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(duì)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(jiān)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?jī)?chǔ)量豐富,煤炭掘進(jìn)開(kāi)采和洗煤過(guò)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(duì)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(jiàn)表1,細(xì)度見(jiàn)表2。
表1 試驗(yàn)原材料的化學(xué)組成
樣品類(lèi)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(cè)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(guò)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(guò)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(duì)煤矸石在燒結(jié)過(guò)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(duì)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(jiàn)圖2。
(1)配料:將原料分別破碎,使用球磨機(jī)磨細(xì)并過(guò)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(shí)間。
(5)燒結(jié):使用箱式電阻爐在1200℃的燒結(jié)溫度下,對(duì)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(duì)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(duì)粉煤灰陶粒濾料吸水率和比表面積的影響
采用煮沸法測(cè)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)槊喉肥暮吭礁,在燒結(jié)時(shí),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(shí)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(duì)粉煤灰陶粒濾料堆積密度和強(qiáng)度的影響
采用CJ/T299-2008測(cè)試粉煤灰陶粒濾料堆積密度。采取壓力機(jī)測(cè)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(cè)試,加壓1min,并保壓2min,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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)槊喉肥康奶岣呤固樟V料的微孔增多,從而使堆積密度下降。微孔增多的同時(shí),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(duì)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。