摘要：以粉煤灰、黏土為主料，添加不同比例的造孔劑煤矸石制備粉煤灰陶粒濾料。本文研究了煤矸石用量對粉煤灰陶粒濾料性能的影響，結(jié)果表明，隨著煤矸石比例的提高，粉煤灰陶粒濾料的燒失量、吸水率及比表面積逐漸增加，而堆積密度、強(qiáng)度和耐酸堿性逐漸減小。

0 前言

粉煤灰陶粒濾料是一種球形人造濾材，是以粉煤灰為主料，添加一定量的粘結(jié)劑和造孔劑，經(jīng)混合、成球、燒結(jié)制成。粉煤灰陶粒濾料表面粗糙堅硬，內(nèi)部多微孔，密度低、比表面積大、表面能高、吸附性強(qiáng)且易于再生，便于重復(fù)利用，被廣泛應(yīng)用于生活用水凈化、工業(yè)污水處理等行業(yè)。

造孔劑即氣孔形成劑，是制備粉煤灰陶粒濾料中常用的外加劑。陜西煤炭儲量豐富，煤炭掘進(jìn)開采和洗煤過程中排出的廢棄物一煤矸石自身為可燃物，且燃盡后形成氣孔，具有造孔效果。

本文以工業(yè)廢料煤矸石為造孔劑，研究其用量對粉煤灰陶粒濾料性能的影響。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 原材料

試驗(yàn)選用的主料為渭北發(fā)電廠的粉煤灰，粘結(jié)劑為可塑黏土，造孔劑為煤矸石，化學(xué)組成見表1，細(xì)度見表2。

表1 試驗(yàn)原材料的化學(xué)組成

樣品類別	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	K2O	Na2O	SO3	l.O.I
粉煤灰	52.75	35.18	2.86	1.16	3.54	0.68	1.51	0.44		1.40
可塑黏土	63.21	18.65	3.56	0.67	0.54	1.15	2.91	0.94		7.92
煤矸石	54.39	16.27	3.48	4.98	1.99	1.14			1.94	15.24

表2 粉煤灰樣品細(xì)度測試結(jié)果

樣品質(zhì)量/g	篩網(wǎng)規(guī)格/目	篩余質(zhì)量/g	篩余率/%
55.683	325	8.156	16.65
51.163	300	6.831	13.32
51.336	250	4.188	8.16
50.182	200	3.610	7.19

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)通過添加不同比例的造孔劑煤矸石制備粉煤灰陶粒濾料，原理是利用煤矸石經(jīng)過燒結(jié)發(fā)生反應(yīng)變成氣體逸出，使得原本占據(jù)的空間成為氣孔。故要對煤矸石在燒結(jié)過程中的變化進(jìn)行研究，以便制定合適的燒結(jié)工藝。本文對煤矸石進(jìn)行了TG-DTA分析，結(jié)果如圖1所示。

從圖1看出，在溫度為102~408℃階段，煤矸石附著水脫出，形成吸熱谷，在TG-DTA曲線上質(zhì)量緩慢減少，在513℃處的吸熱谷由煤矸石脫去羥基水，在513~741℃階段，TG-DTA曲線上質(zhì)量大幅減少，此處有劇烈的放熱反應(yīng)發(fā)生，在1067℃處又出現(xiàn)放熱峰，TC-DTA曲線上質(zhì)量隨溫度變化微小。根據(jù)TC-DTA分析結(jié)果，設(shè)定燒成溫度為1200 ℃，以保證原料各組分反應(yīng)完全并趨于穩(wěn)定。

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程見圖2。

(1)配料：將原料分別破碎，使用球磨機(jī)磨細(xì)并過篩，將粉煤灰、可塑黏土以一定的比例混合，分別摻人不同比例的煤矸石。

(2)混勻：將混合的原料用V35混料機(jī)混勻30min以上。

(3)成型：使用BYJ800造粒機(jī)進(jìn)行球體顆粒成型，水分控制在10%~15%。

(4)干燥：將制好的半成品顆粒在合適的溫度和濕度下放置一段時間。

(5)燒結(jié)：使用箱式電阻爐在1200℃的燒結(jié)溫度下，對干燥好的半成品顆粒進(jìn)行燒結(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料燒失率的影響

由圖3可知，隨著煤矸石比例的提高，粉煤灰陶粒濾料的燒失率逐漸增加。這是由于煤矸石的燒失量大于粉煤灰和黏土，因而含量越高燒失率越高。

2.2 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料吸水率和比表面積的影響

采用煮沸法測量粉煤灰陶粒濾料的吸水率，其結(jié)果如圖4所示。隨著煤矸石含量的增加，粉煤灰陶粒濾料的吸水率增加。這是因?yàn)槊喉肥�的含量越高，在燒結(jié)時，煤矸石中的碳與氧氣發(fā)生了式(1)、(2)、(3)的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時產(chǎn)生的氣體就越多，所以形成的粉煤灰陶粒濾料的微孔越多，比表面積也逐漸增加，導(dǎo)致樣品吸水率增加。

C+O₂=CO₂(1)

2C+O₂=2CO(2)

CO+O₂=CO₂(3)

2.3 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料堆積密度和強(qiáng)度的影響

采用CJ/T299-2008測試粉煤灰陶粒濾料堆積密度。采取壓力機(jī)測試陶粒濾料的強(qiáng)度，具體方法為：稱取粉煤灰陶粒濾料樣品約30g，倒入破碎室內(nèi)，在5MPa壓強(qiáng)下測試，加壓1min，并保壓2min，測試結(jié)果見圖5。

由圖5可得，粉煤灰陶粒濾料堆積密度隨著煤矸石用量的提高而減小，這是因?yàn)槊喉肥�含量的提高使陶粒濾料的微孔增多，從而使堆積密度下降。微孔增多的同時，造成粉煤灰濾料內(nèi)部物質(zhì)之間的連接點(diǎn)減少，使陶粒濾料的強(qiáng)度下降，破碎率增加。

2.4 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料耐酸率和耐堿率的影響

由圖6可知，隨著煤矸石用量的提高，強(qiáng)酸堿腐蝕率增加。這是因?yàn)殡S著煤矸石含量的提高，粉煤灰陶粒濾料孔隙逐漸增多，比表面積增加，酸堿可接觸的面積大大增加，造成粉煤灰陶粒濾料的強(qiáng)酸堿腐蝕率增加，耐酸堿性減小，其中鹽酸可溶率高于燒堿可溶率，表明耐堿性要好于耐酸性。

3 結(jié)論

粉煤灰陶粒濾料的燒失率、吸水率及比表面積隨著煤矸石比例的提高逐漸增加，但燒失率增加幅度逐漸減緩，而堆積密度、強(qiáng)度和耐酸堿性卻不斷降低，其中耐堿性要好于耐酸性。