（环境工程专业论文）高掺量粉煤灰制备多孔陶瓷板及其处理矿山废水研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 要 粉煤灰是火电厂排出的一种固体废物。近年来，随着国家经济的发展和电 力需求的提高，粉煤灰的排放量急剧增加，对生态环境造成极大的危害。合理 利用粉煤灰可以降低其对生态环境的危害，变废为宝，因此研究粉煤灰回收利 用有着重要的意义。 多孔陶瓷由于其优良、稳定及特殊的物理性能和力学性能，较大的比表面 积、高气孔率，和可调控的孔径分布，被广泛应用于冶金、能源、化工、电子、 环保、生物等领域。粉煤灰的化学成分主要为s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，一般两者总含量都 在6 0 以上，与制作陶瓷的粘土类原料相近，因此可以用来代替传统的陶瓷粘 土原料。 ， 本实验通过混合不同配比的粉煤灰、高岭土、助熔剂以及造孔剂，半干压 制成型后得到圆饼型坯体，经高温烧结，制得多孔陶瓷试样。研究了粉煤灰掺 量、助熔剂、烧结温度、保温时间、造孔剂种类及其添加比例等各种因素对多 孔陶瓷的抗折强度、气孔率、烧成收缩率和吸水率等性能的影响。 实验表明，粉煤灰的掺量和助熔剂种类对试样的抗折强度和气孔率性能有 一定的影响。随粉煤灰掺量的增加，烧结样品的抗折强度和气孔率大致呈先增 大后减小的趋势。以长石为助熔剂制备出的样品具有较高的抗折强度和气孔率。 烧结温度、保温时间对试样有极大的影响，试样抗折强度随烧成温度的升高而 增大，气孔率随烧成温度的升高而减小。随着保温时间的增加，气孔率先增大 后减小，抗折强度先急剧增大后趋于平缓。试样的性能与造孔剂的种类、添加 量也有很大的关系，随着造孔剂添加量的增加，烧结样品几乎呈线性收缩，且 抗折强度随着造孔剂含量的增加而减小，气孔率随着造孔剂含量的增加而增大。 最后选取最佳试样在废水处理的实验中检测其应用效果。 通过对比分析x r d 、s e m 图谱及实验数据得出最佳制备工艺参数：制备原 料中粉煤灰掺量为7 0 时，以长石为助熔剂，烧结温度1 2 0 0 0 c ，保温时间1 h ， 选择碳粉为造孔剂，与原材料按1 ：4 配比。在此参数下制备出的粉煤灰多孔陶瓷 抗折强度1 7 7 8 m p a 、气孔率4 4 8 6 ，吸水率3 3 9 3 ，容重1 3 2g e m 3 。在废水 武汉理工大学硕士学位论文 处理应用的研究中，矿山废水在过滤压力为0 6 m p a 条件下，通过三块该陶瓷板 后s s 的去除率达8 1 4 ，c o d c r 的去除率达7 6 6 8 。 关键词：粉煤灰，多孔陶瓷，制备工艺，抗折强度，气孔率 n 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l ya s hp r o d u c e db yt h e r m a lp o w e rp l a n t si nt h ep o w e rg e n e r a t i o n p r o c e s si sa k i n do fs o l i dw a s t e i nr e c e n ty e a r s ，d u et or a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d i m p r o v e m e n to fe l e c t r i c i t yd e m a n d ，t h ee m i s s i o no ff l ya s hr i s e sd r a m a t i c a l l ya n d c a u s e si n c r e a s i n gn e g a t i v ei n f l u e n c et ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t r e c y c l i n go ff l y a s hp r o p e r l yc a nr e d u c et h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , t u r n sw a s t ei n t ow e a l t h ，i nt h i s c a s e ，t h es t u d yo ff l ya s hr e c y c l i n gi sr a t i o n a l l ys i g n i f i c a n t t h ep o r o u sc e r a m i ch a sb e e nw i d e l yu s e di nm e t a l l u r g y , e n e r g y , c h e m i c a l s ， e l e c t r o n i c s ，e n v i r o n m e n t ，b i o l o g y a n dm a n yf i e l d sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e ：s t a b i l i t y , s p e c i a lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，l a r g es u r f a c ea r e a , h i g hp o r o s i t y , a n da d j u s t a b l ep o r ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o n t h em a j o rt w oc h e m i c a l c o m p o s i t i o n so ff l ya s h ，s i l i c o n - d i o x i d ea n da l u m i n i u m - o x i d et o g e t h e rn o r m a l l yh a v e m o r et h a n6 0 p r o p o r t i o n i t sv e r ys i m i l a rw i t hc l a yw h i c hi sf r e q u e n t l yu s e dt o p r o d u c ep o r o u sc e r a m i c a c c o r d i n gt ot h i sr e a s o n ，t h ep o r o u sc e r a m i cm a d eb yf l y a s hc a nb ear e a s o n a b l er e p l a c e ro ft r a d i t i o n a lo n e w i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o n so ff l ya s h , k a o l i n ，f l u xa n dp o r e - f o r m i n g , p r e p a r i n ga r o u n dc a k e - t y p eb o d yb ys e m i - s u p p r e s s i n g ，s i n t e r i n gi nh i g ht e m p e r a t u r e ，s e v e r a lf l y a s hp o r o u sc e r a m i cs a m p l e sw e r eo b t a i n e d t h ei m p a c t so fv a r i e t yf a c t o r s ，w h i c h i n c l u d ef l ya s h p r o p o r t i o n ，f l u x ，s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，s o a k i n gt i m e ，t y p ea n d p r o p o r t i o no fp o r e - f o r m i n ge t c , o nt h ef l e x u r a ls t r e n g t h ，p o r o s i t y , f r i n gs h r i n k a g ea n d w a t e ra b s o r p t i o np r o p e r t yh a v e b e e ns t u d i e d t h ec o n c l u s i o ni s ：t h ep r o p o r t i o no ff l y a s ha n df l u xt y p eh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n dp o r o s i t y p r o p e r t i e so ft h es a m p l e s w i t ht h ei n c r e a s i n gp r o p o r t i o no ff l ya s h ，t h ef l e x u r a l s t r e n g t ha n dp o r o s i t yo fs i n t e r e ds a m p l e si n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e ns o o nr e d u c e d t h e s a m p l e ss i n t e r e dw i t hf e l d s p a r a s f l u xh a v eh i g h e rf l e x u r a l s t r e n g t h a n db e t t e r p o r o s i t y s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m eh a v es o m ei m p o r t a n ti m p a c to nt h e s a m p l e st o o t h ef i e x u r a ls t r e n g t ho fs i n t e r e ds a m p l e si n c r e a s e da n dt h ep o r o s i t y m i n i s h e dw h i l et h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d w h e nl e n g t h e n e do fs o a k i n g m 武汉理工大学硕士学位论文 d u r a t i o n ，t h ep o r o s i t yo fs i n t e r e ds a m p l e sf l r s ti n c r e a s e dt h e nm i n i s h e d ，a n dt h e f l e x u r a ls t r e n g t hf i r s t l ye n h a n c e ds h a r p l yt h e nt r e n dt o w a r d sg e n t l e t h et y p ea n d p r o p o r t i o no fp o r e f o r m e rg r e a t l yi m p a c tt h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n dp o r o s i t yo f e x a m p l e s t h ef l e x u r a ls t r e n g t ho fs i n t e r e ds a m p l e sm i n i s h e da n dt h ep o r o s i t y i n c r e a s e dw h i l et h ep o r e - f o r m i n gi n c r e a s e d a tl a s t ，t h ee f f i c a c yo ff l ya s hp o r o u s c e r a m i ci nw a s t e w a t e rt r e a t m e n th a sb e e nt e s t e di nt h ee x p e r i m e n t t h ec o m p a r a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r sf o rf l y a s hp o r o u sc e r a m i c sp r o d u c t i o nh a v e b e e np o i n t e do u t p o r o u sc e r a m i cm a d eb y2 0 c a r b o np o w d e ra sp o r e - f o r m i n ga n d 8 0 r a wm a t e r i a lw h i c hc o n t a i n7 0 f l ya s h ，a n dt a k i n gf e l d s p a ra sf l u xs i n t e r e da t 1 2 0 0 0 c ，s o a k e df o ro n eh o u r , h a st h eb e s tp e r f o r m a n c ei nt h ee x p e r i m e n t i th a s f i e x u r a ls t r e n g t ho f1 7 7 8 m p a ，p o r o s i t yo f4 4 8 6 ，w a t e ra b s o r p t i o np r o p e r t yo f 3 3 9 3 ，a n db u l kd e n s i t yo f1 3 2g c m j i nw a s t e w a t e rt r e a t m e n te x p e r i m e n t ，u n d e ra f i l t e rp r e s s u r eo f0 6 m p a ，m i n ew a s t e w a t e rw a sf i l t e r e dt h r o u g ht h r e el a y e r so f f l ya s h p o r o u sc e r a m i cp l a t e s ，a n dt h es sr e m o v a lr a t eo f8 1 4 a n dt h ec o d c r r e m o v a lr a t e o f7 6 6 8 w o r eo b t a i n e d k e y w o r d ：f l ya s h ，p o r o u sc e r a m i c s ，p r e p a r a t i o nt e c h n i q u e ，f l e x u r a ls t r e n g t h ，p o r o s i t y i v 武汉理工大学硕士学位论文 摘要。 a b s t r a c t 目录 。i 第一章绪论 1 1 1 粉煤灰的概况1 1 1 1 粉煤灰的产生。1 1 1 2 粉煤灰的性质1 “ 1 1 3 粉煤灰的危害。6 1 1 4 粉煤灰的利用现状。：。7 1 2 多孔陶瓷的概况。1 0 1 2 1 多孔陶瓷的分类1 1 1 2 2 多孔陶瓷的应用。1 2 _ 1 2 3 多孔陶瓷的制备工艺。1 3 1 3 粉煤灰多孔陶瓷的研究现状1 7 1 4 本论文的研究意义、内容及技术路线1 8 1 4 1 论文的研究意义1 8 1 4 2 论文研究内容。1 8 1 4 3 制备工艺图1 9 1 4 4 技术路线图2 0 第2 章实验材料及研究方法 2 1 2 1 实验原材料2 1 2 1 1 粉煤灰。2 1 2 1 2 塑性原料2 1 2 1 3 助熔剂2 2 2 1 4 粘接剂。2 2 2 1 5 造孔剂。2 2 2 2 仪器设备2 3 2 - 3 实验方法2 3 2 3 1 原料的预处理2 3 2 3 2 配比方案的确定。2 4 厂 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 烧制条件的确定。2 5 2 3 4 实验流程2 5 2 4 测试方法2 5 2 4 1 焙烧线收缩率- 2 5 2 4 2 抗折强度2 6 2 4 3 吸水率、气孔率、体积密度及容重2 6 2 4 4x 射线衍射分析( x r d ) 2 8 2 4 5 扫描电镜分析( s e m ) 2 8 2 4 6x 射线荧光光谱分析2 9 第3 章实验结果与讨论一一一一一3 0 3 1 粉煤灰掺量对试样的影响3 0 3 2 助熔剂对试样的影响3 2 3 3 烧结温度对试样的影响3 3 3 3 1 实验数据分析3 3 3 3 2 试样外观分析3 6 3 3 3 扫描电镜分析( s e m ) “3 6 3 3 4x 射线衍射分析( x r d ) 3 7 3 4 保温时间对试样的影响3 8 3 5 造孔剂种类对试样的影响3 9 3 6 造孔剂含量对试样的影响4 1 3 6 1 对收缩率的影响4 1 3 6 2 对试样强度和气孔率的影响。4 1 3 6 3 扫描电镜分析( s e m ) 4 4 3 7 本章小结。4 4 第4 章用粉煤灰多孔陶瓷板处理污水研究 4 6 4 1 过滤机理4 6 4 1 1 粉煤灰过滤机理4 6 4 1 2 多孔陶瓷过滤机理4 7 4 1 3 粉煤灰多孔陶瓷过滤机理4 8 4 2 粉煤灰多孔陶瓷处理废水的实验方法4 8 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 1 实验装置与流程4 8 4 2 2 实验仪器4 9 4 2 3 测定方法4 9 4 3 实验结果与讨论。5 0 4 3 ，1 过滤压力对去除率的影响5 0 4 3 2 陶瓷板数对去除率的影响5 1 4 4 本章小结5 1 第5 章结论 5 1 结论。5 3 5 2 展望5 4 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间所发表的相关学术论文 5 5 6 0 6 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 粉煤灰的概况 1 1 1 粉煤灰的产生 第1 章绪论 粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后，由烟气从锅炉中带出的一种工业固体废 物。煤粉在锅炉炉膛中呈悬浮状态燃烧时，其中的可燃物在炉膛内烧尽，不燃 物( 主要为灰粉) 受高温作用部分熔融，且在其表面张力的作用下，形成大量细小 的球形颗粒。这些颗粒大量混杂在高温烟气中，在锅炉尾部引风机的抽气作用 下，流向炉尾经过除尘器的作用，被分离、收集即为粉煤灰1 1 1 。 粉煤灰的形成过程：首先，煤粉中存在气化温度低的挥发分，这些挥发分 在煤粉开始燃烧时，从固定碳与矿物质的连接缝隙间逸出。此时煤粉颗粒虽然 基本保持原形态不变，但由于挥发分的逸出，煤粉变成多孔型碳粒，比较面积 极大。随着温度升高和有机质完全燃烧，多孔型碳粒中的矿物质也会脱水、分 ， 解、氧化成无机氧化物，此时煤灰颗粒形态仍基本与多孔碳粒相同，但因其变 为多孔玻璃体，比表面积明显变小。多孔玻璃体随着燃烧的进行不断熔融、收 缩，粒径逐步变小，孔隙率逐步降低，圆度逐步提高，最终转变成密度较高、 粒径较小，比表面积下降为最小的球体颗粒。不同密度和粒度的颗粒在矿物学 和化学方面具有显著的的特征差异，一般小颗粒比大颗粒更具化学活性和玻璃 性。 t 最后形成的粉煤灰中8 0 9 0 为飞灰( 进入烟气灰尘中最细的部分) ， 1 0 - 2 0 为炉底灰( 分离出来的比较粗的颗粒或是炉渣。) ，其外观相似，均为 颗粒较细而不均匀的复杂多变的多相物质【2 埘。 1 1 2 粉煤灰的性质 粉煤灰的性质主要包括物理、化学和矿物性质等，这些性质是粉煤灰分级、 利用途径选择的重要依据。 ， ( 1 ) 粉煤灰的物理性质 从外观上来看，粉煤灰是一种浅灰色的细粉，其颜色随着含碳量的增加而 武汉理工大学硕士学位论文 深。粉煤灰的颜色已成为其质量控制和生产控制的一项重要指标。粉煤灰的物 理性质包括密度、细度、堆积密度、比表面积等，这些性质是矿物组成及化学 成分的宏观反应。粉煤灰较大的组成波动范围导致其物理性质差异也很大。 粉煤灰中含有多种不同形态和构造的微小颗粒，大部分是玻璃微珠，还含 有小部分未然碳粒、结晶物质、各种玻璃体及其它不规则粒子，且这些颗粒的 密度范围差异很大，一般用密度瓶测定的只是各种颗粒混合后的平均密度。影 响粉煤灰密度最主要的因素是c a o 含量，一般低钙粉煤灰的密度较低。粉煤灰 的堆积密度是其运输和储存的必要参数，与其密度、颗粒级配、形态以及含水 率有关眦l 。 细度是粉煤灰的物理性质中比较重要的一个性质，对粉煤灰的其他性质有 着直接的影响。一般用比表面积或者一定孔径的筛余量来表示粉煤灰的细度， 但无论是哪种指标，都只能表现出整体粉煤灰的细度。使用粒径分布曲线不仅 可以更好的反映出粉煤灰的颗粒粒径分布情况，也能使粉煤灰的需水量、化学 反应速度级工作性能等得到更准确的反映。粉煤灰所含颗粒的粒径分布大概为 0 5 3 0 0 , u m l 6 1 。粉煤灰的细度也与c a o 的含量有较大的关系，因为氧化钙能通过 降低铝硅酸盐的聚合度来对粉煤灰的颗粒直径产生影响，一般高钙粉煤灰较细。 通常来说，粉煤灰越细，其活性也越大。小颗粒具有较大的比表面积，能更充 分的接触反应物，且从炉膛内排出后迅速冷却，结构更不规则，活性更高。粉 煤灰的细度影响着早期的水化反应，而其后期的反应与化学成分有关。 粉煤灰的基本物理性质如表1 - 1 所示1 7 j ：、 表1 - 1粉煤灰的物理性质 ( 2 ) 粉煤灰的化学性质 粉煤灰主要成分是铝、硅、钙、铁、镁的氧化物，属于火山灰性质的混合 材料，具有潜在的化学活性。虽然其本身几乎没有水硬凝胶性，但是能在有水 2 武汉理工大学硕士学位论文 存在时，在常温或者水热处理条件下，以粉末状和c a ( o i - i ) 2 或其他碱性金属氢 氧化物产生反应，生成的化合物具有水硬凝胶性，能用来作为各种建筑材料 s - 1 0 1 。 我国火电厂生产的粉煤灰中主要氧化物组成有：s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、f e o 、c a o 、 m g o 、t i 0 2 、n a 2 0 、k 2 0 、m n o 、s 0 3 等，有些还含有p 2 0 5 等。另外，还有 一部分未燃烧尽的碳。粉煤灰的化学成分与燃煤的种类有关，使用烟煤和无烟 ： 煤产生的粉煤灰中氧化钙的含量低于1 0 ，使用次烟煤和褐煤产生的粉煤灰中 氧化钙含量高于1 0 ，我国主要以低钙粉煤灰为主，只有极个别的地区才产高 钙粉煤灰【l l j 。 表1 2 为我国3 6 个低钙粉煤灰的化学成分，由表可得，粉煤灰的主要化学 成分为s i 0 2 和灿2 0 3 ，这两种成分的总含量约占7 8 左右，其它物质的含量都 相对较少。表1 3 为我国粉煤灰主要化学元素组成( 质量分数) 。 表1 。2 粉煤灰的化学成分( ) 粉煤灰中s i 0 2 、a 1 2 0 3 和f - c a o ( 游离氧化钙) 都是有利成分，因为粉煤灰的 活性主要来源于s i 0 2 和a 1 2 0 3 在一定碱性条件下的水化作用。当粉煤灰中钙含 量在3 左右时，有利于胶凝体的形成。硫对粉煤灰的活性也是有利组成，这是 由于粉煤灰中一部分硫以可溶性石膏( c a s 0 4 ) 形式存在，其对粉煤灰早期的强度 有一定的作用。在水化反应中，粉煤灰中少量的m g o 、k 2 0 、n a 2 0 等生成较多 玻璃体会促进碱硅反应。然而过高的m g o 含量会对安定性带来不利影响。此外， f c 2 0 3 的含量过高时也会对粉煤灰的活性产生不利影响。 3 武汉理工大学硕士学位论文 表1 3 粉煤灰主要化学元素组成( 质量分数) ( 3 ) 粉煤灰的矿物性质 粉煤灰的矿物组成主要分为结晶相和无定形相两类。结晶相主要有莫来石、 石英、氧化铁以及少量硅酸盐、褐金红石、方铝矿等。其中，英来石不是独立 存在粉煤灰中的颗粒成分，一般与玻璃体共生在空心漂珠表面，具有较大尺寸。 也存在于厚壁珠和多孔玻璃体表面，尺寸较小。莫来石均由液相析晶所构，呈 针状自形晶结合体【1 2 】。表1 4 是我国6 8 个典型粉煤灰的矿物组情况，由表可知， 莫来石、石英、赤铁矿和磁铁矿共约占粉煤灰总量的5 一5 0 ，是粉煤灰中主 要的结晶相【5 】。粉煤灰中极少见单独存在的结晶体，这是因为结晶相绝大部分在 燃烧区形成，通常都被玻璃体包裹。 。 由硅铝质等组成的玻璃体主要为粉煤灰中的无定形相，还包括少量未燃尽 的碳粒，称为无定形碳。由表1 4 可见，玻璃体约占粉煤灰总量的5 0 8 0 ， 是主要的矿物成分。这些玻璃体经高温煅烧，储藏了较好的化学能，具有良好 的化学活性，是粉煤灰活性的决定性因素。粉煤灰形成时的冷却速度对结晶相 和无定形相的比例有着决定性的影响【1 3 l 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 4 粉煤灰矿物成分 ( 4 ) 粉煤灰的活性 粉煤灰具有物理和化学两方面的活性。物理活性是早期活性的主要来源， 最具有使用价值，可以被直接利用。是一切能促进制备产品凝胶活性和改善制 品强度、耐候性等性能，且与自身化学元素性质无关的各种物理效应的综合。 粉煤灰的化学活性也称火山灰活性，是常温下粉煤灰中可溶性的s i 0 2 、a 1 2 0 3 等成分与水和石灰缓慢反应生产稳定的硅铝酸钙盐的性质。且有些高钙粉煤灰 其本身就含有足够的石灰，直接与水反应就可以显示出改活性。由于粉煤灰的 活性是其形态、颗粒、玻化程度和组成等的综合反应，因此可以通过一下人工 手段改变其活性。 机械磨细法：该方法对增加粉煤灰的活性很有效，尤其是含颗粒较大的 粉煤灰。粉煤灰磨细可将大颗粒粉碎，特别是粗大的玻璃体，使其颗粒粘结被 打破，表面特性得到改善，提高物理活性。且玻璃体被粉碎后，其颗粒粘结和 多孔结构被破坏的同时，玻璃体表面的保护膜也被粉碎，其内部可溶性组分( - - 氧化硅、三氧化二铝等) 溶出，出现更多的断裂键，比表面积变大，反应接触 面随之增大，活性得到提耐州。 碱性激发：碱溶液对粉煤灰有很强的作用，因为碱类物质对玻璃体中硅 酸盐玻璃网络有破坏性。网络的连接程度随网络的聚合度的提高而增加，需要 更大的能量来破坏网络，导致碱激发作用时间变长。但通常来说，碱性、p h 和 温度越高，激发作用也越强。 水热合成法：粉煤灰由于其形成条件和过程，造成其内部结构处于远程 无序，近程有序状态( 内能比完全无序的无定形态物质要低，但又高于相应成 分晶态内能) 。常温下该结构对水很稳定，但其无规则网络在水热条件下会被激 活，且会被水直接破坏掉，破坏作用随着温度的升高而加强。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 粉煤灰的危害 煤是很重要的一次能源，也是储量较大的资源。根据1 9 9 6 年的统计资料显 示【1 5 】。全球总消耗能源量约1 3 0 亿吨标准煤。在全世界煤的消耗中，火电厂燃煤 发电占较大的比例。中国属发展中国家，能源消耗以煤为主，是世界上最大的 煤炭生产国和消费国。1 9 9 4 年全国产原煤1 1 8 6 亿吨，居世界首位【1 6 1 粉煤灰是 火力发电厂煤粉燃烧后产生的固体废弃物。随着我国经济的不断进步发展，对 电力的需求持续增长，电力工业也逐步在发展，导致粉煤灰的排放量日益增加。 目前，我国粉煤灰每年排放量约有2 0 亿吨，但其利用率却不到5 0 。粉煤灰本 身具有不可稀释性、呆滞性和长期潜在危害性，从产生、运输到贮存及处置等 各个环节，都会给生态环境带来负面影响。如果不进行适当的处置和利用，将 严重危害着生态环境。 。 ( 1 ) 占用大量土地 ，目前，我国对粉煤灰的处置以灰场贮灰为主要堆存手段，占用了大量的土 地和良田。从1 9 4 9 年到2 0 0 0 年底，全国电厂粉煤灰总储存量为2 2 亿吨，占用 土地和田地约4 4 万亩。仅2 0 0 0 年全国火电厂排出的灰渣量达到1 6 亿吨，其堆 放用地至少达2 万亩以上旧。 ( 2 ) 污染大气 我国大部分城市大气里的悬浮颗粒物主要是燃煤飞灰，导致煤烟型污染城 市。冬季供暖，燃烧大量煤炭，导致空气中悬浮颗粒物增加。粉煤灰被人体呼 入鼻腔和咽喉后，沉积在呼吸道及肺泡上，危害人体健康。且粉煤灰中部分细 颗粒风吹飞扬，易产生扬尘，也能长时间漂浮在大气中，随气流进行远距离传 送，易造成区域性环境污染。另外，粉煤灰贮存到灰场后，表面灰层水分蒸发 后，遇风扩散，会对下风向的地区造成污染。 ( 3 ) 污染水体 我国火电厂粉煤灰经除尘器捕获后，多应用湿排的方式排灰。湿排不仅浪 费了大量的水资源，而且使冲灰水中溶入了大量灰中的有害成分，排放后易污 染地表水和地下水。此外，粉煤灰被贮存到灰场后，其有害组分会慢慢浸出污 染土壤及地下水，并会随着雨水流出污染地表水，影响了土壤和水体的生态平 衡，也会对人类的健康造成威胁。 ( 4 ) 放射性危害 在煤的燃烧过程中，它所含有的非挥发性元素铀、钍、镭会进行富集，因 6 武汉理工大学硕士学位论文 此这些放射性元素在粉煤灰中的含量要比原煤中高出2 5 倍。在粉煤灰被利用的 过程中，如果其所含放射性元素含量过高，这些放射性物质会进入周围环境， 对人体的健康造成危害。 因此，如何处置粉煤灰已受到全社会的关注，如何开发粉煤灰的综合利用 技术已成为研究的一个新方向。对粉煤灰进行综合利用，变害为利、变废为宝， 已成为我国当前经济建设中一项重大的技术政策，不仅是解决我国经济快速发 展，资源日益匮乏及环境污染之间矛盾的重要手段，也关系到我国电力生产及 相关产业的持续发展。 。 1 1 4 粉煤灰的利用现状 国外工业界较早提出了对粉煤灰的利用建议。美国电力部门从1 9 3 2 年以前 就开始研究粉煤灰在混凝土中的应用。2 0 世纪7 0 年代，由于世界性能源危机， 资源枯竭以及环境污染等问题召开了多次国际性会议，激发了粉煤灰的研究利 用和开发工作日渐深入。粉煤灰逐渐因其资源丰富、价格低廉成为国际市场上 受人青睐的新兴建材原料。英国、加拿大等国早已开设了不少专门经营粉煤灰 工业的粉煤灰公司。我国从2 0 世纪5 0 年代起开始开发粉煤灰的利用，最初研 究缓慢，但改革开放以后，国家和地方制定了一系列鼓励措施和优惠政策，鼓 励开发粉煤灰的综合利用，使粉煤灰的综合利用得到很大的发展。全国粉煤灰 的利用率逐渐增加，在1 9 9 5 年达到4 1 7 ，取得了明显的社会、经济和环境效 益1 1 & 1 们。 目前粉煤灰主要应用在建筑工程和基础工程方面。例如用于生产水泥、砖、 混凝土、砌块、墙板、砂浆、陶粒及道路工程的回填、土壤的改良及稳固等。 比较成熟的技术和工业应用主要有：混凝土砂浆中的应用、建筑工程填筑技术、 非烧制粉煤灰建筑制品、在陶制材料中的应用和在农业方面的应用。 ( 1 ) 粉煤灰在建筑材料方面的应用 由于粉煤灰和粘土的化学成分相似，可用它代替粘土原料进行配料生产水 泥和混凝土，包括水泥混合材料、水泥浆、混凝土混合材料、新型硬化材料等。 适当掺入粉煤灰量，不仅可以节省原料，还可改善水泥和混凝土的结构性能， 、提高了强度，同时也提高了经济效益。且有的最高粉煤灰掺量可达7 5 ，大大 提高的粉煤灰的利用率。也可将粉煤灰代替部分水泥作为混凝土掺合料，用于 筑路材料、大坝填方、修飞机场等工程。 7 武汉理工大学硕士学位论文 粉煤灰水泥【刎：粉煤灰掺量 3 0 ，目前已有粉煤灰硅酸盐水泥和砌筑水 泥两种。粉煤灰水泥与传统水泥相比具有能提高混凝土抗渗性、抗腐蚀性、耐 热性等优点，还能降低水化热大体积生产混凝土、防止混凝土中碱骨料发生化 学反应及平衡混凝土中游离的c a o 。但由于粉煤灰水泥早期水化反应慢，使混 凝土的凝结随之变慢，导致混凝土脱模时间被延长。 粉煤灰砂浆【2 l 】：可在砌筑砂浆中加入1 5 一2 0 的粉煤灰，可有效的节约， 成本。也可在水泥丘面砂浆和白灰抹面砂浆中加入与水泥量或者白灰量相当的 粉煤灰，可节省建筑主材也减低工程造价，且工效也得到提高。 粉煤灰混凝土嘤例：将适量的粉煤灰添加进混凝土中，不仅能明显改善 混凝土的化学稳定性，还能大大降低水化热，防止产生水化热温度裂缝，其弹 性模量和抗渗性也得到提高。且能节约建筑材料，节约成本，提高工效，减少 环境污染，具有较高的技术经济。但往混凝土中掺加粉煤灰时，粉煤灰的加入 量应不超过基本水泥用量的3 0 ，且其质量指标必须符合粉煤灰混凝土应用 技术规范( g b j l 4 6 9 0 ) 中规定的i 级粉煤灰标准。 路堤填方【2 缁l ：路基混合料和路堤填方都可用粉煤灰代替传统的土和砂或 者其他建筑材料。可有效的减少粉煤灰处理费用、节约建材、降低工程造价及 保护生态环境。 粉煤灰也可作为主要材料来制做建材制品，如砖、瓦、陶瓷、砌块、墙板。 装饰板等。用粉煤灰为主要原料，配以其他凝胶材料及外加剂，生产制造新型 材料。目前已研制出的有烧结粉煤灰砖，粉煤灰加气混凝土砌块、粉煤灰陶粒、 粉煤灰墙板及蒸压粉煤灰砖等。与传统材料相比，粉煤灰建材具有重量轻、抗 冻性好、导热系数小等特点，广泛应用于各行业。 粉煤灰砖【刎：分为烧结砖、蒸压砖和免烧免蒸砖三种。烧结砖是在以粉 煤灰为主要原料的基础上加入少量的添加剂，搅拌均匀，挤出成型后烧结制备 出的新型建筑材料。与传统砖相比省能耗、耕地和成本，而且更环保。蒸压砖 主要以粉煤灰为主要原料，加入生石灰或者其他碱性激发剂，也可添加一定量 的煤渣、石膏等骨料，混合均匀后压制成型，在常压或者高压蒸汽下养护一定 时间而制成。免烧免蒸砖同样主要以粉煤灰为原料，添加一定量的水泥、石灰 等外加剂，经搅拌混匀，半干法压制成型后自然养护而成。 粉煤灰砌块吲：目前我国墙体材料主要使用红砖，严重破坏了大量耕地 资源，粉煤灰砌块的发展有助于节约保护土地。且与传统砖相比，粉煤灰砌块 具有强度高、耐候性好及重量轻等优点。在施工过程中还能减轻劳动强度、大 8 武汉理工大学硕士学位论文 大提高工效、节约工期节约成本等。现已经研制出粉煤灰加气混凝土蒸养砌块、 粉煤灰空心砌块、粉煤灰泡沫混凝土砌块等。 粉煤灰轻质板材【2 8 1 ：主要包括粉煤灰纤维板材、多孔轻质建筑板、轻质 隔音板、发泡保温板等。利用粉煤灰新型墙体材料，不但使资源得到更充分的 利用，还能降低生产能耗和成本，因此其发展极快。 粉煤灰陶粒【2 9 1 ：一种人造轻骨料。主要原料为粉煤灰，添加少量的粘结 剂和造孔剂，混合成球，在高温下烧制而成。具有强度高、容重小、化学稳定 性好及导热系数低等特点。 ( 2 ) 粉煤灰在环境方面的应用 3 0 l 粉煤灰是一种多孔松散型固体，具有较大的比表面积，其表面上的原子力 不饱和，存在一定得表面能，而且它有良好的化学活性，因此粉煤灰具有较强 的吸附能力，可用作吸附剂，絮凝剂，烟气脱硫剂及吸声材料等。另外，粉煤 灰本身就被认为是一种废弃物，价格低廉，可代替工业常用的吸附剂，广泛应 用于工业废水、生活废水及废气的处理中，属于以废治废。 用粉煤灰治理废水时，它能吸附除去废水中的细小悬浮物、c o d 及b o d 等。 如山西某电厂直接用生活废水冲灰，c o d 的去除率为6 7 3 7 ，b o d 5 的去除率 为6 9 8 3 。一般生活废水经粉煤灰处理后，有机物的去除率可达6 0 ，细菌总 数和大肠菌群的去除率可达9 0 以上【3 l 】。粉煤灰还可以制成高分子筛、絮凝剂 和过滤介质等，对工业废水( 印染、造纸、电镀等行业) 具有一定得净化作用。 比如王红蕾等【3 2 l 用粉煤灰制备的多孔陶瓷来吸附亚甲基蓝，最终脱色率达 9 7 7 4 ；高春满p 3 】、许燕等1 3 q 使用粉煤灰来处理染色废水，结果表明脱色率可 达9 0 9 9 ；w a n gc h u n f e n g 等利用粉煤灰的吸附性质处理含重金属的废水【矧， 加拿大a l b e r ts a s k a t c h e w a n 省建立了一个粉煤灰处理造纸染色废水的中试厂，运 行了将近三年，结果显示粉煤灰对染色废水的脱色率稳定在9 0 0 6 1 。粉煤灰能 作为脱色剂是因为其含有具有交换特性和强吸附脱色作用的沸石和碳粒等物 质。 在大气污染控制中，由于粉煤灰中含有c a o 等碱性物质，可以用来中和燃 煤烟气中的s 0 2 ，生成对环境无害的硫酸盐类化合物，是一种较好的烟气脱硫吸 附剂，所以目前主要应用于烟气脱硫。 在噪声防治方面，粉煤灰中含有漂珠，是一种较好的多孔吸附材料。粉煤 灰与其他材料及添加剂混配后，制得粉煤灰泡沫玻璃或者高档新型保温吸音板， 与传统材料相比，具有良好的隔热、吸音和防水等性能。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 粉煤灰在农业方面的应用【3 7 - 3 8 粉煤灰在农业上的应用研究主要表现在覆土造田、改善土壤和生产肥料方 面，具有用量大、投资少、波动小，且需求平稳，大部分时候对粉煤灰质量无 较高要求等特点。由于粉煤灰中含具有多孔性的碳粒和硅酸盐类矿物，而土壤 本身含有的硅酸盐矿物不具备该特点，所以粉煤灰是一种可直接用作土壤改良 剂的农用资源，应用于改良中低产田。粉煤灰施入土壤后，通过改善溶液在土 壤内的扩散情况和土壤的毛囊血管，起到调节土壤湿度的作用，加速植物根部 吸收营养物质和排出分泌物，可促进植物的生长。另外，粉煤灰还可以改善土 壤的化学成分和p h 值。 、 目前，我国农业用的有机化肥效果差，容易造成生态环境污染，而无机化 肥的种类少，营养不全，也易造成土壤碱化、营养失调、板结及农作物变异现 象。而粉煤灰内部疏松多孔，具有良好的吸附功能，利用粉煤灰、生活垃圾和 粪便等可生产出含多种养分的复合肥料，无害且富营养化，该复合肥料可很好 的解决以上两个问题。 此外，还可以利用粉煤灰代替土壤作为矿井、低洼地、砖厂取土坑、煤矿 塌陷区等的回填材料，能提高抗压强度，且方法简单，操作方便，无任何特殊 技术含量，但利用经济效益低，而且容易产生二次污染1 3 9 1 。 1 2 多孔陶瓷的概况 多孔陶瓷是由骨料、粘接剂和造孔剂等原料配比设计，根据颗粒堆积原理， 采用不同的成型工艺，经过高温烧制，形成的内部具有大量彼此贯通气孔或者 闭孔的陶瓷材料，其中一定数量和尺寸的孔隙结构作为有用的结构存在。其发 展始于十九世纪七十年代，初期只是用作铀提纯材料和细菌过滤材料。但由于 其不仅性能优良、基体材料特殊的光、电、热、磁等物理性能和力学性能，还 有大量的气孔，比表面积大以及可调的孔径分布，使得多孔陶瓷已逐渐广泛应 用于冶金、能源、化工、电子、环保、生物等领域l 加j ：利用多孔陶瓷孔径相互 贯通，具有较