粉煤灰資源化及綜合利用可持續(xù)發(fā)展的研究

摘要：指出了隨著時(shí)代的發(fā)展，粉煤灰的利用越來(lái)越廣泛，但隨之出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，當(dāng)時(shí)人們還沒有可持續(xù)發(fā)展的觀念，粉煤灰的綜合利用沒有形成規(guī)模，且技術(shù)落后，產(chǎn)品并沒有達(dá)到預(yù)期效果。提出了粉煤灰資源化是粉煤灰綜合利用的前提條件，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品是粉煤灰綜合利用的重要方向，最終要實(shí)現(xiàn)粉煤灰綜合利用的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：粉煤灰資源化;高附加值;綠色節(jié)能;可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：TQ536.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2020）03-0195-02

1 引言

粉煤灰的數(shù)量相當(dāng)龐大，全球每年約有18億t粉煤灰產(chǎn)生，由于粉煤灰的物理化學(xué)特性，人們對(duì)它的使用也越來(lái)越廣泛，對(duì)其研究也越來(lái)越深入，逐漸從實(shí)驗(yàn)室的理論研究發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用和工程建設(shè)。

粉煤灰綜合利用主要有以下幾個(gè)方面：①生產(chǎn)建筑材料;②建設(shè)工程方面的應(yīng)用;③農(nóng)林牧業(yè)中的應(yīng)用;④污水處理中的應(yīng)用;⑤粉煤灰生產(chǎn)沸石;⑥制備微晶玻璃;⑦粉煤灰提取有用礦物及制備硅鋁合金等。雖然粉煤灰利用范圍比較廣泛，但是粉煤灰在我國(guó)的利用率依然很低，隨著研究的不斷深入，越來(lái)越發(fā)現(xiàn)粉煤灰的利用價(jià)值有很大的開發(fā)利用空間。國(guó)家建設(shè)發(fā)展對(duì)于水泥和墻體材料的用量逐漸增加，將粉煤灰用作建筑材料可以有效緩解建材市場(chǎng)的壓力。

2 粉煤灰資源化利用

粉煤灰排量非常龐大，高達(dá)20億t，面對(duì)如此巨大排量的粉煤灰，我國(guó)對(duì)于其利用只有28%～40%，大部分只能堆放存貯或者用于簡(jiǎn)單的充填，后續(xù)維護(hù)工作更加繁瑣，加強(qiáng)粉煤灰資源化工作和資源高效率利用是實(shí)現(xiàn)粉煤灰可持續(xù)利用發(fā)展的開始，人們還需充分認(rèn)識(shí)粉煤灰的潛在活性，樹立粉煤灰資源化觀念，不斷推進(jìn)粉煤灰資源化工作。

2.1 提高粉煤灰排放標(biāo)準(zhǔn)

粉煤灰本身并不等于資源，只有將其進(jìn)行一定處理才能成為資源，但并不是所有粉煤灰都能進(jìn)行資源化，只有達(dá)到一定品質(zhì)，才能成為資源。而目前粉煤灰排放多是從環(huán)境保護(hù)和電力成本考慮，對(duì)粉煤灰的品質(zhì)考慮較少，不利于粉煤灰的資源化，從粉煤灰建材資源化角度看，有很大的必要提高粉煤灰排放標(biāo)準(zhǔn)，使排放出的粉煤灰質(zhì)量能夠滿足資源化的要求。

2.2 粉煤灰資源化改進(jìn)方向

2.2.1 改性粉煤灰做水泥摻和料

利用粉煤灰生產(chǎn)水泥是國(guó)內(nèi)外綜合利用途經(jīng)中的一種，為提高粉煤灰資源化的利用率，需要對(duì)粉煤灰原料進(jìn)行一定的預(yù)處理。徐子芳[1]將超細(xì)粉煤灰、黏土、煤研石按照一定的比例制備成實(shí)驗(yàn)試塊，同時(shí)用粉煤灰代替超細(xì)粉煤灰做了一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用超細(xì)粉煤灰制作的試塊抗壓強(qiáng)度為MU30優(yōu)質(zhì)品，超細(xì)粉煤灰活性較大，在燒結(jié)后，體積密度大，吸水率小，體內(nèi)氣孔減少，提高了導(dǎo)熱效率，熱穩(wěn)定性良好。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的過(guò)程中，將粉煤灰超細(xì)化處理作為水泥摻和料，經(jīng)破碎后，其表面產(chǎn)生一些缺陷，與水的接觸面積增大，有利于將其內(nèi)部的活性成分與晶體相打散、剝離，而且可以提升粉煤灰水泥材料的早期力學(xué)性能。

2.2.2 粉煤灰免燒磚

我國(guó)房屋墻體材料70%是用黏土磚，黏土磚的大量使用使我國(guó)墻體材料的生產(chǎn)能耗增加，同時(shí)加劇能源供需矛盾，而粉煤灰免燒磚的制作相對(duì)比黏土磚要簡(jiǎn)單，且能夠消耗大量的粉煤灰，節(jié)約能源。胡維新等[2]用電石渣33%、粉煤灰42%、水泥25%等原料攪拌均勻，采用最佳配比，振搗成型，單塊磚的最小抗壓強(qiáng)度大于10MPa，總體性能達(dá)到JC239-2001《粉煤灰磚》標(biāo)準(zhǔn)要求。嚴(yán)巖就免燒磚原材料進(jìn)行了詳細(xì)的分析，水泥是強(qiáng)化免燒磚力學(xué)性能的重要材料，免燒磚追求制作工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保、廉價(jià)等特點(diǎn)，需要在保證免燒磚強(qiáng)度的前提下，將水泥的摻量控制在最優(yōu)。若粉煤灰中CaO含量高于3%，且同時(shí)有S_iO₂的存在，就使粉煤灰本身具有一定的水硬膠凝性能，單一的粉煤灰還可以與助凝劑、環(huán)保材料相結(jié)合，進(jìn)一步保證免燒磚的質(zhì)量。

2.2.3 粉煤灰提取白炭黑

白炭黑別名水合二氧化硅，可以生產(chǎn)橡膠制品、醫(yī)藥、食品添加劑及日用化工等領(lǐng)域，而大部分粉煤灰中含量居于首位的就是S_iO₂，是制備白炭黑的優(yōu)質(zhì)原材料，實(shí)現(xiàn)了粉煤灰資源化利用。常用的方法有沉淀法、碳分法、氣相法等。

沉淀法的研究較早，生產(chǎn)的白炭黑粒徑較大，活性較小，主要方法是：①對(duì)粉煤灰預(yù)處理后堿溶，得到硅酸鹽溶液，通過(guò)控制溶液pH值，制備硅膠液，陳化、過(guò)濾、烘干后制得白炭黑;②粉煤灰和堿性活化劑（如Na₂CO₃，CaCO₃等）混勻，進(jìn)行緞燒后，熱溶于濃鹽酸，陳化后得到硅酸沉淀。

碳分法采用分步碳分法去除雜質(zhì)，是在沉淀法的基礎(chǔ)上優(yōu)化了工藝，沉淀白炭黑，相比沉淀法，白炭黑的純度有了更大的提高。

氣相法主要流程為：將硅化合物通過(guò)H、O燃燒，再分離出粒度分布大的顆粒，最后脫酸，制備氣相白炭黑，徐吉明等研究采用氟化鈣和濃硫酸與焙燒過(guò)的粉煤灰在加熱的條件下直接反應(yīng)，生成SiF₄氣體，如式（1），再通入有一定濃度的乙醇水溶液中水解，得到品質(zhì)純度高的白炭黑。

2.2.4 粉煤灰制農(nóng)業(yè)化肥

在當(dāng)前，人們?yōu)榱颂岣呒Z食蔬菜的產(chǎn)量，肆意施用氮肥等化學(xué)肥料，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)極大的危害，同時(shí)造成了土壤肥力減小、肥效降低。硅肥能夠改善果品糧食蔬菜品質(zhì)的作用。目前，粉煤灰硅肥主要分為3種：硅酸鹽微肥、粉煤灰硅鉀肥和粉煤灰硅鈣肥3種。粉煤灰具有較強(qiáng)的吸附作用，是因?yàn)樗念w粒形貌和化學(xué)組成，利用其吸附性，按比例將N、P、K等肥料和粉煤灰混合，配制成不同的粉煤灰復(fù)合肥。其次，粉煤灰中S;Oz的含量是最多的，高達(dá)52%～60%，如果直接將粉煤灰灑在農(nóng)田作物上，能夠起到的效果僅為1%～2%，而粉煤灰硅肥可提高溶性硅含量，粉煤灰中的S_iO₂與物料中的堿性氧化物就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，繼而生成硅酸鹽。

2.3 開發(fā)超細(xì)研磨技術(shù)設(shè)備和工藝

研究表明，粉煤灰細(xì)度是影響其活性的最主要因素[3]，粉煤灰粉磨和超細(xì)粉磨是提高粉煤灰細(xì)度的有效途徑，將粉煤灰超細(xì)粉磨至硅灰細(xì)度或更細(xì)，將極大提高粉煤灰的活性和其它性能，可替代硅灰配制高性能混凝土和制造其它特殊功能材料，增大粉煤灰的資源化利用范圍和數(shù)量?，F(xiàn)有超細(xì)粉磨設(shè)備和工藝存在許多不足，研究和開發(fā)新的滿足粉煤灰超細(xì)粉磨要求的設(shè)備和工藝是急待解決的技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題。

當(dāng)前，須進(jìn)一步加強(qiáng)宣傳教育，使人們充分認(rèn)識(shí)粉煤灰的潛在活性在建筑工程材料中的價(jià)值及其與建筑工程材料可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，樹立粉煤灰資源化觀念，不斷推進(jìn)粉煤灰建材資源化工作。

3 高附加值利用

3.1 制備輕骨料

目前，建筑工業(yè)為了能夠減輕建筑物自重，減少建材的用量，使工程造價(jià)降低，提高機(jī)械化施工程度，對(duì)新型墻體材料的要求也發(fā)生了變化，逐漸向輕質(zhì)、高強(qiáng)、預(yù)制和大面積的方向發(fā)展，綠色節(jié)能、容重輕、耐沖擊力強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)人造輕骨料研制成為建材開發(fā)的有個(gè)新熱點(diǎn)。

日本用粉煤灰制造燒結(jié)輕骨料，先測(cè)定了粉煤灰中可燃物的含量，若該含量低于4%～8%（重量），則需要加入一定量的燃料。在粉煤灰中加入5%～15%的氧化鐵，混合后即可燒結(jié)成輕骨料。而美國(guó)生產(chǎn)的不燒結(jié)粉煤灰輕骨料所用原料為粉煤灰、水泥、填料、水、外加劑。將上述原料研磨成顆粒狀，在含氧氣體中，低于150℃溫度下固化。我國(guó)生產(chǎn)輕骨料主要有三個(gè)方法：①焙燒法生產(chǎn)粉煤灰陶粒;②蒸養(yǎng)法生產(chǎn)粉煤灰陶粒;③非鍛燒法生產(chǎn)粉煤灰陶粒，這三種方法生產(chǎn)的粉煤灰陶粒及其生產(chǎn)過(guò)程都各有特點(diǎn)，從用灰量和制作工藝來(lái)看，非鍛燒法生產(chǎn)的粉煤灰陶粒優(yōu)勢(shì)都比較明顯，其粉煤灰用量高達(dá)90%，工藝主要是以粉煤灰為主，只需要摻加適量的激發(fā)劑（作用是激發(fā)粉煤灰的活性），經(jīng)配料、攪拌、研磨（細(xì)加工）、成球、自然養(yǎng)護(hù)，最終得到陶粒[5]。

3.2 制微晶玻璃

微晶玻璃（又稱玻璃陶瓷）是一類重要的無(wú)機(jī)非金屬材料，具有豐富的色澤和良好的質(zhì)感，高強(qiáng)度的破裂安全性使它在受到強(qiáng)烈沖擊后造成的裂口遲鈍不傷手。它在建筑裝飾、機(jī)械工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航天工業(yè)、核工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。封鑒秋等[4]以鋼渣和粉煤灰為主要原料制備微晶玻璃材料，鋼渣與粉煤灰的摻量可達(dá)80%，其中鋼渣用量為50%。最佳的工藝參數(shù)為：基礎(chǔ)玻璃的熔制溫度1450℃，核化溫度750℃，晶化溫度904℃，核化和晶化時(shí)間1.5h。

3.3 提煉氧化鋁

為緩解中國(guó)鋁資源短缺等問(wèn)題，同時(shí)減少粉煤灰的堆積量、改善環(huán)境，從粉煤灰中提取氧化鋁成為必須要做的事情。通過(guò)調(diào)查，得知在多數(shù)電廠出產(chǎn)的粉煤灰中， Al₂O₃的含量基本在30%以上，有的電廠粉煤灰中Al₂O₃含量高達(dá)50.71%，其含量已經(jīng)達(dá)到我國(guó)中級(jí)鋁土礦的品位。

從粉煤灰中提取鋁鹽或氧化鋁的方法可以用燒結(jié)法、酸法等其他方法。燒結(jié)法是將粉煤灰和燒結(jié)劑在高溫條件下反應(yīng)生成可溶性的鋁鹽，然后通過(guò)NaCO₃溶液浸出，最終變成不溶的2CaO·SiO₂和易溶于碳酸鈉溶液的12CaO·7Al₂O₃，從而實(shí)現(xiàn)硅鋁的分離。其過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕，但該過(guò)程容易產(chǎn)生較多的廢棄物，如鈣硅渣等。劉蓮花在原有方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，為了增強(qiáng)其分散性，在水中加入了分散劑，將粉煤灰進(jìn)行超細(xì)化研磨提高其活性，最終獲得了含量約70%的Al₂O₃，與傳統(tǒng)方法相比，大幅度降低了污染量、殘?jiān)亢湍芎牧?，?jié)約了生產(chǎn)成本。相比燒結(jié)法，酸法的成本較低，無(wú)需脫硅工藝，分離硅和鋁產(chǎn)生的廢渣少，但是對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求比較嚴(yán)格[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐子芳.解一涵.超細(xì)粉煤灰燒結(jié)性能機(jī)理研究[J].非金屬礦，2018，41（2）：7～10.

[2]胡維新，章天剛，張效忠.的電石渣—粉煤灰新型環(huán)保免燒磚的配比及力學(xué)性能研究[J].化工新材料，2011.8，39（8）：84～85.

[3]范金生.粉煤灰輕骨料的生產(chǎn)與應(yīng)用[J].山東建材，2014.

[4]易龍生.王浩，王鑫，等.粉煤灰建材資源化的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2012，31（1）：88～91.

[5]陳明宇.綠色混凝土的發(fā)展與應(yīng)用[J].山東建筑，2013，39（27）：92～93.

收稿日期：2020-01-06

作者簡(jiǎn)介：李庭月（1994-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V產(chǎn)資源綜合利用。