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      煤矸石對粉煤灰陶粒濾料性能的影響

      2015-10-17 07:15:10謝高偉王菊俠
      陶瓷 2015年6期
      關(guān)鍵詞:陶粒濾料煤矸石

      趙 爽 劉 挺 王 超 謝高偉 王菊俠

      (陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院 陜西 蒲城 715500)

      前言

      粉煤灰陶粒濾料是一種人造球形濾料,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)而制成。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,被廣泛的應(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常用的添加劑。陜西省煤炭儲(chǔ)量豐富,煤炭挖掘開采和洗煤過程中排出的廢棄物——煤矸石,由于其自身為可燃物,且燃盡后形成氣孔,可達(dá)到造孔效果。

      筆者利用工業(yè)廢料煤矸石作為造孔劑來研究其對粉煤灰陶粒濾料性能的影響。

      1 試驗(yàn)方法

      1.1 原材料

      本試驗(yàn)選用的主要原料為陜西渭北發(fā)電廠的粉煤灰,原料的化學(xué)組成見表1,粉煤灰樣品細(xì)度測試結(jié)果見表2。

      表1 兩種原料的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

      以可塑粘土為粘結(jié)劑,其化學(xué)組成見表1。

      以煤矸石為造孔劑,其化學(xué)組成見表3。

      表2 粉煤灰樣品細(xì)度測試結(jié)果

      1.2 試驗(yàn)方法

      本試驗(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,其原理是利用煤矸石經(jīng)過燒結(jié)反應(yīng)后產(chǎn)生的氣體逸出,使得原本被占據(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。筆者對煤矸石進(jìn)行了TG-DTA分析, 結(jié)果如圖1所示。

      表3 煤矸石的化學(xué)組成(質(zhì)量%)

      圖l 煤矸石的TG-DTA曲線

      圖1中煤矸石的TG-DTA 曲線溫度為102~408 ℃時(shí),煤矸石附著水脫出,形成吸熱谷,在TG曲線上質(zhì)量緩慢減少,513 ℃處的吸熱谷是由煤矸石脫去羥基水形成,在513~741 ℃,TG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1 067 ℃處又出現(xiàn)放熱峰,TG曲線上質(zhì)量隨溫度變化微小。根據(jù)TG-DTA分析結(jié)果,設(shè)定燒成溫度為1 200 ℃,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(見圖2)

      圖2 粉煤灰陶粒濾料工藝流程圖

      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、可塑粘土以一定的比例混合,分別摻入不同比例的煤矸石。

      2)混料。將配料用V35混料機(jī)均勻混合30 min以上。

      3)成形。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。將制備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)。將干燥好的半成品顆粒使用箱式電阻爐在1 200 ℃的燒結(jié)溫度下進(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大。這是由于煤矸石的燒失量大于粉煤灰和粘土,因而其含量越高燒失率越高。

      圖3 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料燒失量的影響

      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逐漸增大。這是因?yàn)槊喉肥暮吭礁撸跓Y(jié)時(shí),煤矸石中的碳與氧氣發(fā)生化學(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,導(dǎo)致樣品吸水率增大。同樣,比表面積也逐漸增大。碳與氧氣的化學(xué)反應(yīng)式如下:

      圖4 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料吸水率和比表面積的影響

      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

      利用CJ/T 299-2008測試粉煤灰陶粒濾料堆積密度。采用壓力機(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30 g,倒入破碎室內(nèi),在5 MPa壓強(qiáng)下測試,加壓1 min,并保壓2 min。測試結(jié)果如圖5所示。

      圖5 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料堆積密度和破碎率的影響

      由圖5可知,粉煤灰陶粒濾料堆積密度隨著煤矸石用量的增大而減小, 這是因?yàn)槊喉肥康脑龃笫固樟V料的微孔率增大,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,破碎率增大。

      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著煤矸石含量的增大,粉煤灰陶粒濾料孔隙逐漸增多,比表面積增大,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,表明其耐堿性要好于耐酸性。

      圖6 煤矸石含量對粉煤灰陶粒濾料耐酸率和耐堿率的影響

      3 結(jié)論

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

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