生活垃圾焚烧飞灰-粉煤灰基多孔保温材料的制备①

易龙生， 刘 涛， 吴 倩， 刘 苗

(中南大学 资源加工与生物工程学院,湖南 长沙410083)

城市生活垃圾焚烧飞灰(Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash,MSWI Fly Ash,简称飞灰)中二噁英、重金属等含量较高,被列入国家危险废弃物名录。粉煤灰是燃煤电厂产生的主要固体废弃物。 两者对环境危害巨大,实现其资源化利用是对其处置的最佳途径［1-5］。 飞灰在建材方面拥有广泛应用潜力［6-8］；粉煤灰是一种良好的骨架材料和胶凝材料,在掺合料方面有良好的应用［9-10］。 生活垃圾焚烧飞灰和粉煤灰均含有较多的SiO2、Al2O3、CaO 等,具有一定胶凝性,在碱性条件下会发生地质聚合反应,形成具有一定强度的聚合网络结构。 本文研究了在飞灰中掺入粉煤灰制备多孔保温材料的方法,以期实现固体废弃物减量化和高值化利用的双重目标。

1 实 验

1.1 实验原料及设备

1.1.1 实验样品

飞灰样品来自湖南某生活垃圾焚烧发电厂,呈灰棕色,比表面积2 150 cm2/g,机械粉磨处理后比表面积达到3 700 cm2/g。 粉煤灰来自新疆某发电厂,呈灰白色,比表面积2 200 cm2/g,机械粉磨处理后比表面积3 400 cm2/g。 采用XRF 对样品及粉煤灰进行化学成分分析,结果分别见表1 和表2。

表1 生活垃圾焚烧飞灰化学成分（质量分数）/%

表2 粉煤灰化学成分（质量分数）/%

由表1 可知,生活垃圾焚烧飞灰样品中SiO2含量为23.45%,Al2O3含量为14.80%,是构成多孔材料的重要骨架成分,但飞灰中SiO2和Al2O3总含量小于50%,达不到火山灰材料的要求,无法直接作为胶凝材料利用［11］,因此需要掺拌其他含有较高SiO2、Al2O3的物质来制备成胶凝材料。 飞灰中含有6.35%的Cl 元素,在多孔保温材料制备试验前,大部分已通过水洗和高温烧结去除。

从表2 可以看出,粉煤灰中含有丰富的SiO2和Al2O3,是形成骨架和胶凝性的主要成分。 因此,通过向飞灰中加入粉煤灰,可以提高混合物的SiO2和Al2O3含量,形成良好的胶凝性,从而提高多孔材料的强度。

1.1.2 实验仪器与设备

实验所用主要仪器与设备见表3。

表3 实验所用主要仪器与设备

1.2 实验方法

采用双氧水在碱性条件下分解产生气体的方法制备聚合物多孔材料,具体操作步骤为:①称取一定量的飞灰(经机械粉磨和去氯处理)和粉煤灰,加入水玻璃和水,搅拌使浆料混合均匀；②边搅拌边加入一定浓度的双氧水和油酸钠；③将混合好的浆料倒入模具中,密封放置于一定温度下养护24 h 后,取出放在室温条件下继续养护至恒重,养护完成后将样品切割成具有一定规则形状的块状体,测定其性能。

采用无侧限抗压强度检测方法测量样品抗压强度值,加压速度5 kN/s。 采用瞬态平面热源法(TPS)和以Hot Disk 为探头的DRE-2C 导热系数测定仪测定样品导热系数。

2 实验结果与讨论

2.1 原料配比的影响

油酸钠用量0.2%、水玻璃模数2.34、水玻璃用量11%、水添加量37%、双氧水用量2%,飞灰/粉煤灰配比(质量比)对样品抗压强度和导热系数的影响见图1。 以上添加剂用量均为相对飞灰、粉煤灰混合物的质量分数。

图1 原料配比与样品抗压强度和导热系数的关系

由图1 可知,飞灰占比越多,样品抗压强度越低,导热系数越高。 当飞灰/粉煤灰配比为1 ∶2时,样品抗压强度最高,导热系数最低,分别为0.76 MPa 和0.063 W/(m·K),但飞灰利用率较低。 当飞灰/粉煤灰配比为1 ∶1时,样品抗压强度满足要求,为0.44 MPa,导热系数为0.139 W/(m·K),接近保温材料的标准(0.12 W/(m·K))［12］。 当飞灰占比继续增加时,SiO2和Al2O3总含量减少,即骨架成分和胶凝成分减少,制成的样品抗压强度和隔热系数均不达标。 综合考虑飞灰利用率和样品性能,选择飞灰/粉煤灰配比1 ∶1。

2.2 油酸钠用量的影响

飞灰/粉煤灰配比1 ∶1、水玻璃模数2.34、水玻璃用量11%、水添加量37%、双氧水用量2%,稳泡剂油酸钠用量对抗压强度和导热系数的影响见图2。

图2 油酸钠用量与样品抗压强度和导热系数的关系

从图2 看出,随着油酸钠用量增加,样品抗压强度增大,导热系数先降低后升高。 当油酸钠用量较少时,气泡稳定性不高,有些气泡在未成形前就发生坍塌,使得多孔结构少且孔尺寸较大,孔隙率低,抗压强度小,导热系数大。 随着油酸钠用量增加,气泡稳定时间变长,孔隙结构增多,但总体孔尺寸变小,抗压强度增大,导热系数降低。 当油酸钠用量增加到0.4%时,气泡能够稳定存在,此时样品抗压强度为0.51 MPa,导热系数降到最小,为0.095 W/(m·K),满足多孔保温材料的要求。 随着油酸钠用量继续增加,浆料黏度过大,发泡效果差,抗压强度和导热系数均增大。 因此选择油酸钠用量0.4%。

2.3 水玻璃模数的影响

飞灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸钠用量0.4%、水玻璃用量11%、水添加量37%、双氧水用量2%,水玻璃模数对样品抗压强度和导热系数的影响见图3。

图3 水玻璃模数与样品抗压强度和导热系数的关系

从图3 可以看出,随着水玻璃模数增大,样品抗压强度先升高后降低,导热系数不断降低。 导热系数与碱度有关,NaOH 用量越多,体系黏度越大,发泡效果变差,导热系数升高。 水玻璃模数过大时,体系碱度低,飞灰和粉煤灰中的Si 和Al 溶出量不足,而且模数大的水玻璃中硅氧四面体结构呈高聚合形式,不利于地聚键合反应［13］,形成的地聚物抗压强度低。 水玻璃模数2.5 时综合效果最佳,此时样品的抗压强度为0.45 MPa,导热系数为0.101 W/(m·K)。

2.4 水玻璃用量的影响

飞灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸钠用量0.4%、水玻璃模数2.5、水添加量37%、双氧水用量2%,水玻璃用量对样品抗压强度和导热系数的影响见图4。 由图4 可知,随着水玻璃用量增加,样品抗压强度增大,导热系数降低。 水玻璃溶液中含有硅酸盐低聚体(OH)3SiO-、(OH)2SiO22-、(OH)SiO33-,这些低聚体的存在可以与飞灰和粉煤灰中浆料体系中的硅铝酸盐溶解物起到桥连作用,加速形成具有强度的网络结构［14］,使样品强度增大,导热系数降低。 当水玻璃用量为10%时,样品抗压强度为0.46 MPa,导热系数为0.098 W/(m·K),效果较好,因此选择水玻璃用量为10%。

图4 水玻璃用量与样品抗压强度和导热系数的关系

2.5 双氧水用量的影响

飞灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸钠用量0.4%、水玻璃模数2.5、水玻璃用量10%、水添加量37%,双氧水用量对样品抗压强度和导热系数的影响见图5。

图5 双氧水用量与样品抗压强度和导热系数的关系

从图5 可以看出,样品抗压强度和导热系数均随着双氧水用量增加而降低。 随着双氧水用量增加,体系内产生的气泡增多,最终成型的样品孔隙率增加,抗压强度降低,导热系数也降低。 当双氧水用量为2%时,样品抗压强度为0.47 MPa,导热系数为0.096 W/(m·K),符合要求,因此选择双氧水用量为2%。

2.6 水添加量的影响

飞灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸钠用量0.4%、水玻璃模数2.5、水玻璃用量10%、双氧水用量2%,水添加量对样品抗压强度和导热系数的影响见图6。 从图6 可以看出,随着水添加量增加,样品抗压强度增大,导热系数先降低后基本稳定。 当水量较少时,浆料流动性差,影响硅铝酸盐物质的扩散,不利于聚合反应的发生,无法形成有强度的聚合网络结构,而且使发泡变得困难,成品孔结构很少,抗压强度低,导热系数大。 随着水添加量增加,有利于聚合反应的发生以及泡沫的产生,抗压强度增大,导热系数降低。 当水添加量为40%时,样品抗压强度为0.48 MPa,导热系数最小,为0.091 W/(m·K),符合要求。 因此选择水添加量为40%。

图6 水添加量与样品抗压强度和导热系数的关系

2.7 最优条件实验

根据以上实验,确定制备多孔保温材料的最优条件为:飞灰/粉煤灰配比1 ∶1,油酸钠用量0.4%,水玻璃模数2.5,水玻璃用量10%,双氧水用量2%,水添加量40%。 在最优条件下制备多孔保温材料,经测量发现该多孔保温材料的抗压强度为0.48 MPa,导热系数为0.091 W/(m·K)(测试温度100 ℃)。 一般要求保温材料的导热系数小于0.12 W/(m·K)(平均温度小于或等于350 ℃),抗压强度大于0.4 MPa［12］,因此,本文制备的保温材料符合行业要求。

3 结 论

1) 采用生活垃圾焚烧飞灰、粉煤灰为原料,可以制备符合行业要求的多孔保温材料。 该工艺可以实现飞灰、粉煤灰的减量化与高附加值利用。

2) 双氧水会在碱性条件下产生大量气泡,而油酸钠能使气泡稳定存在更长时间,避免气泡在短时间内快速长大破裂。 基于此原理,采用生活垃圾焚烧飞灰和粉煤灰作为原料,在飞灰/粉煤灰配比1 ∶1、油酸钠用量0.4%、水玻璃用量10%(水玻璃模数为2.5)、双氧水用量2%、水添加量40%条件下制备的多孔保温材料抗压强度和导热系数分别为0.48 MPa 和0.091 W/(m·K),达到了保温材料行业要求。