粉煤灰与介稳态熔渣共烧结制备灰渣微晶玻璃的研究

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我国是煤炭资源消耗大国,而富煤、贫油、少气的能源结构决定了煤炭在我国能源结构中的主要地位在未来较长时间内不会改变。同时,随着我国经济快速发展和能源需求的迅速升高,粉煤灰的产生量和堆积量逐年增加。当前,粉煤灰作为掺料生产水泥、混凝土以及烧结砖等建材产品在一定程度上缓解了粉煤灰对环境造成的影响,但这些传统建材产品附加值相对较低,且单位质量的产品对粉煤灰的消纳量较低。基于此,本文从提高产品附加值和大比例消纳粉煤灰的角度出发,以粉煤灰(CFA)为主要研究对象,利用介稳态熔渣(MS)在中低温下较强的析晶能力和烧结活性,与其共烧结制备灰渣微晶玻璃。并研究了重金属在烧结过程的固化机理及其最终产品对周围环境的潜在生态危害。主要研究内容及结论如下:(1)利用熔融-水淬技术制备废弃物基介稳态熔渣,调节粉煤灰和介稳态熔渣的比例(C:M),系统研究烧结温度和混合比例对灰渣微晶玻璃性能的影响。结果表明,随着烧结温度和介稳态熔渣比例的升高,灰渣微晶玻璃的抗压强度、密度、化学耐腐蚀性以及烧结致密性逐渐增大。当粉煤灰添加量为10-40%,烧结温度为850-1085 oC时,制备的灰渣微晶玻璃的抗压强度可满足GB/T 19766-2016《天然大理石建筑板材》要求(≥50 MPa);其中,粉煤灰添加量为10-30%,烧结温度为940 oC时,所制备产品的化学耐腐蚀性满足工业要求(酸损失率≤96%,碱损失率≤98%)。与粉煤灰完全熔融制备灰渣微晶玻璃相比,本方法所制备灰渣微晶玻璃的理论能耗可降低11.67-27%。(2)选择粉煤灰中典型重金属作为研究对象,对灰渣微晶玻璃中的重金属浸出毒性和潜在生态风险进行研究。结果表明,当粉煤灰添加量不超过40%,烧结温度为850-1085 oC时,所制备产品的重金属Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni的浸出浓度远低于规定浸出阈值;潜在生态危害评估结果表明,灰渣微晶玻璃的单一重金属污染因子Cf、单一重金属的潜在生态危害指数Er、综合潜在生态危害指数RI随着烧结温度的升高和粉煤灰添加量的降低而逐渐降低,灰渣微晶玻璃的综合潜在生态风险处于最低等级。(3)利用分析纯氧化物模拟废弃物原料中的主要化学组成,选择Zn和Cr两种重金属对其固化机理进行研究。结果表明,微晶玻璃中晶相和玻璃相对重金属起到双重壁垒保护作用。在形成的重金属掺杂晶体中,Zn以Ca2Zn Si2O7形式,Cr以Cr2O3形式存在。
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