粉煤灰和污水處理廠污泥單組分地聚物混合物設(shè)計(jì)研究

李 波，周旭盛，陳芝海

（1.杭州達(dá)康環(huán)境工程有限公司，浙江 杭州 310052；2.溫州金源海拓環(huán)境技術(shù)有限公司，浙江 溫州 325000；3.浙江偉明環(huán)保股份有限公司，浙江 溫州 325000）

人類進(jìn)入21 世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展指引著科學(xué)技術(shù)研究的前進(jìn)方向[1]。伴隨著工業(yè)化進(jìn)行的不斷深化，資源與能源消耗加速，以及隨之產(chǎn)生大量的工業(yè)廢物，這些廢物的循環(huán)利用和合理處理處置已成為重要研究課題[2]。因此，在建筑領(lǐng)域，尋找環(huán)保綠色替代品是現(xiàn)代建筑材料研究和開發(fā)的方向。據(jù)相關(guān)學(xué)者測(cè)算，建筑業(yè)能耗占全球能源消耗40%以上，CO2排放量顯著高于交通運(yùn)輸業(yè)等其它行業(yè)[3]。盡管如此，我國建筑業(yè)對(duì)資源和能源的需求仍在持續(xù)高速增長[4]。因此，尋求可持續(xù)循環(huán)環(huán)保建筑材料來取代目前使用的非生態(tài)環(huán)境友好型材料，減少CO2生態(tài)足跡顯得尤為必要且迫切。

地質(zhì)聚合物是一種無機(jī)粘合劑，由固體Al2O3和含硅材料（通常來源于工業(yè)廢料）的堿性活化形成[5]。目前，地質(zhì)聚合物已成為一種潛在的混凝土粘合劑-普通硅酸鹽水泥（OPC）的環(huán)保替代品。據(jù)相關(guān)報(bào)道[6,7]，地質(zhì)聚合物生產(chǎn)可將傳統(tǒng)水泥熟料的CO2排放量控制在60%～80%。此外，由于獨(dú)特的耐熱性和耐火性，地質(zhì)聚合物在其他領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[8]。以往的研究表明，泡沫混凝土的脆性不適合彎曲和擠壓載荷。纖維加固通常通過允許荷載傳遞和裂縫橋接來提高機(jī)械強(qiáng)度[9]。膠凝材料中常用的增強(qiáng)纖維包括鋼纖維和聚合物纖維[10]。天然纖維以其固有的力學(xué)性能、低密度、低成本、豐富性和生物可降解性，近年來得到了廣泛的應(yīng)用[11]。

粉煤灰（FA）是燃煤火力發(fā)電廠的副產(chǎn)品[12]。它含有大比例的反應(yīng)性硅酸鹽和鋁酸鹽，可用作地質(zhì)聚合物前體，與堿活化劑溶液反應(yīng)形成無機(jī)聚合物網(wǎng)絡(luò)。已發(fā)現(xiàn)基于FA 的地質(zhì)聚合物具有優(yōu)越的建筑應(yīng)用強(qiáng)度[13]。水處理污泥（WTS）是來自城鎮(zhèn)污水處理廠的殘留物。在環(huán)境監(jiān)管范疇劃為非危險(xiǎn)廢物，通常被棄置于垃圾填埋場(chǎng)或者焚燒無害化、減量化處理[14]。然而，WTS 可能適用于巖土材料的制造。例如，WTS 在基于FA 的地質(zhì)聚合物中用作輕質(zhì)骨料。

本文設(shè)計(jì)了一種由粉煤灰和水處理污泥組成的單組分地質(zhì)聚合物材料，逐步回歸分析評(píng)估每種組分之間的相互作用。運(yùn)用最高壓縮強(qiáng)度和最小容重的響應(yīng)面分析，尋找最佳配比。為粉煤灰和水處理污泥地質(zhì)聚合物在建筑行業(yè)的應(yīng)用提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和設(shè)備

粉煤灰取自浙江某發(fā)電廠，無需任何預(yù)處理即可使用；水處理污泥取自浙江溫州某污水處理廠，將濕污泥在105℃下干燥過夜，使用研磨機(jī)研磨10,000 次；優(yōu)級(jí)純的無水NaOH（99%）和無水鋁酸鈉（NaAlO2）用作活化劑，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；美國密理博公司Milli-Q Academic 制備實(shí)驗(yàn)室超純水。

SU3500 型掃描電子顯微鏡（TEM）（日立高科技有限公司）。

1.2 地質(zhì)聚物的合成方法

FA 和 WTS 混合物被固體 NaOH 和 NaAlO2活化。使用固體活化劑創(chuàng)建單組分地質(zhì)聚合物系統(tǒng)，可以解決在兩部分地質(zhì)聚合物系統(tǒng)中使用腐蝕性和粘性堿活化劑溶液的缺點(diǎn)[15]。地質(zhì)聚合物通常由兩部分制成，即通常來自工業(yè)副產(chǎn)物的硅鋁酸鹽固體和堿活化劑。

在機(jī)械攪拌器中將FA 與WTS 混合。將固體NaOH 和NaAlO2加入到原料中并連續(xù)混合1min。之后，將水倒入固體混合物中，使用機(jī)械混合器進(jìn)行混合 10～30min。將糊狀物倒入 50×50×50mm 的模具中。鋼模預(yù)先涂上潤滑脂，以便更容易脫模。為了防止堿活化樣品表面碳化，所有立方塊都保存在塑料袋中。在室溫下固化21d，測(cè)試抗壓強(qiáng)度和容重測(cè)定。

表1 兩種地聚物的混合成份Tab.1 Mixed components of two geopolymers

1.3 混料設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析

混合物設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中所有因素都是混合物的組分。每種組分的比例在表1 所示的范圍內(nèi)變化?；诔醪綄?shí)驗(yàn)，NaAlO2和NaOH 的百分比之和不應(yīng)超過15%。運(yùn)用Design-Expert V8.06軟件混料設(shè)計(jì)，選擇了30 種不同的組合，以適應(yīng)完整的立方體模型。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照ASTM C109 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[16]。測(cè)量樣本的尺寸，使用壓縮和彎曲試驗(yàn)機(jī)測(cè)試50mm 立方體。暴露于該力的兩個(gè)表面都被拋光以避免在測(cè)試過程中的高偏差。加載速度固定在0.35kPa·s-1，記錄結(jié)果。計(jì)算每次運(yùn)行的3次重復(fù)的平均值。

以最高抗壓強(qiáng)度和最低容重作為最佳混料配比目標(biāo)，應(yīng)用期望函數(shù)進(jìn)行多響應(yīng)面分析。期望函數(shù)di是響應(yīng)變量到0 到1 比例的變換。響應(yīng)0 表示完全不合需要的響應(yīng)，1 表示最理想的響應(yīng)。如果對(duì)所有響應(yīng)進(jìn)行同等評(píng)估，則總體滿意度函數(shù)計(jì)算如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰與污泥地質(zhì)聚合物性質(zhì)

圖1、2 顯示了抗壓強(qiáng)度和單位重量隨粉煤灰比例變化的趨勢(shì)。

圖1 FA 含量與材料抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between FA content and compressive strength

圖2 FA 含量與材料容重的關(guān)系Fig.2 Relationship between FA content and material bulk density

總的來說，較高的FA 導(dǎo)致部分強(qiáng)鏈聚合物的體積密度較大。由于FA 是燃煤過程的副產(chǎn)品，已經(jīng)在高溫下熱激活，因此，較高的FA 用量增加了反應(yīng)相比例，從而提高了地聚反應(yīng)速率，增強(qiáng)了地聚物基體。但隨著前驅(qū)體濃度的增加，F(xiàn)A 膠凝材料的密度增大。另一方面，WTS 對(duì)混合物的影響是降低地聚合物產(chǎn)品的體積密度。

圖3 WTS 含量與材料抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between WTS content and compressive strength of materials

圖4 WTS 含量與材料容重的關(guān)系Fig.4 Relationship between WTS content and material bulk density

如圖3、4 所示，WTS 比例的增加導(dǎo)致地聚合物單位重量的降低。然而，較高的WTS 百分比降低了產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度。若無添加WTS，粘合劑的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到20 MPa 以上。同時(shí)，添加30%的污泥導(dǎo)致低強(qiáng)度樣品（<5MPa）。正如之前相關(guān)學(xué)者文獻(xiàn)報(bào)道所觀察到的，在粉煤灰地質(zhì)聚合物中充當(dāng)輕集料的WTS 似乎是相對(duì)不活躍的[17]。

2.2 響應(yīng)面法混料設(shè)計(jì)優(yōu)化配比

使用Design-Expert V8.06 軟件進(jìn)行混料設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，將FA、WTS、NaOH 三者所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置見表2。

表2 三組分混料設(shè)計(jì)各組分占比設(shè)置Tab.2 Proportion setting of each component in three component mixture design

經(jīng)過13 組實(shí)驗(yàn)，分別獲得每組樣品的抗壓強(qiáng)度和容重，結(jié)果見表3。

表3 混料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Tab.3 Experimental results of mixture design

經(jīng)過擬合獲得抗壓強(qiáng)度和容重的回歸方程，式（2）、式（3）：

根據(jù)式（3）、式（4）設(shè)置最高抗壓強(qiáng)度，最小容重進(jìn)行尋優(yōu)；尋優(yōu)結(jié)果見圖3。綜合響應(yīng)分析得出混料設(shè)計(jì)地質(zhì)聚物的最佳組成為72.3%FA、21.7%WTS、6% NaOH。根據(jù)ASTM C129 標(biāo)準(zhǔn)，最佳成分的抗壓強(qiáng)度值為1.09 MPa，產(chǎn)品容重1877.7kg·m-3在中等磚重范圍內(nèi)。

2.3 粉煤灰水處理污泥地質(zhì)聚合物SEM 圖

通過2.2 混料設(shè)計(jì)，在最佳配比條件下，制得混合材料的掃描電鏡見圖5。

圖5 地質(zhì)聚合物平行樣SEM 圖Fig.5 SEM of geopolymer parallel sample

由圖5 發(fā)現(xiàn)，顯示混合地質(zhì)聚合物較其單一組分有較大變化。兩個(gè)平行樣品中，F(xiàn)A 的微球形狀已很難找到。同時(shí)，SEM 圖像顯示了混料地質(zhì)聚合物經(jīng)過研磨后的細(xì)小顆粒。究其原因，NaOH 加入混料中可能削弱了FA 的球體結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

研究表明，粉煤灰（CFA）和水處理污泥（WTS）可作為一種單組分的地質(zhì)聚合物建筑用粘結(jié)劑。實(shí)驗(yàn)的混合料設(shè)計(jì)表明，隨著FA 含量的增加，抗壓強(qiáng)度提高，F(xiàn)A 是一種良好的地質(zhì)聚合物基材料。向混合物中添加WTS 可降低粘合劑的單位重量，但也會(huì)降低產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度。在抗壓強(qiáng)度最大、單位重量最小的混料設(shè)計(jì)分析中，給出了FA 72.3%、WTS 21.7%、NaOH 6%的最佳組成。最佳組合的抗壓強(qiáng)度和容重分別為 1.09MPa 和 1877.7kg·m-3。