粉煤灰是一种固体工业废弃物, 主要产于各大型火力发电厂.为粉煤灰而建的存放地不仅占据了大片土地, 还对周边地区的环境造成了很大的破坏.为解决环境污染问题, 各有关电厂和当地政府(包括世界各国政府) 为之耗费了大量资金, 由于是被动处理, 收效不大.之后, 人们采用主动的处理方式, 即把粉煤灰当作一种原料, 并将它转变成某种工业产品.该方式既消耗了粉煤灰, 又产生经济效益.迄今, 各种粉煤灰产品已被广泛地应用于多种领域^[1].但到目前为止, 人们仍没能解决这个环境问题: 粉煤灰的消耗量远小于粉煤灰的产出量.既然解决这个问题的关键是消耗完粉煤灰, 我们的任务就是开发出一些能大量消耗粉煤灰的产品.基于这个目的, 作者开展了制作粉煤灰多孔材料的研究.本文是其中的一部分.

1.   粉煤灰的特征

研究用的粉煤灰取自武汉青山热电厂.该粉煤灰的基本特征与前人的描述一致^{[1, 2]}, 本文仅讨论一些与研究有关的特点.该粉煤灰的85%左右为玻璃体, 成分11%为碳, 其他为各种晶体和铁质.玻璃体由85%左右黑色玻璃体和玻璃珠球, 15%左右的白色和黄白色玻璃珠球构成.实验中, 我们用永久磁铁分选铁质, 但它们未能被永久磁铁完全清除, 剩1%左右.实验结果表明, 其他永久磁铁未能选出的铁质含于玻璃体和玻璃珠球中.需要指出的是, 本文后面所讨论的粉煤灰指永磁去铁后的粉煤灰.

由于粉煤灰的主体为玻璃, 作者决定制作粉煤灰玻璃多孔材料.青山热电厂粉煤灰的初融温度为1 250 ℃左右, 熔融温度为1 550 ℃.融熔体的粘度很大, 颜色为褐黑色, 说明其中的SiO₂, Al₂O₃和Fe₂O₃组分很高.

该电厂粉煤灰中的碳主要分布在较粗粒的黑色玻璃体和玻璃珠球中(表 1).这些碳质在600 ℃左右挥发.

表  1  烧结(1 350 ℃) 前后粉煤灰样品的特征

Table  Supplementary Table   Features of fly-ash samples before and after sintering at 1 350 ℃

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烧结之后, 所有样品中都不再见空心珠球, 皆为具玻璃光泽、透明和半透明的无色、土黄色和黄褐色实心粒子, 它们彼此相连, 构成多孔的结构; 材料没有裂纹, 孔隙分布均匀.3号样的收缩率25.5%;小于340目细粉煤灰的烧成样品中几乎没有孔隙, 其收缩率40%.

值得指出的是, 4号样和5号样是同一样本的两个样.其中5号样先经过水浸泡处理, 其目的是想使样品中的颗粒堆积得更紧密一些; 在吸出样品表面的水时, 同时也吸出了漂浮在表面的黑色漂珠, 然后在≤150 ℃下烘干.烧结之后发现该样不但没有减少孔隙, 反而大大增加了材料的孔隙率.有意义的是该样品的表面还形成一约1 mm厚的浅白色层.镜下观察发现, 该层中的玻璃粒子很少含有褐色铁斑, 该层下的样品与本研究中的其他样品一样, 都无序地含有30%左右的黄褐色铁斑.水处理所产生现象的原因和作用目前尚没有查明, 但其意义很重要.就现象而言, 铁质—碳质—浮珠之间似乎存在某种相关关系.

2.   粉煤灰多孔玻璃的制作与材料特征

作者以小于150~大于200目的粉煤灰为材料的主体.考虑粉煤灰主要是玻璃体, 掺入少量小于340目的粉煤灰玻璃, 以起助熔、联结作用.原料的比例与材料烧结前后的特点都列入表 1中.所有样品在1 350 ℃下保温30 min, 然后随炉冷却.5个烧成多孔材料样品的有关质量值列于表 2中.由表 2中的质量值计算出的材料的有关物理参数列于表 3中.

表  2  粉煤灰烧结样品的几种质量值

Table  Supplementary Table   Mass values of sintered samples

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表  3  粉煤灰多孔材料的有关物理参数

Table  Supplementary Table   Physic parameters of fly-ash porous materials

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表 2中的数据是根据美国标准(据文献[3]) 获得的.该标准要求先称得材料的干重(D), 然后将材料在沸水中煮5 h, 随水冷却, 静置24 h后, 称得样品的湿重(W, 含水材料在空气中的质量) 和材料在水中的质量(S).表 3中各字母的物理意义如下: V(外观体积) =W-S; B(体密度) =D/V; P(视孔隙率) = (W-D)/V; V_i (不可渗透物质的体积) =D-S; T(视密度) =D/ (D-S); A(吸水率) = (W-D)/D.

表 3的数据可分成两个系列进行对比分析.第一系列由1号样和3号样构成, 该系列以较粗的物料为主体.对细粉掺入量为10%与15%者, 材料的性能基本相同; 但细粉掺入量5%的材料的孔隙率达45.8%, 比前两者要高很多, 这表明粗料易形成较高的孔隙率.

第二系列中5号样的体密度比4号样者小得多, 而其孔隙率达61%, 吸水率达68%.就孔隙率和吸水率而言, 该材料的特性颇为诱人.

比较第一、二系列的参数发现, 较细的物料(4号样) 生产的材料的孔隙率也可达39.8%, 这为利用细粉煤灰提供了依据, 有利于粉煤灰的处理.

3.   讨论

从表 2和表 3看出, 用粉煤灰做多孔材料是可行的.例如, 不作任何处理的3号样的孔隙率可达45.8%, 而5号样的结果更令人鼓舞, 尽管水在其中的作用尚需进一步研究.以3号样配方板材(1 000 mm×1 000 mm×7 mm) 为例, 生产1 m²的多孔材料可消耗粉煤灰6.84 kg, 则10 000 m²的板材可消耗粉煤灰68.4 t.如果该材料的性能适合用作消、隔音或隔热材料, 那么一项地铁建设需用这种板材300 000 m², 那么此一项工程可消耗粉煤灰2 052 t.则全国各地的高速公路、城市高架道路和城市建设正蓬勃发展, 需要大量合适的多孔隔音隔热材料, 故粉煤灰多孔材料大有用武之地.如果用该材料生产高层建筑的墙砖, 既隔音隔热又质轻, 其粉煤灰的消耗量亦相当可观.表 3的数据还表明, 粉煤灰多孔玻璃材料也可用于农业, 这又是一个能大量消耗粉煤灰的领域.

作者在制作材料时已考虑不造成二次污染, 仅仅利用粉煤灰, 这既符合经济和环境保护的原则, 同时又能大量消耗粉煤灰, 达到治理目的.