基于Rietveld全譜擬合的粉煤灰物相定量研究

唐續(xù)龍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

環(huán)保與綜合利用

基于Rietveld全譜擬合的粉煤灰物相定量研究

唐續(xù)龍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

以金紅石型TiO2為內(nèi)標(biāo)物，借助Maud分析軟件，利用Rietveld全譜擬合方法對(duì)石景山電廠粉煤灰的物相組成進(jìn)行了定量分析。分析結(jié)果表明，所分析粉煤灰中物相由非晶相、莫來(lái)石(Al2.4Si0.6O4.8)，赤鐵礦(Fe2O3)、剛玉(Al2O3)和α-石英(α-SiO2)組成，各物相的質(zhì)量含量分別為：非晶相—63.2%，莫來(lái)石—29.4%，赤鐵礦—1.0%，剛玉—3.8%，α-石英—2.4%。粉煤灰中非晶相與莫來(lái)石是粉煤灰的主要物相組成。

粉煤灰； 物相定量分析； Rietveld全譜擬合

粉煤灰是燃煤電廠生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，其產(chǎn)量約占燃煤總量的5%～20%[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，粉煤灰的綜合利用都是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的重要課題之一，到目前為止粉煤灰已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建材、建工、筑路、農(nóng)業(yè)、化工、高性能陶瓷等眾多領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)粉煤灰的高附加值應(yīng)用，有必要對(duì)粉煤灰的特性進(jìn)行詳細(xì)研究，以便于在粉煤灰的形成、排放和利用等過(guò)程中調(diào)整參數(shù)，提高粉煤灰的品質(zhì)，做到最大限度的合理利用。粉煤灰的礦物組成是粉煤灰品質(zhì)的重要指標(biāo)，對(duì)粉煤灰的礦物組成進(jìn)行定量分析有利于提高粉煤灰的資源化程度。關(guān)于粉煤灰的礦物組成，前人已有較為系統(tǒng)的研究[2]，但尚未有關(guān)于粉煤灰物相定量研究的相關(guān)報(bào)道。近年來(lái)，采用Rietveld全譜擬合的方法進(jìn)行物相定量分析的應(yīng)用越來(lái)越廣，也取得了較為理想的分析效果。Rietveld全譜擬合得到的是樣品中晶體相的相對(duì)含量，對(duì)含有非晶相的樣品難以實(shí)現(xiàn)真正的定量分析。Magdalena等人[3]曾經(jīng)利用內(nèi)標(biāo)物的方法定量分析氧化鋁涂層的物相，取得了較好的分析效果。鑒于粉煤灰中含有較多的非晶相，本文以金紅石型的TiO2為內(nèi)標(biāo)物、使用Rietveld全譜擬合的方法對(duì)粉煤灰的XRD圖譜進(jìn)行定量分析。

1 樣品分析

1.1 試驗(yàn)原料

本文使用的粉煤灰取自石景山火電廠，屬二級(jí)粉煤灰，外觀呈灰黑色。利用X射線熒光光譜儀(X-Ray Fluorescence Spectrometer，XRF，型號(hào)：S4-Explorer)分析其中的元素含量，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，粉煤灰中Fe2O3含量較低，只有3.26%，低于全國(guó)平均值(4%～17%)[4]；SiO2和Al2O3含量較高，(SiO2+Al2O3)約為85%，接近全國(guó)平均值(61%～85%)[4]的上限；CaO為3.57%，小于5%，屬低鈣粉煤灰，燒失量為3.86%，低于國(guó)際一級(jí)灰5%的上限，這表明石景山火電廠的鍋爐燃燒工況控制較好，煤粉燃燒較完全。

表1 粉煤灰的成分 單位：%

將少量粉煤灰鋪在導(dǎo)電膠上壓緊、噴金、然后利用SEM觀看其形貌，如圖1所示。由圖1可以看出，粉煤灰主要由一些大小不一的球形顆粒和少量的不規(guī)則顆粒組成。

圖1 粉煤灰的SEM形貌

利用激光粒度儀對(duì)實(shí)驗(yàn)用粉煤灰進(jìn)行粒度分析，結(jié)果如圖2和表2所示。粉煤灰的粒徑分布在0.5～64.8 μm，平均粒徑為10.5 μm，形狀因子約等于1.0，基本以球形為主，這與掃描電鏡結(jié)果相吻合。

表2 粉煤灰的粒徑分布特征

圖2 粉煤灰的粒徑分布圖

1.2 粉煤灰的物相種類

圖3 粉煤灰的XRD圖譜

粉煤灰的XRD射線衍射結(jié)果如圖3所示。XRD圖譜在20°～30°間有一饅頭峰，說(shuō)明其中含有一定量的非晶相。實(shí)驗(yàn)用粉煤灰的礦物形態(tài)較簡(jiǎn)單，由莫來(lái)石、α-石英、剛玉和赤鐵礦組成，各礦物的參數(shù)見(jiàn)表3所示。

2 定量分析方法

2.1 內(nèi)標(biāo)物的制備

將分析純的無(wú)定形TiO2粉末在1 200 ℃的馬弗爐中焙燒24 h，燒后TiO2的XRD圖譜如圖4所示，可以看出獲得的TiO2為金紅石結(jié)構(gòu)。

表3 粉煤灰各物相的結(jié)構(gòu)信息

圖4 金紅石的XRD圖譜表

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先將粉煤灰在馬弗爐中600 ℃焙燒3 h以脫除水分和殘留炭。然后在瑪瑙研缽中將配制好的金紅石型TiO2和粉煤灰的混合物研磨1 h，制得TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10和0.15的兩個(gè)樣品。

圖5 全譜擬合結(jié)果

將研磨好的試樣做XRD步進(jìn)掃描(掃描2θ范圍：10°～70°、步進(jìn)速度：0.03°/s 、每步停留時(shí)間：2 s)，獲得混合物的XRD數(shù)據(jù)。將獲得的XRD數(shù)據(jù)在Maud軟件平臺(tái)上進(jìn)行Rietveld全譜擬合。

利用式(1)計(jì)算粉煤灰的非晶相含量：

(1)

式中：wcag——粉煤灰中非晶相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wTi——XRD試樣中TiO2所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wRu——全譜擬合得到的金紅石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wtg——TiO2中的非晶相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

利用式(2)計(jì)算粉煤灰中其它物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

(2)

式中：wcai——粉煤灰中某物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wi——全譜擬合得到的某物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 定量分析結(jié)果

全譜擬合結(jié)果如表4和圖5所示，由圖5可以看出，Rietveld全譜擬合效果比較理想。由表4可以看出，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10和0.15的內(nèi)標(biāo)物獲得的物相組成相差較小，說(shuō)明全譜擬合結(jié)果比較可靠。粉煤灰中非晶相含量為63.2%，莫來(lái)石含量為29.4%，赤鐵礦含量為1.0%，剛玉含量為3.8%，石英含量為2.4%。粉煤灰中非晶相與莫來(lái)石含量之和為92.6%，是粉煤灰的主要物相組成。

表4 全譜擬合結(jié)果 單位：%

根據(jù)質(zhì)量守恒可計(jì)算出粉煤灰中非晶相的平均成分，如表5所示。由表可以看出，非晶相中主要以SiO2、Al2O3為主。

表5 粉煤灰中非晶相的平均成分 單位：%

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電廠粉煤燃燒所產(chǎn)生的粉煤灰采用Rietveld全譜擬合物相定量分析研究，加快了分析速度，提高了分析質(zhì)量及準(zhǔn)確度。對(duì)于銅、鉛、鋅等有色金屬冶煉廠的粉煤車間產(chǎn)生的煤粉，可借鑒此法對(duì)燃燒后的煤粉灰進(jìn)行物相分析，以提高熔煉爐渣組成分析的精確度。

[1] 慶承松, 任升蓮, 宋傳中. 電廠粉煤灰的特征及其綜合利用[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2003,26(4):529-533.

[2] 錢覺(jué)時(shí), 王智，吳傳明. 粉煤灰的礦物組成(下)[J]. 粉煤灰綜合利用, 2001(4):24-28.

[3] Gualtieri M L, Prudenziati M, Gualtieri a F. Quantitative determination of the amorphous phase in plasma sprayed alumina coatings using the Rietveld method[J]. Surface & Coatings Technology, 2006,201(6):2984-2989.

[4] 黃蕾, 沈莽庭，聶榮, 等. 云天化粉煤灰理化性能的測(cè)試及研究[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2003,29(1):1-4.

QuantitativeAnalysisofMineralPhaseinFlyAshBasedonRietveldWholePatternFitting

TANG Xu-long

The mineralogy of Shijingshan fly ash has been evaluated in terms of quantitative analysis based on Rietveld method, which analysis is carried by using rutile TiO2as internal standard and Maud analysis software. The results show that Shijingshan fly ash consist of amorphous phase, mullite(Al2.4Si0.6O4.8), hematite(Fe2O3), alumina(Al2O3) and α-quartz (α-SiO2) . Each of phases’ weight composition (%) separately is: amorphous phase 63.2%, mullite 29.4%, hematite 1.0%, corundum 3.8% and α-quartz 2.4%. Amorphous phase and mullite are the major mineral phases in fly ash.

fly ash; quantitative analysis of mineral phase; Rietveld method

2014-10-16

唐續(xù)龍(1984—)，男，湖南永州人，博士，工程師，從事有色冶金設(shè)計(jì)、咨詢工作。

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1008-5122(2015)01-0048-04