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生活垃圾焚烧飞灰制备植草砖的探讨

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据统计,我国2015年城市生活垃圾年产生量约2亿t,同时以8%~10%的速度持续增长[1]。目前,城市生活垃圾的处置已由过去的野外堆放、安全填埋等处置方式逐渐过渡到堆肥、焚烧发电等处置方式[2]。焚烧能减少垃圾90%以上体积[3],具有处理速度快、占地面积小等特点,同时可以产电、蒸汽等能源,近几年已在全国范围内推广应用。但是,在其尾气处理环节中会产生约占垃圾总质量5%左右的飞灰[4],据估算目前我国飞灰年产生量大约400万~500万t。生活垃圾焚烧飞灰大多在垃圾焚烧尾气处理过程的除尘器中收集,焚烧烟气中的重金属等污染物易富集于飞灰中,使飞灰中含有重金属和难降解有毒物质[5]。目前飞灰的处置方式以安全填埋为主,少部分与水泥窑协同处置,很多填埋场逐渐无法容纳年产生量巨大的飞灰了。因此,为飞灰探寻一种经济、安全、有效的处置方法势在必行[6]。目前已经开展的飞灰综合利用的研究主要有两大类。一类是将飞灰作为原料来制备水泥,该方法虽能有效地处置飞灰,但处置量却远远无法满足飞灰的处置需求。马保国等[7]利用飞灰制备水泥,其飞灰掺入量约占总质量的16.32%。朱华兰等[8]采用水泥固化法处置垃圾焚烧飞灰,研究了飞灰与水泥质量比、养护时间、添加剂和化学预处理对垃圾焚烧飞灰固化块中重金属浸出的影响。另一类是将飞灰高温烧结后再加以利用,这种方法利用高温破坏有机物、固化重金属,但其能耗大,且投资成本高,难以普及。随着我国绿色城市的建设,植草砖以其优越的绿化效果和较好的耐磨、吸音、吸尘、蓄水性能被广泛使用。传统的植草砖是由混凝土、河沙、颜料等材料经高压砖机振压成型的免烧砖,而飞灰的主要成分属于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系,具有一定的火山灰活性,易于其他组分反应形成新的物相,所以从理论上分析推断,飞灰有望成为建材原料。本研究以生活垃圾焚烧飞灰为主要原料进行植草砖的制备研究,以期有效处置生活垃圾焚烧飞灰并加以开发利用。

1材料与方法

1.1原材料及仪器飞灰:取自某飞灰堆场,密度2180kg/m3,比表面积4.8~13.7cm2/g,含水率10.3%,深灰色。矿粉:取自某公司,比表面积413m2/kg,密度2910kg/m3,灰白色。采用X射线衍射(XRD)仪分析飞灰、矿粉成分,结果见表1;对飞灰、矿粉进行粒度分析。飞灰和矿粉中含有大量的玻璃体,重要结晶相是SiO2;另外飞灰和矿粉中Ca的含量较高,具有较好的凝胶潜质。由表2可知,飞灰和矿粉中粒径在106μm以下的颗粒分别占总质量的86.99%和95.69%,具有较高的活性,且飞灰和矿粉中粒度主要分布在35~106μm,能较好的满足植草砖的粒径要求[9]。

1.2试验方法先将一定量的飞灰烘干后磨细,过100目筛备用。采用控制变量法,对植草砖灰矿比、加水量、激发剂(NaOH)投加量、养护温度间进行单因素实验,以抗压强度为测试指标,参照水泥砂浆强度检验方法进行检测,具体步骤为:飞灰、矿粉和NaOH干搅3min,粉料混合均匀后缓慢加入水,继续搅拌2min,振实、带模养护24h后拆模,继续养护至规定时间(3、7、12、21、28d)之后用TYE-100A型抗折抗压试验机测定抗压强度。经单因素实验得出最佳条件后,在此条件下制备植草砖,进行XRD分析,对其水化产物进行微观分析。工作条件及参数为:Cu靶、10°<2θ<70°、5°/min。重金属浸出浓度测定:参照《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》(HJ/T300—2007)进行;材料性能测试:目前没有明确的相关规范,故参照《植草砖》(NY/T1253—2006)进行。

2结果与讨论

2.1灰矿比对试样抗压强度的影响固定激发剂投加量(以占飞灰、矿粉总量的质量分数计)为5.0%,加水量(以占飞灰、矿粉总量的质量分数计)为40.0%,养护温度为35℃,当灰矿比(质量比)分别为4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2和9∶1时。随着灰矿比的增加,植草砖的抗压强度逐渐减小。其原因可能是在植草砖水化反应中,起主要作用的C—S—H凝胶对重金属具有一定的吸附力,另外重金属还可能取代C—S—H凝胶中Ca或Si的位置,从而影响C—S—H凝胶的结构,降低植草砖养护后的抗压强度。飞灰中还有部分重金属和铵盐,随着飞灰掺量增加,对C—S—H凝胶的影响变大,使得植草砖的抗压强度降低。实验表明,灰矿比为7∶3时,植草砖养护28d的抗压强度可达到20.380MPa,参照NY/T1253—2006标准,能达到MU20的抗压等级,同时飞灰利废率可达70%,因此选择该比例为最佳灰矿比。

2.2激发剂投加量对试样抗压强度的影响固定灰矿比为7∶3,加水量为40.0%,养护温度为35℃,当激发剂投加量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%时。

2.3加水量对试样抗压强度的影响固定灰矿比为7∶3,激发剂投加量为3.0%,养护温度为35℃,当加水量分别为32.5%、33.5%、34.5%、35.5%、36.5%和37.5%时。

2.4养护温度对试样抗压强度的影响固定灰矿比为7∶3,激发剂投加量为3.0%,加水量为35.5%,当养护温度为20、30、40、50、60℃时,植草砖的抗压强度变化如图4所示。随着养护温度的升高,植草砖的水化反应速率逐渐加快,而且温度对植草砖早期水化速率的影响更为显著。其原因可能是温度升高,水化加速,可使C3S的诱导期缩短,第二个放热期提前,诱导期结束后水化较为迅速。

2.5水化产物分析图5为最佳条件下制备的植草砖在不同龄期(即养护时间)下的XRD图谱。在水化龄期3d时的主要产物是C—S—H凝胶,此外可明显看到未反应的SiO2和CaO。水化7d后C—S—H凝胶的衍射峰有所增强,而SiO2和CaO的量明显降低,表明SiO2和CaO在水化过程中不断被消耗。水化12、21d的主要水化产物依然是C—S—H凝胶,且C—S—H凝胶衍射峰的升高表明了此阶段有大量C—S—H凝胶的形成,另外SiO2峰值明显降低证明了该阶段SiO2参与生成C—S—H凝胶的反应。当水化28d时各峰值基本不再发生变化,标志着水化反应的完全。总之,水化反应前、中、后期整个材料体系的水化产物种类基本相同,主要包含未水化完全的SiO2和CaO及水化产生的C—S—H凝胶等,其中SiO2和CaO的峰呈不断降低趋势,水化产物C—S—H凝胶量则不断增加。

2.6浸出毒性测试根据HJ/T300—2007,将最佳条件下制备的植草砖养护28d后研磨过9.5mm孔径的筛,用火焰原子吸收分光光度计测定其浸出液中Pb、Zn、Cr、Cu、Ni和Cd等重金属含量(见表3)。从表3可以看出,飞灰浸出液中各项重金属浓度均低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3—2007)限值,在制备为植草砖后浸出浓度进一步降低,以确保对环境的无害化。其原理在于,通过水化产物的物理包容和化学固化可将重金属固化于植草砖浆体内,从而降低其渗透性。

2.7试样性能测试参照NY/T1253—2006,将最佳条件下制备的植草砖养护28d后进行抗压强度、吸水率和抗冻性测试。由表4可得,试样的抗压强度为23.638MPa,强度等级达到MU20;吸水率为11.4%,达到植草砖合格品标准;冻融循环25次后抗压强度20.376MPa,损失13.8%,其抗冻性满足植草砖合格品标准。

3结论

(1)植草砖制备过程中,飞灰、矿粉和激发剂的投加量及制备工艺条件对植草砖性能的影响很大,最佳制备条件为:灰矿比7∶3,激发剂投加量3.0%,加水量35.5%,养护温度30℃,养护时间28d。以此条件制备的植草砖,抗压强度为23.655MPa。(2)利用生活垃圾焚烧飞灰制备的植草砖主要水化产物为C—S—H凝胶,随着养护时间的增加,原料中SiO2和CaO含量逐渐减少,水化产物C—S—H凝胶逐渐增加。(3)利用生活垃圾焚烧飞灰制备的植草砖可达到NY/T1253—2006中合格品标准。同时,飞灰中的重金属可通过物理包容和化学固化于植草砖的水化产物中,进一步降低重金属的溶出。另外,植草砖制备过程中,飞灰利废率高达70%,具有巨大的经济效益;其生产工艺简单,制备过程接近于零污染排放,环境效益明显。

参考文献:

[1]施惠生.城市垃圾焚烧飞灰处理技术及其在水泥生产中资源化利用[J].水泥,2007(10):1-2.

[2]蒋旭光,常威.生活垃圾焚烧飞灰的处置及应用概况[J].浙江工业大学学报,2015,543(1):7-8.

[3]岳鹏,施惠生,舒新玲.城市生活垃圾焚烧灰渣胶凝活性的初步研究[J].水泥,2003(5):12-15.

[4]刘韬,汪澜,房晶瑞,等.水泥生产协同处置城市生活垃圾焚烧飞灰进展[J].材料导报,2015,29(25):369-370.

[5]周俊晓.城市垃圾焚烧飞灰中重金属的特性及飞灰稳定化处理实验研究[D].南京:河海大学,2008.

[6]鲁刘磊,欧阳东,徐畏婷,等.垃圾焚烧飞灰制备超强混凝土[J].混凝土,2010(12):107-108.

[7]马保国,黄祥,李相国,等.城市垃圾焚烧飞灰配制水泥熟料的研究[J].武汉理工大学学报,2009,31(8):51-52.

[8]朱华兰,杨兰,赵秀兰.水泥对垃圾焚烧飞灰中重金属的固化研究[J].环境污染与防治,2011,33(7):58-61.

[9]李茂辉,杨志强,王有团,等.粉煤灰复合凝胶材料填充体强度与水化反应机理[J].中国矿业大学学报,2015,44(4):651-652

作者:康治金1;刘志英1;徐学骁2;刘杨1;巴黎1曹洁1;徐炎华1 单位:1.南京工业大学环境科学与工程学院,2南京工大环境科技有限公司

湖北植保杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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