煤矸石对粉煤灰陶粒滤料性能的影响

摘要：以粉煤灰、黏土为主料，添加不同比例的造孔剂煤矸石制备粉煤灰陶粒滤料。本文研究了煤矸石用量对粉煤灰陶粒滤料性能的影响，结果表明，随着煤矸石比例的提高，粉煤灰陶粒滤料的烧失量、吸水率及比表面积逐渐增加，而堆积密度、强度和耐酸碱性逐渐减小。

0 前言

粉煤灰陶粒滤料是一种球形人造滤材，是以粉煤灰为主料，添加一定量的粘结剂和造孔剂，经混合、成球、烧结制成。粉煤灰陶粒滤料表面粗糙坚硬，内部多微孔，密度低、比表面积大、表面能高、吸附性强且易于再生，便于重复利用，被广泛应用于生活用水净化、工业污水处理等行业。

造孔剂即气孔形成剂，是制备粉煤灰陶粒滤料中常用的外加剂。陕西煤炭储量丰富，煤炭掘进开采和洗煤过程中排出的废弃物一煤矸石自身为可燃物，且燃尽后形成气孔，具有造孔效果。

本文以工业废料煤矸石为造孔剂，研究其用量对粉煤灰陶粒滤料性能的影响。

1 试验原料及方法

1.1 原材料

试验选用的主料为渭北发电厂的粉煤灰，粘结剂为可塑黏土，造孔剂为煤矸石，化学组成见表1，细度见表2。

表1 试验原材料的化学组成

样品类别	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 粉煤灰样品细度测试结果

样品质量/g	筛网规格/目	筛余质量/g	筛余率/%
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 试验方法

试验通过添加不同比例的造孔剂煤矸石制备粉煤灰陶粒滤料，原理是利用煤矸石经过烧结发生反应变成气体逸出，使得原本占据的空间成为气孔。故要对煤矸石在烧结过程中的变化进行研究，以便制定合适的烧结工艺。本文对煤矸石进行了TG-DTA分析，结果如图1所示。

从图1看出，在温度为102~408℃阶段，煤矸石附着水脱出，形成吸热谷，在TG-DTA曲线上质量缓慢减少，在513℃处的吸热谷由煤矸石脱去羟基水，在513~741℃阶段，TG-DTA曲线上质量大幅减少，此处有剧烈的放热反应发生，在1067℃处又出现放热峰，TC-DTA曲线上质量随温度变化微小。根据TC-DTA分析结果，设定烧成温度为1200 ℃，以保证原料各组分反应完全并趋于稳定。

1.3 试验流程

试验流程见图2。

(1)配料：将原料分别破碎，使用球磨机磨细并过筛，将粉煤灰、可塑黏土以一定的比例混合，分别掺人不同比例的煤矸石。

(2)混匀：将混合的原料用V35混料机混匀30min以上。

(3)成型：使用BYJ800造粒机进行球体颗粒成型，水分控制在10%~15%。

(4)干燥：将制好的半成品颗粒在合适的温度和湿度下放置一段时间。

(5)烧结：使用箱式电阻炉在1200℃的烧结温度下，对干燥好的半成品颗粒进行烧结。

2 结果与讨论

2.1 煤矸石含量对粉煤灰陶粒滤料烧失率的影响

由图3可知，随着煤矸石比例的提高，粉煤灰陶粒滤料的烧失率逐渐增加。这是由于煤矸石的烧失量大于粉煤灰和黏土，因而含量越高烧失率越高。

2.2 煤矸石含量对粉煤灰陶粒滤料吸水率和比表面积的影响

采用煮沸法测量粉煤灰陶粒滤料的吸水率，其结果如图4所示。随着煤矸石含量的增加，粉煤灰陶粒滤料的吸水率增加。这是因为煤矸石的含量越高，在烧结时，煤矸石中的碳与氧气发生了式(1)、(2)、(3)的化学反应，反应时产生的气体就越多，所以形成的粉煤灰陶粒滤料的微孔越多，比表面积也逐渐增加，导致样品吸水率增加。

C+O₂=CO₂(1)

2C+O₂=2CO(2)

CO+O₂=CO₂(3)

2.3 煤矸石含量对粉煤灰陶粒滤料堆积密度和强度的影响

采用CJ/T299-2008测试粉煤灰陶粒滤料堆积密度。采取压力机测试陶粒滤料的强度，具体方法为：称取粉煤灰陶粒滤料样品约30g，倒入破碎室内，在5MPa压强下测试，加压1min，并保压2min，测试结果见图5。

由图5可得，粉煤灰陶粒滤料堆积密度随着煤矸石用量的提高而减小，这是因为煤矸石含量的提高使陶粒滤料的微孔增多，从而使堆积密度下降。微孔增多的同时，造成粉煤灰滤料内部物质之间的连接点减少，使陶粒滤料的强度下降，破碎率增加。

2.4 煤矸石含量对粉煤灰陶粒滤料耐酸率和耐碱率的影响

由图6可知，随着煤矸石用量的提高，强酸碱腐蚀率增加。这是因为随着煤矸石含量的提高，粉煤灰陶粒滤料孔隙逐渐增多，比表面积增加，酸碱可接触的面积大大增加，造成粉煤灰陶粒滤料的强酸碱腐蚀率增加，耐酸碱性减小，其中盐酸可溶率高于烧碱可溶率，表明耐碱性要好于耐酸性。

3 结论

粉煤灰陶粒滤料的烧失率、吸水率及比表面积随着煤矸石比例的提高逐渐增加，但烧失率增加幅度逐渐减缓，而堆积密度、强度和耐酸碱性却不断降低，其中耐碱性要好于耐酸性。