【摘要】：本文選取油頁巖飛灰(OSFA)為主要研究對象,在高摻雜油頁巖飛灰的情況下,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,將油頁巖飛灰和城市垃圾焚燒底灰優(yōu)勢配伍制得油頁巖復(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,然后利用油頁巖復(fù)合灰熔融后得到的復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣與油頁巖飛灰二次復(fù)合共燒結(jié)制得微晶玻璃。同時,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,將其作為固化劑對城市垃圾焚燒飛灰進行固化／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方程研究了堿度對微晶玻璃析晶動力學(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試等方法研究了堿度對微晶玻璃的結(jié)晶相組成、微觀結(jié)構(gòu)、機械物理性能、耐化學(xué)腐蝕性以及重金屬毒性浸出的影響。結(jié)果表明,微晶玻璃的析晶機理為表面析晶機理,當(dāng)堿度從0.2增加到0.5時,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石(CaAl2Si2O8)轉(zhuǎn)變成鈣鋁黃長石(Ca2Al2SiO7)和鈣長石的多晶共存體系。微晶玻璃的抗壓強度值和抗彎強度值隨著堿度的增大逐漸增強,當(dāng)堿度為0.5、燒結(jié)溫度為1050℃時,分別達到最大的186 MPa和78 MPa。微晶玻璃對酸堿溶液的抗腐蝕性能力由強到弱依次為:NaOH HAc H2SO4。重金屬的毒性浸出測試(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)表明,微晶玻璃浸出液中的重金屬濃度遠低于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,對環(huán)境具有良好的穩(wěn)定性和安全性。(2)油頁巖飛灰和城市垃圾焚燒底灰通過優(yōu)勢配伍制得復(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)熔渣與油頁巖飛灰二次復(fù)合共燒結(jié)制得微晶玻璃。通過對微晶玻璃的結(jié)晶相類型、物理機械性能(燒結(jié)收縮率、重量損失率、密度和抗壓強度)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石和石英。燒結(jié)收縮率、密度和抗壓強度隨著復(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。當(dāng)燒結(jié)溫度為1000℃,油頁巖飛灰在二次復(fù)合料中的含量由10%增加到30%時,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)品中的晶體體積分數(shù)更大,微觀結(jié)構(gòu)更加緊密,產(chǎn)品的性能越強。在復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣衍生微晶玻璃的抗壓強度滿足天然大理石建材標(biāo)準(zhǔn)的情況下,對比常規(guī)路線的制備過程,所提方法的能耗降低率可以達到5.91-12.53%。(3)復(fù)合型玻璃質(zhì)熔渣較強的燒結(jié)活性和析晶能力使得其易于通過黏性液體流動傳質(zhì)過程實現(xiàn)混合態(tài)粉末的燒結(jié)致密化和結(jié)晶化�；诖�,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℃)進行混合共燒結(jié)實驗,通過相遷移轉(zhuǎn)化過程中不同物質(zhì)間的相變反應(yīng)實現(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遠低于美國、歐洲以及我國規(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,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）。逡逑本實驗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，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測定樣品的重量和熱烙隨溫度的變化關(guān)系，消除ＴＧ和ＤＴＡ逡逑單獨測試時因試樣不均勻性及氣氛等因素帶來的影響，所測得的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)計使得該儀器在測定物質(zhì)相變溫度方面具有非常高逡逑的可信度。逡逑本研究選取２０邋ｍｇ的玻璃質(zhì)格渣粉末（顆粒粒徑＜邋１０６邋ｎｍ）進行熱重實驗，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四個不同的升溫速率從室溫升高至逡逑１２００邋°Ｃ

實現(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中進行細研磨５邋ｈ，得到粒徑不同的粉末，通逡逑過機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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ171.733;X705

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本文編號：2521530