油頁巖復合灰制備微晶玻璃及其固化垃圾焚燒飛灰的研究.pdf

1、本文選取油頁巖飛灰(OSFA)為主要研究對象，在高摻雜油頁巖飛灰的情況下，將其制備成高附加值灰渣微晶玻璃，并研究了堿度對微晶玻璃性能的影響。在此基礎之上，從提高工業(yè)廢物在灰渣微晶玻璃中的消納量以及降低能耗角度出發(fā)，基于不周廢物的化學組成特點，將油頁巖飛灰和城市垃圾焚燒底灰優(yōu)勢配伍制得油頁巖復合灰，使其化學組成滿足CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃的要求，然后利用油頁巖復合灰熔融后得到的復合型玻璃質(zhì)熔渣與油頁巖飛灰二次復合共燒結(jié)制得

2、微晶玻璃。同時，鑒于復合型玻璃質(zhì)熔渣較高的燒結(jié)活性和析晶能力，將其作為固化劑對城市垃圾焚燒飛灰進行固化/穩(wěn)定化處理。其具體內(nèi)容和主要研究結(jié)論如下:
　　(1)通過調(diào)控CaO和Al2O3在油頁巖飛灰中的含量，得到具有不同堿度(CaO/SiO2)的初始玻璃配料，采用高溫熔融/水淬和一步燒結(jié)法將其制備成CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃。利用Kissinger-Augis-Benne方程研究了堿度對微晶玻璃析晶動力學的影響，并借助

3、差示掃描量熱法、X-射線衍射分析以及毒性浸出測試等方法研究了堿度對微晶玻璃的結(jié)晶相組成、微觀結(jié)構(gòu)、機械物理性能、耐化學腐蝕性以及重金屬毒性浸出的影響。結(jié)果表明，微晶玻璃的析晶機理為表面析晶機理，當堿度從0.2增加到0.5時，析晶活化能從231.61kJ/mol降低到196.84kJ/mol。微晶玻璃的主晶相由鈣長石(CaAl2Si2Og)轉(zhuǎn)變成鈣鋁黃長石(Ca2Al2SiO7)和鈣長石的多晶共存體系。微晶玻璃的抗壓強度值和抗彎強度值隨著

4、堿度的增大逐漸增強，當堿度為0.5、燒結(jié)溫度為1050℃時，分別達到最大的186MPa和78MPa。微晶玻璃對酸堿溶液的抗腐蝕性能力由強到弱依次為:NaOH＞HAc＞H2SO4。重金屬的毒性浸出測試(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)表明，微晶玻璃浸出液中的重金屬濃度遠低于US EPA規(guī)定的重金屬浸出閾值，重金屬被穩(wěn)定她固化于形成的晶格網(wǎng)絡中，對環(huán)境具有良好的穩(wěn)定性和安全性。
　

5、　(2)油頁巖飛灰和城市垃圾焚燒底灰通過優(yōu)勢配伍制得復合型玻璃質(zhì)熔渣，然后將介穩(wěn)態(tài)的復合型玻璃質(zhì)熔渣與油頁巖飛灰二次復合共燒結(jié)制得微晶玻璃。通過對微晶玻璃的結(jié)晶相類型、物理機械性能（燒結(jié)收縮率、重量損失率、密度和抗壓強度）和耐化學腐蝕性的分析，研究了復合型玻璃質(zhì)熔渣添加量和燒結(jié)溫度對微晶玻璃性能的影響。研究結(jié)果表明，微晶玻璃的主晶相是鈣長石和石英。燒結(jié)收縮率、密度和抗壓強度隨著復合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加和燒結(jié)溫度的升高而逐漸增大，但重

6、量損失率則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。當燒結(jié)溫度為1000℃，油頁巖飛灰在二次復合料中的含量由10％增加到30％時，復合型玻璃質(zhì)熔渣衍生微晶玻璃的燒結(jié)收縮率從29.61％降至17.2％，密度從2.13g/cm3降至1.73g/cm3，抗壓強度從139.63MPa降至35.69MPa，重量損失率從4.28％升高至8.12％。而緩慢冷卻熔渣衍生產(chǎn)品的燒結(jié)收縮率由12，43％降至10.28％,密度由1.66g/cm3降至1.55g/cm3，抗壓強度

7、由23.08MPa降至16.76MPa，重量損失率由10.35％升高至13.91％。此外，復合型玻璃質(zhì)熔渣衍生微晶玻璃的耐化學腐蝕性也強于緩慢冷卻熔渣衍生產(chǎn)品。這說明介穩(wěn)態(tài)的復合型玻璃質(zhì)熔渣在相同的燒結(jié)溫度下具有更強的燒結(jié)活性和析晶能力，更易于通過結(jié)晶方式降低內(nèi)能向穩(wěn)定的結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變，燒結(jié)產(chǎn)品中的晶體體積分數(shù)更大，微觀結(jié)構(gòu)更加緊密，產(chǎn)品的性能越強。在復合型玻璃質(zhì)熔渣衍生微晶玻璃的抗壓強度滿足天然大理石建材標準的情況下，對比常規(guī)路線的制備過

8、程，所提方法的能耗降低率可以達到5.91-12.53％。
　　(3)復合型玻璃質(zhì)熔渣較強的燒結(jié)活性和析晶能力使得其易于通過黏性液體流動傳質(zhì)過程實現(xiàn)混合態(tài)粉末的燒結(jié)致密化和結(jié)晶化。基于此，將其作為固化劑與活性較低的城市垃圾焚燒飛灰在低溫下(≤1000℃)進行混合共燒結(jié)實驗，通過相遷移轉(zhuǎn)化過程中不同物質(zhì)間的相變反應實現(xiàn)焚燒飛灰的固化和穩(wěn)定化。結(jié)果表明，復合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加和燒結(jié)溫度的升高使得垃圾焚燒飛灰中原有晶體的衍射峰逐漸減

9、弱，燒結(jié)產(chǎn)品中出現(xiàn)鈣長石(CaAl2Si2O8)、鈣霞石(Ca(Al，Si)2O4)、氯磷鈣石(Ca10(SiO4)3(SO4)3Cl2)、氯硅鋁鈣石(Ca6Al5SiO16Cl13)以及重金屬化合物等新晶體。復合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加使得燒結(jié)產(chǎn)品中重金屬的殘留率逐漸增大，但其浸出濃度依然遠遠低于美國、歐洲以及我國規(guī)定的重金屬浸出濃度閾值。氯離子由可溶鹽存在轉(zhuǎn)變成化學性質(zhì)穩(wěn)定的化合物存在是導致其浸出率和浸出潛力降低的主要原因，且隨著復