基于不同评价方法的解毒飞灰火山灰活性研究_倪亚玲.pdf

-18-第46卷第3期 非金属矿 Vol.46 No.32023年5月 Non-Metallic Mines May,2023基于不同评价方法的解毒飞灰火山灰活性研究倪亚玲1 张大江2 崔敬轩1 郭胜男1 聂 卿1*（1 中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2 北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124）摘 要 研究不同工艺处理的解毒飞灰的化学成分、矿物组成和粒径分布特征，采用火山灰性试验法、强度指数法、热分析法对解毒飞灰活性进行评价。结果表明，不同工艺处理的解毒飞灰组成不同，活性差异较大。采用火山灰性试验法，组分中 SO3含量会影响其活性，活性依次为：原灰（ZF）热解水洗飞灰（GF）热解飞灰（HF）；采用强度指数法，在控制比表面积基本相同的条件下，抗压强度比均大于 0.65，活性表现为：ZF HF GF；采用热分析法，3 种飞灰在 Ca(OH)2脱水区间失量分别为 8.91%、9.38%、9.78%，该方法活性结果与强度指数法一致，但不能定量分析。强度指数法和热分析法更适合定量定性评价解毒飞灰火山灰活性，并且二者之间存在较好的相关性。关键词 解毒飞灰；火山灰活性；火山灰性试验法；强度指数法；热分析法中图分类号：X799.3;TQ172文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)03-0018-05Research on Detoxification Fly Ash Volcanic Ash Activity Based on Different Evaluation MethodsNi Yaling1 Zhang Dajiang2 Cui Jingxuan1 Guo Shengnan1 Nie Qing1*(1 China Building Materials Academy Co.,Ltd.,Beijing 100024;2 Department of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technolo-gy,Beijing 100124)Abstract By studying the chemical composition,mineral composition and particle size distribution characteristics of detoxified fly ash treated by different processes,the detoxification fly ash activity was evaluated by pozzolanic test method,strength index method,and thermal analysis method.The results showed that the composition of detoxification fly ash treated by different processes was different,and the activity was quite different.Using volcanic ash test method,the SO3 content in the components would affect their activity,the activity sequence was as follows:ZFGFHF;Using strength index method,under the condition of the specific surface area being basically the same,the compressive strength ratio was greater than 0.65,and the activity performance was as follows:ZFHFGF;Using thermal analysis method,the losses of three types of fly ash in the Ca(OH)2 dehydration range were 8.91%,9.38%,and 9.78%respectively,the activity results of this method were consistent with the intensity index method,but it could not be quantitatively analyzed.Intensity index method and thermal analysis method are more appropriate for quantitative and qualitative evaluation of detoxified fly ash pozzolanic activity,there is an obvious correlation between them.Key words detoxification fly ash;pozzolanic activity;pozzolanic test method;strength index method;thermal analysis随着城市化进程的加快和人民生活水平的不断提高，我国城市生活垃圾产量日益增多，其引起的环境污染问题也越来越严重1。目前，城市生活垃圾的处理方法包括填埋法、堆肥法、焚烧法和综合回收利用等。其中，焚烧法是我国城市生活垃圾最主要的处理方法之一。城市生活垃圾焚烧飞灰的主要化学成分与粉煤灰和矿渣等水泥混合材相近，均属于 CaO-SiO2-Al2O3(Fe2O3)体系2，可作为水泥混合材料进行综合利用。然而，城市生活垃圾焚烧飞灰中通常含有大量氯盐、重金属、微量二噁英及呋喃等持久性有机污染物3。因此，焚烧飞灰在资源化利用前需预先进行解毒处理，以保证其不会对环境安全造成影 响4。飞灰的建材化综合利用是实现其资源化利用的重要途径，飞灰解毒处理则是实现飞灰在建材行业规模化应用的前提和基础。目前，垃圾焚烧飞灰解毒处理工艺方法主要包括固化/稳定（S/S）5、分离与浸出6和热处理7，前两种方法主要是无害化处理垃圾焚烧飞灰中的重金属，但存在长期安全性和稳定性差等问题。热处理（烧结、熔融和玻璃化）可以分解飞灰中的二噁英类等大多数有毒有机化合物，此外，其高反应温度和高冷却速率可以将半挥发性和非挥发性金属包裹在非晶相中，固化重金属8。经解毒处理的飞灰中二噁英、重金属、氯离子等有毒有害物质含量降低，可用作水泥和混凝土中的矿物掺和料，但解毒后的飞灰利用潜力受化学成分、粒径、非晶相含量、比表面积、形貌和表面纹理等影响，处理后飞灰活性存在差异，解毒飞灰能否实现建材资源化利用关键是其是否具有较好的火山灰活性，因此，对飞灰的火山灰活性进行全面表征和评估，能够一定程度上为飞灰作为矿物掺和料提供试验依据。收稿日期：2023-03-30基金项目：国家重点研发计划(2019YFC1906905)。*通信作者，E-mail：。-19-解毒飞灰活性指火山灰活性，是指在常温、有水的情况下与氢氧化钙反应生成水化产物的能力9。国内外提出过多种评价火山灰活性的试验方法10-13，主要是研究粉煤灰及煤矸石这两类火山灰质混合材的火山灰活性，关于飞灰/解毒飞灰的火山灰活性的研究尚鲜见报道。本试验拟对不同工艺处理的解毒飞灰的物相组成和结构进行分析，结合不同解毒飞灰的物化性质，采用 3 种不同活性评价方法（火山灰性试验法、强度指数法和热分析法）对 3 种不同飞灰的火山灰活性进行评价，探讨火山灰活性指数差异性，将多种评价方法相结合，综合量化火山灰活性，以期明确解毒飞灰作为矿物掺和料的规模化应用价值。1 试验部分1.1 原料 本试验主要研究原灰（ZF）、热解飞灰（HF）和热解水洗飞灰（GF）（下同）3 种飞灰的火山灰活性。原灰来自浙江省湖州市某生活垃圾焚烧厂；热解飞灰由原灰经过固相催化热解处理所得；热解水洗飞灰由热解飞灰经梯度循环逆流套洗方式漂洗后用离心机连续过滤所得。水泥选用抚顺水泥股份有限公司 PO 42.5 级硅酸盐水泥（OPC）。水泥化学成分（w/%）为：CaO，63.41；MgO，2.06；Fe2O3，3.81；Al2O3，5.09；SiO2，20.08；K2O，0.43；Na2O，0.19；SO3，2.33；烧失量，1.72。水泥物理性能，见表 1。表 1 硅酸盐水泥物理性能标准稠度/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d26.0961586.59.628.053.51.2 试 验 方 法 将 3 种 飞 灰 粉 磨 30 min，依 据 GB/T 176-2017水泥化学分析方法 对样品进行化学成分分析，参照 GB/T 8077-2012混凝土外加剂匀质性试验方法 测定样品 Cl-含量，游离 CaO 按照 GB/T 176-2017水泥化学分析方法 中 6.37 节乙二醇法进行测定。采用日本理学 SmartLab SE 型 X 射线衍射（XRD）仪测定矿物组成，使用 Cu 靶，工作电压 40 kV，电流 30 mA，连续扫描方式采样，扫描速度为 8()/min，步长为 0.02，2 范围为 5 80。依据GB/T 208-2014水泥密度测定方法 测定样品密度，依据 GB/T 8074-2008水泥比表面积测定方法 勃氏法 测定样品比表面积。采用 winner 3003 激光粒度分析仪进行粒径分析。火山灰性试验法：依据GB/T 2847-2005用于水泥中的火山灰质混合材料 附录A火山灰性试验方法进行。强度指数法：依据 GB/T 12957-2005用于水泥混合材的工业废渣活性实验方法 进行试验。试样的制备、养护及强度的测定按照 GB 17671-1999水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）。以掺 30%试样的水泥胶砂 28 d 抗压强度与不掺试样的硅酸盐水泥胶砂 28 d 抗压强度之比 R 来表征试样的活性指数。R 值大于 0.65，则认为试样具有火山灰胶凝活性。热分析法：采用德国耐驰 STA-449F3 型差热-热重分析仪分析解毒飞灰-Ca(OH)2-H2O 体系中试样消 耗 Ca(OH)2量。用 热 重-差 热（TG-DTA）分 析法分析试样，试样配比按照飞灰与 Ca(OH)2质量比为 11，水灰比为 51，养护方式为 80 恒温养护 3 d。Ca(OH)2的分解温度一般在 400470 范围，通过 DTA 曲线上 Ca(OH)2发生脱水的温度范围，可计算出在此温度区间 TG 曲线上的质量损失，质量损失越大14，表明水化产物中 Ca(OH)2的含量越多，则试样的活性越差。2 结果与讨论2.1 解毒飞灰分析2.1.1 解毒飞灰组成：不同飞灰的化学成分，见表 2；矿物组成，见图 1。表 2 3 种飞灰的化学成分（w/%）飞灰 CaO MgO Fe2O3Al2O3SiO2K2O Na2O Cl-f-CaOSO3烧失量ZF 24.13 3.862.57 7.22 18.09 4.20 4.41 15.07 5.04 6.5511.3HF 28.01 5.242.39 6.73 20.07 4.00 4.24 13.95 8.71 4.008.92GF 35.56 6.333.86 8.15 21.39 3.18 3.22 0.97 3.45 4.69 11.66 图1 3种飞灰的XRD图由表 2 可知，飞灰的主要化学组成是 CaO、SiO2、Al2O3，占总量的 50%以上，CaO 主要是城市生活垃圾在焚烧过程中利用石灰石或生石灰对烟气进行脱硫脱酸处理导致钙含量增加15。未经水洗的飞灰氯离子含量相对较高，主要是因为城市生活垃圾中的塑料制品燃烧会产生大量含氯烟气16，含氯组分在焚烧过程中挥发-冷凝，较高含量的氯以可溶