垃圾焚烧飞灰-粉煤灰地聚合物制备及其耐久性研究.pdfVIP

摘要

随着我国城市现代化进程的不断推进，城市生活垃圾总量也在逐年递增。焚烧技术

因其减容、减重的特点已经成为生活垃圾的主要处理方式。飞灰作为垃圾焚烧后遗留的

固体废弃物，含有重金属和二噁英等有害物质，严重危及环境和人体健康，被列为危险

废物（HW18），必须对其进行无害化处理。地聚合物作为一种新型无机聚合材料，特殊

的三维网络状结构使其在固化重金属和有毒物质方面具有独特的优势。利用地聚合物处

理飞灰不仅可以实现重金属等有害物质的有效固化，而且形成的固化体长期稳定性好，

有利于实现飞灰资源化利用。本文基于实现垃圾飞灰的无害化处理以及资源化利用角度

出发，系统研究了飞灰的理化性质、利用飞灰制备地聚合物的条件与方法，以及垃圾飞

灰-粉煤灰地聚合物固化体在不同环境下的耐久性和重金属固化效果，并通过XRD、SEM、

FTIR等分析方法对固化体进行物理化学表征及结构分析。主要研究内容与结果如下：

一、垃圾焚烧飞灰理化特性分析

分别对飞灰的表观形貌、化学组成、矿物组成、粒径分布以及热稳定性进行测试分

析。结果表明，飞灰中CaO的含量较高，达到43.26%，其次是Cl含量，为22.15%。

SiO和AlO的含量较低，分别为6.08%和2.02%。此外还含有一部分SO、KO、NaO、

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MgO、FeO等。飞灰主要矿物成分是钾盐（如KCl等）、岩盐（如NaCl等），以及CaSO、

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CaCO和少量的Ca(OH)、SiO。飞灰中存在大量不规则的晶态物质，主要粒径范围集

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中在2-250μm之间，分布最多的粒径在20μm左右，平均粒径为20.25μm。热重分析表

明，0-800℃区间范围内，飞灰整体质量下降12%左右，高温下飞灰中的盐类首先发生

分解生成金属氧化物，随着温度的继续升高，所产生的金属氧化物再与SiO2发生反应

生成硅酸盐或铝硅酸盐。重金属浸出浓度测试结果表明，飞灰中所含的重金属主要有

Pb、Cr、Cd、Zn、Cu等，其中Pb和Cd均超过国家标准限值（GB16889-2008），必须

对其进行固化/稳定化处理。

二、地聚合物的制备与性能研究

预实验发现，飞灰中所含的单质Al在碱性环境中反应产生的H2会导致飞灰-粉煤

灰地聚合物产生严重膨胀，因此对飞灰进行900℃高温煅烧处理，较好的解决了掺入飞

灰导致的膨胀问题，同时对飞灰中二噁英类有害物质有良好的去除效果。

通过正交实验，分别研究了飞灰掺量、碱激发剂掺量、碱激发剂模数以及液固比对

地聚合物力学性能的影响规律，结果表明，碱激发剂掺量是影响地聚合物固化体力学性

能的最主要因素，其次是飞灰掺量和碱激发剂模数，最后是液固比。最优配合比：飞灰

掺量40%，粉煤灰掺量60%，碱激发剂掺量40%，碱激发剂模数1.2，液固比0.19，28d

抗压强度达到25.3MPa。

利用SEM、XRD、FTIR等对地聚合物不同龄期固化体的微观结构、矿物组成、化

学结构进行测试分析，探究重金属固化机制。结果表明，飞灰中的重金属被键合到了地

聚合物的骨架中，部分有害物质以结晶的形式被固化到地聚合物结构中，飞灰不是简单

的被包裹在地聚合物中，而是参与了地聚合物结构的形成。地聚合物固化重金属的原理

是物理固封和化学键合的共同作用。

三、地聚合物固化体耐久性研究

研究了优配比地聚合物固化体抗硫酸盐侵蚀性能、耐碱性能、抗高温性能以及抗冻

融循环性能。将固化体分别在质量分数为5%的NaSO溶液以及MgSO溶液中浸泡7d、

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14d和28d，结果表明，在NaSO溶液中质量变化不大，抗压强度略有增大；在MgSO

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