足够多的用于制备地聚合物的硅源(SiO2)和铝源(Al2O3)。实验用氢氧化钠为化学纯；水玻璃为分析纯，其模数为3.3，其中SiO2和Na2O质量分数分别为28.3%和8.8%。

表1 垃圾焚烧飞灰化学组成 wt%

主要实验设备包括：高精度电子天平(CP214型，奥豪斯仪器上海有限公司)，标准恒温恒湿养护箱(YH-40B型，沧州路仪试验仪器有限公司)，电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070A型，上海齐欣科学仪器有限公司)，万能试验机(DNE-300B型，无锡双牛试验仪器厂)，水泥胶砂振实台(ZS-15型，宏达振动设备有限责任公司)，X射线荧光光谱分析仪(Axios型，美国PE仪器公司)，X射线衍射分析仪(X' Pert PRO型，荷兰帕纳科公司)，红外光谱分析仪表(Nicolet-5700型，美国尼高力仪器公司)，钨灯丝扫描电子显微镜(EVO 18型，德国卡尔蔡司公司)。

1.2 制备及表征

1.2.1制备流程

采用碱激发法制备生活垃圾焚烧飞灰基地聚合物，具体流程如图1所示。首先称取适量垃圾焚烧飞灰和偏高岭土置于聚四氟乙烯烧杯中，通过搅拌的方式使之混合均匀；然后加入一定量的碱激发剂和蒸馏水，并利用水泥胶砂搅拌机将混合物搅拌至泥浆状；随后将料浆均匀注入边长为20 mm的正方体钢模中，振实并刮平表面后用塑料薄膜将模具进行密封；接着将模具放入温度为25 ℃、湿度大于90%的恒温恒湿养护箱中养护，24 h后将模具拆除，样品继续养护至7 d；最后通过平行实验考察碱激发剂模数、垃圾焚烧飞灰含量以及碱激发剂与固体质量比对垃圾焚烧飞灰基地聚合物抗压强度的影响，并对制备的固化体进行微观表征。

图1 实验流程

1.2.2 强度测试及微观表征

本实验利用万能试验机对地聚合物的抗压强度进行测试，每次随机选取3个样品进行强度测试并取算术平均值。地聚合物的化学组成由X射线荧光光谱(XRF)分析得到，物相结构由X射线衍射(XRD)分析仪进行表征，采用红外光谱仪表(FTIR)对地聚合物的分子结构进行分析，用扫描电子显微镜(SEM)观察地聚合物的微观形貌。

2 实验结果与讨论

2.1 碱激发剂模数对强度的影响

为了考察碱激发剂的模数对垃圾焚烧飞灰基地聚合物抗压强度的影响，本实验采用如表2所示的配比进行研究。垃圾焚烧飞灰和偏高岭土的质量总和(30 g)为固体量，其中飞灰的含量为60%，约定碱激发剂与固体的质量比为1∶1.5。通过控制水玻璃和氢氧化钠比例的方式将碱激发剂调节至相应模数(0.5～2.5)。图2显示垃圾焚烧飞灰基地聚合物的抗压强度随着碱激发剂模数的增大而先升高后降低，当模数为1.0时达到最大值。当碱激发剂的模数偏低时(M=0.5)，反应体系中较少的硅氧四面体基团不易发生聚合反应，进而无法形成较高强度；当碱激发剂的模数过高时(M≥1.5)，反应体系中的碱度也会随之减小，同样不利于发生聚合反应。

表2 碱激发剂模数实验配比

2.2 垃圾焚烧飞灰含量对强度的影响

在上述确定实验的基础上固定碱激发剂的模数为1.0，仍保持碱激发剂与固体的质量比为1∶1.5，垃圾焚烧飞灰的含量分别设计为30%、40%、50%、60%和70%(具体参数如表3所示)。由图3可知，固化体的抗压强度随着垃圾焚烧飞灰含量的增加而出现先升高后降低的趋势，飞灰含量为60%达到最大(9.8 MPa)。当飞灰含量较高时，作为添加剂的偏高岭土含量则相对较低，不足以释放出足够的活性硅铝源，限制了地聚合反应的发生[16]。

图2 碱激发剂模数对抗压强度的影响

图3 垃圾焚烧飞灰含量对抗压强度的影响

表3 垃圾焚烧飞灰含量实验配比

2.3 碱激发剂与固体的质量比对强度的影响

本实验中，除开碱激发剂模数和垃圾焚烧飞灰含量外，碱激发剂与固体的质量比对地聚合物固化体的抗压强度也具有影响。确定碱激发剂的最佳模数为1.0，垃圾焚烧飞灰最佳含量为60%后，按照如表4所示的碱激发剂与固体的质量比(1∶3，1∶2，1∶1.5，1∶1.2和1∶1)进行试验。如图4所示，随着碱激发剂的用量逐渐增多，反应体系中活性硅铝组分以及低聚合物度的硅氧四面体含量增加，进而促进地聚合反应的发生[17]，最终导致地聚合物的抗压强度随着碱固比的增加而逐渐升高。但是当碱激发剂的比例继续增加时，反应体系中过多的钠离子会导致铝氧四面体基团的绝对含量下降，从而使得产物的抗压强度变弱[18]。综上，当碱激发剂与固体的质量比为1∶1.2时，产物的抗压强度最高(11 MPa)。

表4 碱激发剂与固体质量比的实验配比

图4 碱激发剂和固体的质量比对抗压强度的影响

2.4 物相分析

地聚合物的X射线衍射分析图谱(XRD)中，衍射角为18°～38°范围处出现的较为宽大的非晶态馒头峰包是地聚合物的明显衍射峰型[19]。另外，XRD图谱中2θ为29.46°处出现的衍射峰是垃圾焚烧飞灰中的碳酸钙所致，而图中沸石衍射峰的出现则说明部分硅铝源在地聚合物反应过程中生成了沸石。为了进一步对产物的微观结构进行分析，论文对地聚合物进行了红外吸收表征和扫描电子显微观察。

2.5 红外吸收光谱

垃圾焚烧飞灰基地聚合物的红外吸收光谱中，3 434.16 cm-1和713.32 cm-1波数对应的是[OH]-吸收峰，表明反应中发生了聚合反应。图中1 646.09 cm-1处的吸收峰是由产物中的自由水导致，1 449.20 cm-1处的吸收峰则是CaCO3所致[20]。地聚合物红外光谱中出现的最强吸收峰在波长为998.71 cm-1处，其对应的是Al-O-Si的不对称伸缩振动[21]。波长456.52 cm-1处对应的是Si-O-Si的弯曲振动峰[22]。Si-O-Si和Al-O-Si基团中的硅氧键和铝氧键键能强、聚合度高，有助于产物抗压强度的产生[23]。红外吸收光谱分析结果表明产物中存在的Si(Al)-O-Si基团使得产物具有较好的抗压强度，与抗压强度测试结果相符合。

2.6 微观形貌表征

通过扫描电子显微镜(SEM)对地聚合物的微观形貌进行表征。图5显示所制备的产物呈胶凝状，为地聚合物的微观形貌特征。地聚合物内部结构致密，不但有助于其形成较好的抗压强度，还能达到将焚烧飞灰包裹严实的目的。图中出现的少量晶体则是碳酸钙和沸石，与XRD分析结果一致。

图5 地聚合物的扫描电镜图

3 结论

(1)本实验以城市生活垃圾焚烧飞灰为原材料，通过碱激发法成功制备出地聚合物固化体，实现了对生活垃圾焚烧飞灰的资源化利用。实验结果表明，当碱激发剂模数为1.0，垃圾焚烧飞灰含量为60%，碱激发剂和固体的质量比为1∶1.2时，地聚合物固化体的抗压强度最高。

(2)微观结构分析表明所制备的固化体中虽然存在少量碳酸钙和沸石晶体，但不影响地聚合物的物相。同时，产物结构致密，且存在着聚合物较高的Si(Al)-O-Si基团，有助于提高垃圾焚烧飞灰基地聚合物的抗压强度。