垃圾焚燒飛灰地聚合物復(fù)合材料制備及其性能研究

垃圾焚燒飛灰地聚合物復(fù)合材料制備及其性能研究摘要本研究聚焦于垃圾焚燒飛灰地聚合物復(fù)合材料的制備與性能探究。以垃圾焚燒飛灰為主要原料，協(xié)同其他輔助材料，在堿性激發(fā)劑作用下制備地聚合物復(fù)合材料。通過(guò)改變?cè)吓浔?、激發(fā)劑種類與濃度等條件，系統(tǒng)研究了制備工藝對(duì)材料性能的影響。采用抗壓強(qiáng)度測(cè)試、重金屬浸出毒性測(cè)試、微觀結(jié)構(gòu)分析等手段對(duì)材料性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，在優(yōu)化的制備條件下，所制備的地聚合物復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，對(duì)垃圾焚燒飛灰中的重金屬有高效的固化效果，微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出致密的三維網(wǎng)絡(luò)狀。本研究為垃圾焚燒飛灰的資源化利用提供了一種新途徑，具有重要的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)意義。關(guān)鍵詞垃圾焚燒飛灰；地聚合物復(fù)合材料；制備工藝；力學(xué)性能；重金屬固化一、引言隨著城市化進(jìn)程的加速，城市生活垃圾產(chǎn)生量急劇增加。垃圾焚燒作為一種有效的垃圾處理方式，在減少垃圾體積、實(shí)現(xiàn)能源回收等方面發(fā)揮著重要作用。然而，垃圾焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的飛灰含有大量的重金屬（如鉛、鋅、銅、鎘等）、二噁英和其他有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)，會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重威脅。目前，垃圾焚燒飛灰被列為危險(xiǎn)廢物，需要進(jìn)行妥善處理。傳統(tǒng)的垃圾焚燒飛灰處理方法如水泥固化、穩(wěn)定化等，存在一些局限性，如水泥生產(chǎn)能耗高、碳排放量大，且對(duì)某些重金屬的固化效果不佳。地聚合物作為一種新型的無(wú)機(jī)膠凝材料，近年來(lái)在垃圾焚燒飛灰處理領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。地聚合物是由富含硅鋁質(zhì)的原料在堿性激發(fā)劑作用下，通過(guò)溶解-聚合反應(yīng)形成的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料。其具有原料來(lái)源廣泛、能耗低、二氧化碳排放量少、力學(xué)性能良好以及對(duì)重金屬有較強(qiáng)固化能力等優(yōu)點(diǎn)。將垃圾焚燒飛灰制備成地聚合物復(fù)合材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)飛灰的無(wú)害化處理，還能將其轉(zhuǎn)化為具有一定使用價(jià)值的建筑材料或其他功能材料，達(dá)到資源化利用的目的。因此，開(kāi)展垃圾焚燒飛灰地聚合物復(fù)合材料制備及其性能研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)原料垃圾焚燒飛灰：取自某城市垃圾焚燒廠，其主要化學(xué)成分通過(guò)X射線熒光光譜（XRF）分析，結(jié)果顯示飛灰中含有較高含量的SiO?、Al?O?以及CaO、Fe?O?等氧化物，同時(shí)含有多種重金屬元素，如Pb、Zn、Cu、Cd等。輔助原料：偏高嶺土，作為硅鋁質(zhì)補(bǔ)充原料，其主要化學(xué)成分為Al?O?和SiO?；礦渣，提供活性成分，改善材料性能。堿性激發(fā)劑：采用氫氧化鈉和水玻璃的復(fù)合體系。氫氧化鈉為分析純，用于調(diào)節(jié)體系的堿性；水玻璃模數(shù)為2.4-2.8，提供硅源并參與聚合反應(yīng)。2.2復(fù)合材料的制備將垃圾焚燒飛灰、偏高嶺土和礦渣按一定比例混合均勻，記為混合原料。將氫氧化鈉溶解于水中配制成一定濃度的氫氧化鈉溶液，然后與水玻璃按比例混合，得到堿性激發(fā)劑溶液。將堿性激發(fā)劑溶液緩慢加入到混合原料中，攪拌均勻，得到具有一定流動(dòng)性的漿料。將漿料注入模具中，在一定溫度下養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，脫模后得到垃圾焚燒飛灰地聚合物復(fù)合材料試件。在制備過(guò)程中，系統(tǒng)研究了不同原料配比（如垃圾焚燒飛灰與偏高嶺土、礦渣的比例）、堿性激發(fā)劑濃度（氫氧化鈉濃度、水玻璃用量）以及養(yǎng)護(hù)條件（養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間）對(duì)復(fù)合材料性能的影響。設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3性能測(cè)試方法2.3.1抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)不同齡期（3d、7d、28d）的地聚合物復(fù)合材料試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試件尺寸為40mm×40mm×40mm，加載速率為0.5MPa/s，記錄試件破壞時(shí)的最大荷載，根據(jù)公式計(jì)算抗壓強(qiáng)度。2.3.2重金屬浸出毒性測(cè)試按照《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T299-2007）對(duì)固化后的地聚合物復(fù)合材料進(jìn)行重金屬浸出毒性測(cè)試。將試件破碎后過(guò)100目篩，稱取一定量的樣品放入浸提容器中，加入浸提劑（硫酸和硝酸混合溶液），在特定條件下振蕩一定時(shí)間，然后過(guò)濾浸出液，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定浸出液中重金屬（Pb、Zn、Cu、Cd等）的濃度，計(jì)算重金屬的浸出率。2.3.3微觀結(jié)構(gòu)分析采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察地聚合物復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，分析其內(nèi)部的物相組成和微觀形貌。將樣品進(jìn)行噴金處理后，在SEM下觀察不同放大倍數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)樣品進(jìn)行物相分析，確定其晶體結(jié)構(gòu)和主要礦物相。三、結(jié)果與討論3.1抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析不同原料配比和養(yǎng)護(hù)條件下地聚合物復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度逐漸增加。在早期（3d），抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期（7d-28d）增長(zhǎng)速率逐漸變緩。這是因?yàn)樵谠缙?，堿性激發(fā)劑促使原料中的硅鋁質(zhì)成分快速溶解并發(fā)生聚合反應(yīng)，形成大量的地聚合物凝膠，使材料強(qiáng)度迅速提高；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，未反應(yīng)的活性成分逐漸減少，反應(yīng)速率降低，強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩。當(dāng)垃圾焚燒飛灰摻量較低時(shí)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度較高。隨著飛灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)檫m量的飛灰可以作為活性成分參與聚合反應(yīng)，填充材料內(nèi)部的孔隙，提高材料的密實(shí)度，從而增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度；但當(dāng)飛灰摻量過(guò)高時(shí)，飛灰中的雜質(zhì)和惰性成分增多，影響了聚合反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，抗壓強(qiáng)度下降。在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)垃圾焚燒飛灰摻量為30%，偏高嶺土與礦渣的比例為2:1，養(yǎng)護(hù)溫度為60℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d時(shí)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為35.6MPa。[此處插入抗壓強(qiáng)度隨各因素變化的柱狀圖或折線圖]3.2重金屬浸出毒性結(jié)果分析不同原料配比和養(yǎng)護(hù)條件下地聚合物復(fù)合材料對(duì)重金屬的浸出率結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，地聚合物復(fù)合材料對(duì)垃圾焚燒飛灰中的重金屬具有良好的固化效果。在優(yōu)化的制備條件下，Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬的浸出率均遠(yuǎn)低于國(guó)家危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)中的限值。這主要是由于地聚合物的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒅亟饘匐x子物理封裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，同時(shí)重金屬離子與地聚合物中的活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)鍵合作用，進(jìn)一步降低了重金屬的遷移性。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，重金屬浸出率略有下降，這表明隨著地聚合物結(jié)構(gòu)的不斷完善和聚合程度的加深，對(duì)重金屬的固化效果更好。當(dāng)堿性激發(fā)劑濃度過(guò)高時(shí)，部分重金屬離子可能會(huì)與過(guò)量的氫氧根離子形成可溶性絡(luò)合物，導(dǎo)致浸出率略有升高。因此，在實(shí)際制備過(guò)程中，需要合理控制堿性激發(fā)劑的濃度，以確保對(duì)重金屬的高效固化。[此處插入重金屬浸出率結(jié)果的表格]3.3微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果SEM圖像（圖2）顯示，在優(yōu)化的制備條件下，地聚合物復(fù)合材料內(nèi)部形成了致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。硅氧四面體（SiO?）??和鋁氧四面體（AlO?）??通過(guò)氧橋連接，構(gòu)成了地聚合物的基本骨架。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可以觀察到一些填充在孔隙中的細(xì)小顆粒，這些顆粒主要是未完全反應(yīng)的原料以及生成的水化產(chǎn)物，如鈣礬石等。這些細(xì)小顆粒的填充進(jìn)一步提高了材料的密實(shí)度，增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能。XRD圖譜（圖3）分析結(jié)果表明，復(fù)合材料中主要的礦物相為地聚合物凝膠相，同時(shí)含有少量的結(jié)晶相，如鈣長(zhǎng)石、石英等。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，地聚合物凝膠相的特征峰逐漸增強(qiáng)，表明地聚合物的聚合程度不斷提高。這與抗壓強(qiáng)度和重金屬浸出毒性的測(cè)試結(jié)果相吻合，即隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的力學(xué)性能增強(qiáng)，對(duì)重金屬的固化效果更好。[此處插入SEM微觀結(jié)構(gòu)圖和XRD圖譜]四、結(jié)論本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功制備了垃圾焚燒飛灰地聚合物復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：原料配比、堿性激發(fā)劑濃度以及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)復(fù)合材料的性能有顯著影響。在優(yōu)化的制備條件下，即垃圾焚燒飛灰摻量為30%，偏高嶺土與礦渣比例為2:1，氫氧化鈉濃度為8mol/L，水玻璃模數(shù)為2.6，水玻璃用量為10%，養(yǎng)護(hù)溫度為60℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d時(shí)，復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度可達(dá)35.6MPa。地聚合物復(fù)合材料對(duì)垃圾焚燒飛灰中的重金屬具有高效的固化能力。在上述優(yōu)化條件下，Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬的浸出率均遠(yuǎn)低于國(guó)家危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)限值，固化效果良好。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，地聚合物復(fù)合材料內(nèi)部形成了致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要礦物相