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粉煤灰综合利用与提质技术研究进展

2020-02-15

粉煤灰是我国堆积量很大的固体废弃物之一, 粉煤灰的堆积和外排不仅占用了大量土地资源, 而且容易造成环境污染。粉煤灰中含有一定量的残碳、磁珠和微珠等有用组分和有价元素, 根据粉煤灰的特性对其进行提质或综合利用对减少环境污染、提高粉煤灰经济效益具有重要意义。论文阐述了粉煤灰在建材制备、陶瓷生产、土壤改良和多孔材料制造等领域的综合利用现状及研究进展, 介绍了分选脱碳、有价元素提取、有用组分分离等粉煤灰提质方法的研究现状, 探讨了粉煤灰综合利用与提质方法存在的问题及发展趋势。建议根据不同粉煤灰的特性, 进一步开展粉煤灰材料制备的研究, 同时强化对粉煤灰中微量元素、稀有元素和其它高附加值组分的回收。

粉煤灰是从电厂燃煤烟气中收捕的细灰,又称飞灰,主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和残碳,具多孔结构和火山灰活性。目前,燃煤发电仍然是我国最主要的发电方式,因此我国粉煤灰排放量较大,年均在4亿t以上。根据中国生态环境部2018年12月发布的《2018年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》,2017年我国粉煤灰年产量约为4.9亿t。虽然我国粉煤灰的综合利用率达到了80%左右,但常年累月的积累使得粉煤灰余量较高,目前总堆积量已有20亿t以上。根据推测,到2020年,我国粉煤灰总堆积量将达到30亿t左右。粉煤灰的堆积会污染周围环境,占用大量土地资源,若其提质和综合利用,可以将粉煤灰固体废弃物作为一种二次资源,提高其经济价值,减少环境污染,促进其可持续发展,具有重要的现实意义。

粉煤灰综合利用

粉煤灰常被用于建材原料和土壤改良等,但是近年来,随着建材市场逐渐饱和,农用土壤标准的提高,粉煤灰在建材、土壤等行业的利用受到了一定程度的影响。为了提高粉煤灰综合利用附加值,以粉煤灰作为原料开发新型材料受到越来越多的关注。

建筑材料

20世纪30年代,美国学者R.E.Payis等以粉煤灰作为水泥掺合料来改善水泥性能,节约水泥用量,在实际工程应用中取得了预期的效果,此后,国外将粉煤灰水泥广泛应用于建筑、大坝和公路等工程中。目前,国外粉煤灰有20%以上被用于建材生产,在国内这个比例超过60%。根据粉煤灰中游离氧化钙含量的高低可将其分类,高于10%为C类粉煤灰,低于10%为F类粉煤灰。C类粉煤灰兼具水硬性与火山灰性能,可以作为水泥等胶凝材料的混合材料;而F类粉煤灰仅具火山灰性能,通常用于混凝土掺料,可替代部分水泥。近年来,很多研究者着眼于用粉煤灰制备粉煤灰基地聚物———一种可以取代普通混凝土的高强建材,为粉煤灰在建材行业的利用拓展了新的方向。

新疆粉煤灰

研究表明,在混凝土中掺加粉煤灰对其多方面性能有所改进,如降低水化热,提高混凝土长期稳定性,减少泛浆和早期开裂等现象。一般来说,普通类别的混凝土,粉煤灰的掺量在15%~35%之间,在强度要求较低的工程中,如铺设人行道,粉煤灰掺加量甚至可以达到70%。除此之外,在一些具有特殊性质的混凝土中,粉煤灰掺量也有所不同。李阳等人研究发现,在5.0%硫酸钠溶液侵蚀下,掺加25%粉煤灰的混凝土具有最优抗硫酸盐侵蚀性能;张鹤年等人研究发现,在粉煤灰30%掺量时,氧化镁碳化混凝土具有抗弯强度和延展性。但也有研究表明,当粉煤灰掺量较高时,对混凝土性能会产生一定负作用。A.M.Rashad的研究表明,粉煤灰掺量超过45%会导致混凝土凝结时间延长,早期强度和耐磨性变低,干燥收缩率和pH值下降。混凝土中残碳含量随着粉煤灰掺量增加而增加,而残碳对引气剂有吸附作用,会导致混凝土的抗冻性降低。因此,在粉煤灰利用过程中,需根据不同的产品需求,合理调控粉煤灰的掺量。

地聚物是一种碱激发胶凝材料,主要成分为SiO2和Al2O3,与水泥相似,但强度远超普通水泥,还有耐高温和高耐久等优点。近年来,有许多研究者尝试制备粉煤灰基地聚物。G.Habert等人将粉煤灰基地聚物与标准地聚物进行对比,认为粉煤灰基地聚物是很好的粘结剂,可以制备出具有优良特性的地聚物混凝土;F.J.R.Martinez完全使用粉煤灰替代水泥,制备出粉煤灰基地聚物混凝土,并模拟海洋环境测试其强度和耐久性,认为粉煤灰基地聚物混凝土在海水环境下具有优异的强度及抗腐蚀性。目前为止,粉煤灰基地聚物在我国尚未大规模商业化利用,主要存在以下问题: (1) 对其动力学、热力学等反应机理、鉴别中间体以及Si-O-Al结构的聚合等认识不足; (2) 来自不同燃煤电厂的粉煤灰粒度和化学成分波动较大,在地聚物反应机理尚未明确的情况下,粉煤灰多变的性质对反应过程的影响十分复杂。

目前,各类尾矿、粉煤灰和煤矸石等大宗固体废弃物被用于制备建材已经较为常见,这使得普通建材市场逐渐饱和。未来粉煤灰的利用必然会由普通水泥混凝土向地聚物等高强建材转化,在保证粉煤灰的高消纳量的同时,进一步提高粉煤灰建材性能。


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