【摘要】：本文選取油頁(yè)巖飛灰(OSFA)為主要研究對(duì)象,在高摻雜油頁(yè)巖飛灰的情況下,將其制備成高附加值灰渣微晶玻璃,并研究了堿度對(duì)微晶玻璃性能的影響。在此基礎(chǔ)之上,從提高工業(yè)廢物在灰渣微晶玻璃中的消納量以及降低能耗角度出發(fā),基于不同廢物的化學(xué)組成特點(diǎn),將油頁(yè)巖飛灰和城市垃圾焚燒底灰優(yōu)勢(shì)配伍制得油頁(yè)巖復(fù)合灰,使其化學(xué)組成滿足CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃的要求,然后利用油頁(yè)巖復(fù)合灰熔融后得到的復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣與油頁(yè)巖飛灰二次復(fù)合共燒結(jié)制得微晶玻璃。同時(shí),鑒于復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣較高的燒結(jié)活性和析晶能力,將其作為固化劑對(duì)城市垃圾焚燒飛灰進(jìn)行固化／穩(wěn)定化處理。其具體內(nèi)容和主要研究結(jié)論如下：(1)通過調(diào)控CaO和A1203在油頁(yè)巖飛灰中的含量,得到具有不同堿度(CaO/SiO2)的初始玻璃配料,采用高溫熔融／水淬和一步燒結(jié)法將其制備成CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃。利用Kissinger-Augis-Benne方程研究了堿度對(duì)微晶玻璃析晶動(dòng)力學(xué)的影響,并借助差示掃描量熱法、X-射線衍射分析以及毒性浸出測(cè)試等方法研究了堿度對(duì)微晶玻璃的結(jié)晶相組成、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械物理性能、耐化學(xué)腐蝕性以及重金屬毒性浸出的影響。結(jié)果表明,微晶玻璃的析晶機(jī)理為表面析晶機(jī)理,當(dāng)堿度從0.2增加到0.5時(shí),析晶活化能從231.61 kJ/mol降低到196.84 kJ/mol。微晶玻璃的主晶相由鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)轉(zhuǎn)變成鈣鋁黃長(zhǎng)石(Ca2Al2SiO7)和鈣長(zhǎng)石的多晶共存體系。微晶玻璃的抗壓強(qiáng)度值和抗彎強(qiáng)度值隨著堿度的增大逐漸增強(qiáng),當(dāng)堿度為0.5、燒結(jié)溫度為1050℃時(shí),分別達(dá)到最大的186 MPa和78 MPa。微晶玻璃對(duì)酸堿溶液的抗腐蝕性能力由強(qiáng)到弱依次為:NaOH HAc H2SO4。重金屬的毒性浸出測(cè)試(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)表明,微晶玻璃浸出液中的重金屬濃度遠(yuǎn)低于US EPA規(guī)定的重金屬浸出閾值,重金屬被穩(wěn)定地固化于形成的晶格網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)環(huán)境具有良好的穩(wěn)定性和安全性。(2)油頁(yè)巖飛灰和城市垃圾焚燒底灰通過優(yōu)勢(shì)配伍制得復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣,然后將介穩(wěn)態(tài)的復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣與油頁(yè)巖飛灰二次復(fù)合共燒結(jié)制得微晶玻璃。通過對(duì)微晶玻璃的結(jié)晶相類型、物理機(jī)械性能(燒結(jié)收縮率、重量損失率、密度和抗壓強(qiáng)度)和耐化學(xué)腐蝕性的分析,研究了復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣添加量和燒結(jié)溫度對(duì)微晶玻璃性能的影響。研究結(jié)果表明,微晶玻璃的主晶相是鈣長(zhǎng)石和石英。燒結(jié)收縮率、密度和抗壓強(qiáng)度隨著復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加和燒結(jié)溫度的升高而逐漸增大,但重量損失率則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。當(dāng)燒結(jié)溫度為1000℃,油頁(yè)巖飛灰在二次復(fù)合料中的含量由10%增加到30%時(shí),復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣衍生微晶玻璃的燒結(jié)收縮率從29.61%降至17.2%,密度從2.13 g/cm3降至1.73 g/cm3,抗壓強(qiáng)度從139.63 MPa降至35.69 MPa,重量損失率從4.28%升高至8.12%。而緩慢冷卻熔渣衍生產(chǎn)品的燒結(jié)收縮率由12.43%降至10.28%,密度由1.66g/cm3降至1.55 g/cm3,抗壓強(qiáng)度由23.08 MPa降至16.76 MPa,重量損失率由10.35%升高至13.91%。此外,復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣衍生微晶玻璃的耐化學(xué)腐蝕性也強(qiáng)于緩慢冷卻熔渣衍生產(chǎn)品。這說明介穩(wěn)態(tài)的復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣在相同的燒結(jié)溫度下具有更強(qiáng)的燒結(jié)活性和析晶能力,更易于通過結(jié)晶方式降低內(nèi)能向穩(wěn)定的結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變,燒結(jié)產(chǎn)品中的晶體體積分?jǐn)?shù)更大,微觀結(jié)構(gòu)更加緊密,產(chǎn)品的性能越強(qiáng)。在復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣衍生微晶玻璃的抗壓強(qiáng)度滿足天然大理石建材標(biāo)準(zhǔn)的情況下,對(duì)比常規(guī)路線的制備過程,所提方法的能耗降低率可以達(dá)到5.91-12.53%。(3)復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣較強(qiáng)的燒結(jié)活性和析晶能力使得其易于通過黏性液體流動(dòng)傳質(zhì)過程實(shí)現(xiàn)混合態(tài)粉末的燒結(jié)致密化和結(jié)晶化。基于此,將其作為固化劑與活性較低的城市垃圾焚燒飛灰在低溫下(≤1000℃)進(jìn)行混合共燒結(jié)實(shí)驗(yàn),通過相遷移轉(zhuǎn)化過程中不同物質(zhì)間的相變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)焚燒飛灰的固化和穩(wěn)定化。結(jié)果表明,復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加和燒結(jié)溫度的升高使得垃圾焚燒飛灰中原有晶體的衍射峰逐漸減弱,燒結(jié)產(chǎn)品中出現(xiàn)鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)、鈣霞石(Ca(Al,Si)2O4)、氯磷鈣石(Ca10(SiO4)3(SO4)3Cl2)、氯硅鋁鈣石(Ca6Al5SiO16Cl13)以及重金屬化合物等新晶體。復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加使得燒結(jié)產(chǎn)品中重金屬的殘留率逐漸增大,但其浸出濃度依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)、歐洲以及我國(guó)規(guī)定的重金屬浸出濃度閾值。氯離子由可溶鹽存在轉(zhuǎn)變成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的化合物存在是導(dǎo)致其浸出率和浸出潛力降低的主要原因,且隨著復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加而逐漸減小。燒結(jié)產(chǎn)品中典型重金屬Pb、Cu、Zn和Cr的Cf、Er和RI值都隨著復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣添加量的增加和燒結(jié)溫度的升高逐漸降低且污染水平都屬于低等級(jí),因此所得燒結(jié)產(chǎn)品可以作為安全無害材料直接利用或者作為二次原材料進(jìn)一步材料化利用。
【圖文】：

逑溶化、蒸發(fā)、升華和吸附等巧日化學(xué)變化（物質(zhì)的脫水、解離、氧化和還原等）。逡逑本實(shí)驗(yàn)所用的熱重分析儀是日本精工公司生產(chǎn)的ＴＧ／ＤＴＡ邋６３００（如圖２．１所示）。該逡逑儀器采用的是差示雙天平梁原理設(shè)計(jì)，其工作溫度范圍是室溫至１５００邋°Ｃ，ＴＧ靈敏度為逡逑０．１邋帖，加熱速率為邋０．０１－１００邋°Ｃ／ｍｉｎ，，ＤＴＡ邋測(cè)量范圍（靈敏度）為邋±邋１０００邋１ＩＶ邋（０．０６邋ＨＶ），ＤＳＣ逡逑精度為±２％。ＴＧ／ＤＴＡ邋６３００熱分析儀因?qū)⒃嚇又糜谙嗤臒崽幚砑碍h(huán)境條件下，因此逡逑可在程序控制溫度下同時(shí)測(cè)定樣品的重量和熱烙隨溫度的變化關(guān)系，消除ＴＧ和ＤＴＡ逡逑單獨(dú)測(cè)試時(shí)因試樣不均勻性及氣氛等因素帶來的影響，所測(cè)得的ＡＧ和ＡＴ具有嚴(yán)格的可逡逑比性和準(zhǔn)確一致的結(jié)果。這些精密設(shè)計(jì)使得該儀器在測(cè)定物質(zhì)相變溫度方面具有非常高逡逑的可信度。逡逑本研究選�。玻板澹恚绲牟Ａз|(zhì)格渣粉末（顆粒粒徑＜邋１０６邋ｎｍ）進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)，將過篩的逡逑玻璃質(zhì)烙渣粉末加入到熱分析天平氧化鉛巧蝸中，在空氣氣氛下（載氣量為１００邋ｌｉＬ／ｍｉｎ），逡逑分別５邋°Ｃ／ｍｉｎ、１０邋°Ｃ／ｍｉｎ、１５邋°Ｃ／ｍｉｎ和２０邋°Ｃ／ｍｉｎ四個(gè)不同的升溫速率從室溫升高至逡逑１２００邋°Ｃ

實(shí)現(xiàn)完全烙融，用特制的夾巧從高溫電加熱爐中將剛玉巧巧夾出，把高溫炫體迅速倒入逡逑裝滿冷水的鐵罐中進(jìn)行冷卻，烙體在急冷的情況下越過析晶區(qū)，轉(zhuǎn)變成黑色的玻璃質(zhì)煉逡逑渣（也稱基礎(chǔ)玻璃）（如圖２．２所示）。將急冷水萍后的玻璃質(zhì)烙渣顆粒進(jìn)行收集，經(jīng)過粗破逡逑碎之后將其放入到１０５邋ＤＣ的鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行烘干處理，待烘干至恒重之后將干燥的逡逑玻璃質(zhì)格渣顆粒放入全方位行星式球磨機(jī)中進(jìn)行細(xì)研磨５邋ｈ，得到粒徑不同的粉末，通逡逑過機(jī)械篩分選擇顆松粒徑小于１０６邋ｊｉｍ的玻璃質(zhì)烙渣粉末備用。逡逑ｗ逡逑—＊邋－逡逑圖２．２油頁(yè)巖飛灰烙融／水巧后得到的玻璃質(zhì)烙渣逡逑Ｅｇ．邋２．２邋Ｇｌａｓｓ邋ｆｒｉｔｓ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｍｅｌｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ邋ｏＵ邋ｓｈａｌｅ邋ｆｌｙ邋ａｓｈ逡逑２．２．５微晶玻璃的制備逡逑將顆粒粒徑小于１０６邋＾１１１１的玻璃質(zhì)巧渣粉末裝入圓柱形和矩形剛玉巧巧中，分別制逡逑成直徑為１２邋ｍｍ、高度分別為３邋ｍｍ和１５邋ｍｍ的圓柱形樣品，Ｗ及長(zhǎng)為４０邋ｍｍ、寬為逡逑１０ｍｍ、高為６ｍｍ的矩形樣品。采用一步燒結(jié)法在智能箱式電阻爐中Ｗ邋５邋°Ｃ／ｍｉｎ的速逡逑率升至不同的溫度熱處理２邋ｈ，燒結(jié)產(chǎn)品隨電阻爐自然降至室溫得到微晶玻璃。逡逑－３１邋－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ171.733;X705

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本文編號(hào)：2521530