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粉煤灰综合利用研究进展

来源:山东埃尔派粉体科技有限公司发布日期:2021-03-29

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  粉煤灰是一种类似火山灰质的混合材料,其成分与高岭土相似,它是火力发电和城市集中供暖产生的固体废弃物,目前,火力发电产生的粉煤灰将近4亿t,并且产量逐年递增,目前已有近20亿t的堆存量,这些粉煤灰的堆积不仅占用了大量的可耕种土地,而且还造成了环境的污染。粉煤灰中部分未发生均相凝结的尺寸在0.02~0.2μm的颗粒可漂浮在空气中,形成悬浮物,造成二次污染。研究表明,粉煤灰的大量堆积不仅会造成地下水pH值升高,而且粉煤灰中的重金属离子还会对水体造成污染,长期饮用此地地表水会增加致癌机率。虽然政府鼓励推进粉煤灰的资源化利用,但实际利用率不足60%。主要集中在建筑行业和路基等方面,产品附加值较低。

  粉煤灰的利用

  保温材料

  我国建筑单位面积采暖能耗是发达国家的4倍左右,提高能源利用率是我们首要的任务。目前我国利用再生EPS(聚苯乙烯)颗粒、粉煤灰、增稠剂和普通硅酸盐水泥等按一定比例制造粉煤灰复合材料,可提高水泥浆体结构的稳定性和匀称性,使水泥保温材料获得较好的物理热力性能。由于粉煤灰具有较大的表面积和密度小的特点,粉煤灰作为辅助性材料加入到水泥中,可使水泥基发泡材料生成的气泡更加均匀,降低了导热系数,从而使水泥具有良好的保温功能。另一方面,粉煤灰因为粒子半径小于水泥,掺入后起到填充空隙的作用,增加了体系密实度,减少了吸水率,也降低了导热系数。但是水泥粉煤灰基发泡保温材料在性能和应用上仍有许多不足,比如:韧性差、吸水率高。

  农业

  粉煤灰具有密度小(在2.12g/cm3左右,明显低于土壤颗粒的密度),孔隙大,比表面积大(2000~4000cm2/g)等特点。粉煤灰中含有Mg、K、B等多种植物所需营养成分,可以提高土壤的营养水平,促使植物的常量和微量营养平衡。实验表明,呈碱性的粉煤灰(40000kg以下对微碱性土壤的酸碱度并不影响)可以利用其强碱性和吸附性对病原菌和金属离子起到杀死作用和吸附沉淀作用。粉煤灰相当于砂质土,颗粒比粘土大、比沙土小,因此将粉煤灰加入到土壤中,可以改良土壤结构,使得土壤酸碱缓冲能力、导水率、孔隙度和容重明显提高。粉煤灰最大吸湿量在415~812g/kg间,最大吸水量在417~1038g/kg间,加入到土壤中可以提高土壤含水量、增强土壤吸热能力和减少地表径流作用。将粉煤灰和污泥混合加入到土壤中,可以释放出营养元素,增加土壤中物化、生化反应活度,使得一些难以被植物吸收的营养成分得以释放,从而被植物吸收。研究表明,粉煤灰的加入可显著提高白浆土微生物的活性,可促进有机物质在土壤中的降解速度,增强土壤的生物抗性使得有益微生物在土壤中占优势。粉煤灰的碱性还可以使污泥中的重金属离子在土壤中累积,但是粉煤灰自身具有的毒性物质也会导致土壤的化学性质的改变,从而影响土壤中微生物的活性和土壤酶的活性。

  水处理

  由于粉煤灰具有很大的比表面积,可以用于化工废水和生活污水的处理。粉煤灰在水处理中主要通过物理吸附和化学吸附而起作用,在一定条件下,粉煤灰也可以起到絮凝作用和过滤作用。粉煤灰的物理吸附,主要是凭借其具有比表面积大的特点,越大的比表面积,吸附水体中杂质的性能就越好。化学吸附主要是由于粉煤灰表面存在大量的硅、铝、铁等活性质点,能与吸附质通过化学键发生结合。当在酸性条件下,水中的阴离子可与粉煤灰中次生的正电硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁等化学物质之间形成离子交换或者离子对吸附。粉煤灰与水相溶后,粉煤灰中所含的三氧化二铝和三氧化二铁会形成络合物—Al(H2O)3+和Fe(H2O)3+,然后水解出Al3+和Fe3+,通过与水化膜中的水分子作用,增强了水中溶解和吸附杂质的能力。粉煤灰在处理废水时,其中的某些成分可以起到絮凝、吸附和沉淀作用,使废水中的有毒害物质絮凝沉淀,因此在水处理中有着重要的应用价值,比如,粉煤灰在处理城市生活污水中,具有效率高,成本低的特点,可去除COD、BOD5、色度、重金属、有机磷和无机磷等。粉煤灰作为一种新型水处理剂,具有价格低、原料来源广泛等特点,但是它也有着局限性。粉煤灰作水处理现阶段仅限于实验室阶段,并没有实现工业化。另一方面,作吸附剂处理后的粉煤灰如何处理,为了避免二次污染,怎么实现灰水分离,怎么对粉煤灰进行改性处理,使得粉煤灰的吸附量大大增加。

  建筑材料

  粉煤灰中含有大量的二氧化硅和三氧化二铝,具有较高的火山灰活性,从而对粉煤灰在建筑材料方面的广泛应用提供了物质基础。粉煤灰中含有的三氧化二铝降低了粉煤灰的熔点,易形成玻璃微珠,而玻璃微珠颗粒具有较小的体积,可以填充混凝土的空隙,提高混凝土的密度。高钙粉煤灰在粉煤高温燃烧中,可以形成硅、铝的钙盐,使其具有独立胶凝性能,然后与氢氧化钙反应生成水泥质水化胶凝物质,这是一种性能优良的水泥混凝土掺和剂。粉煤灰可作为原料开发出高活性粉煤灰材料(HFA),其性能要远远优于矿渣,可提高水泥强度,不仅改善了水泥性能,还可大幅度提高水泥的产量。同时,粉煤灰用来制作混凝土也有着明显的优势:改善新拌混凝土和易性;提高混凝土的后期强度;降低混凝土水化热,抑制混凝土碱骨料反应。有关学者采用高掺量粉煤灰和多功能防水剂制备出28d强度达53.4MPa的高性能粉煤灰混凝土。高掺量粉煤灰混凝土不仅减少了环境污染,同时还可利用废物。高掺量粉煤灰混凝土的后期强度高、和易性、水化热、抗冻性等方面也远远优于普通混凝土。粉煤灰也可用于制作高掺量粉煤灰烧结砖、微晶玻璃、粉煤灰泡沫陶瓷和防水隔热材料。

  路基材料粉煤灰由于容重、可压缩性较低,可以用作一般路基,还可以在高压缩性冲积层和泥炭层上修筑路基。目前我国在粉煤灰筑路基方面的应用仅为28%~30%,而国外利用率早已达到35%。据不完全统计,一般地区普速列车地基处理费用超过地基投资的10%,软土地区超过50%,因此我国应对粉煤灰在路基方面利用加强研究,才能使废物资源化,实现节能减排。

  尹亚雄通过实验表明,粉煤灰可用作铁路路基填料,填筑的路基稳定。实验表明,粉煤灰改良失水后可作路基填料,但强度降低快,掺入水泥和石灰等,可制成板料,用作包坡材料,不会对环境产生二次污染。粉煤灰主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3,由于粉煤灰中CaO含量较低所以自凝性较差。将粉煤灰和生石灰搅拌,形成较大的团粒结构,使得双灰混合物中的固体颗粒胶结在一起,得到的粉煤灰拌合物强度优于纯粉煤灰的强度。

  抗菌载体

  粉煤灰的内壁处含有大量的海绵体结构的沉珠,孔隙中也存在海绵玻璃体,若粉碎这两种物质,就会大幅度提高粉煤灰的比表面积,便可作为一种功能性填料应用于橡胶合成、塑料树脂制备等行业。通过浸泡处理、超声波分散、恒温搅拌、过滤和烘焙的粉煤灰可制备出超细粉煤灰载体复合材料,其含量能达到6%,满足一般载体的要求,其抗菌效果明显。

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