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目前,我国的能源结构仍然是以煤炭为主[1]。煤炭燃烧会产生大量温室气体破坏环境。煤炭的清洁高效利用是未来发展的必然趋势。煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术之一[2],也是现代煤化工产业的基础。但煤气化过程中会产生大量的废渣和高盐废水。目前,气化渣的处理方式主要为堆存和填埋,尚未实现大规模综合利用,造成了严重的环境污染和土地资源浪费[2]。高盐废水则主要是通过闪蒸去除水分后,富集盐分再统一固化填埋处置。这种处理方式能耗高、成本大,还容易产生二次污染。因此,实现煤气化渣和高盐废水的高效安全处置与资源化利用是煤化工产业可持续发展必须要解决的关键问题。
目前,较多学者对煤气化渣进行了深入研究。赵永彬等[3]研究了宁煤集团3种煤气化炉粗渣的化学组成及矿物相构成,发现其化学组成主要包括SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3。其中,矿物组成主要以非晶态玻璃体和晶相矿物为主;非晶态玻璃体的含量达到67%以上,晶相则以石英、莫来石、方铁矿和方解石为主。煤气化渣分为细渣和粗渣。粗渣具有较高的火山灰性,可作为一种辅助性胶凝材料应用于水泥混凝土中[4-7]。冀文明等[8]以矿渣微粉为胶凝材料的主要成分,将CaSO4、水玻璃、NaOH、CaCl2制成复合激发剂,得到新型复合激发矿渣胶凝材料的最优配比,复合激发剂对矿渣的火山灰性具有一定的激发效果。吴波波等[9]以低品位粉煤灰混凝土为研究对象,加入石灰、硅酸盐水泥、水玻璃激发粉煤灰,发现石灰与激发剂共同作用,可加速粉煤灰地质聚合反应,促使N-A-S-H和C-A-S-H、C-S-H等凝胶生成,从而提高混凝土强度。此外,煤化工产生的高盐废水由有机物和无机盐2大类组成,有机物种类多,同时还含有氰化物、芳香族及杂环化合物等有毒物质且处理困难[10]。高盐废水COD较高,一般在500~5 000 mg·L−1;其次,高盐废水中盐分质量浓度高,通常在3 000~15 000 mg·L−1,主要含有K+、Na+、Mg2+、Ca2+等阳离子,CO32−、NO3−、Cl−、SO42−等阴离子。其中,Na+、Cl−和SO42−占到无机离子质量分数的90%以上[11]。KABOOSI等[12]曾尝试将工业废水作为混凝土的拌合水,以节约水资源。目前,利用工业废弃物制备胶凝材料是研究的热点,但多利用粉煤灰及矿渣制备胶凝材料。这是由于煤气化渣活性低等原因,故导致针对煤气化渣直接制备胶凝材料的研究较少。
本研究以煤气化渣为原料,利用高盐废水、水玻璃及石灰复合激发剂,制备化学激发胶凝材料;研究石灰掺量、水玻璃模数与掺量及高盐废水掺量,对煤气化渣胶凝材料力学性能的影响;探讨胶凝材料水化产物的作用机制,并讨论其对环境的安全性。拟为煤化工废渣、废水的综合利用探索一条新途径。
复合激发煤气化渣基胶凝材料的制备
Preparation of composite activated coal gasification slag-based cementitious materials
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摘要: 为提高煤化产业废渣、废水的综合利用,以煤气化渣为原料,高盐废水、水玻璃及石灰为复合激发剂制备胶凝材料。探究了复合激发剂中石灰掺量、水玻璃模数、水玻璃掺量及高盐废水掺量对胶凝材料力学性能的影响;借助XRD、SEM、MIP、ICP-AES等分析手段对激发剂作用下煤气化渣胶凝产物及其微观形貌进行表征,并讨论了胶凝材料对环境安全性的影响。结果表明,当石灰掺量为15%时,试样28 d抗压强度可达到23.8 Mpa;水玻璃模数为1.4时激发效果最好,水玻璃最佳掺量为13%;高盐废水掺量为100%时,试样28 d抗压强度为38.8 MPa。微观观察结果表明,水玻璃可促进煤气化渣硅铝玻璃体的溶解,提高水化产物聚合度,生成C-S-H、N-A-S-H使得体系的结构更加密实,后期强度增大。此外,复合激发剂在SO42-、Cl-、OH-、Ca2+的共同作用下,可显著提高气化渣活性并加速其水化反应,生成Ca(OH)2、C-S-H、钙矾石和水化氯铝酸钙等物质,使试样孔隙率降低,强度提高。并且,胶凝材料可固化高盐废水中的重金属。本研究结果可为煤气化渣制备胶凝材料提供参考。Abstract: In order to improve the comprehensive utilization of the waste slag and wastewater produced by the coal chemical industry, the cementitious material was prepared with coal gasification slag as raw material and high salt wastewater, water glass and lime as composite activator. The activated effects of lime content, sodium silicate modulus, sodium silicate content and high salt wastewater content in the composite activator on the mechanical properties of the cementitious materials were explored, and the cementitious products of coal gasification slag and their microscopic structure were tested by XRD, SEM, MIP, ICP-AES and other methods. Finally, the environment safety of the cementitious materials was discussed. The results showed that the 28 d compressive strength can reach 23.8 MPa when the lime content was 15%. When the sodium silicate modulus was 1.4, activation effect is the best, and the optimum content of water glass was 13%. When the high salt wastewater content was 100%, the 28 d compressive strength of the specimen was 38.8 MPa. Microscopic results showed that sodium silicate can promote the dissolution of silicon-aluminum glass in coal gasification slag, improve the polymerization of hydration products. The generation of C-S-H, N-A-S-H made the structure of the system denser, which leaded to the later strength increases. In addition, the composite activator can significantly increase the activity of gasification slag and accelerate its hydration reaction under the joint action of SO42-, Cl-, OH-, and Ca2+ to produce Ca(OH)2, C-S-H, ettringite, and hydrated calcium chloroaluminate. The increased hydration products reduced the porosity of the samples, which improving the strength of the samples. And, cementitious material can solidify heavy metals in high-salt wastewater. The results of this study can provide theoretical reference for the preparation of cementitious materials from coal gasification slag.
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Key words:
- coal gasification slag /
- composite activated /
- high salt wastewater /
- sodium silicate /
- strength /
- hydration products
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表 1 煤气化渣的化学成分组成
Table 1. Chemical composition of coal gasification slag
% SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO Na2O K2O TiO2 SO3 LOI 49.85 17.4 13.43 9.98 3.18 1.95 1.68 0.83 0.65 2.39 表 2 高盐废水水质
Table 2. High-salt wastewater quality
mg·L−1 COD 硫酸盐 氯盐 磷酸盐 总磷 硝氮 亚硝氮 氨氮 总氨 13 153.50 7 650.80 24 060.80 21.10 25.96 1 145.00 92.34 25.58 1 283.00 表 3 高盐废水中重金属的质量浓度
Table 3. Mass concentration of heavy metals in high-salt wastewater
mg·L−1 Cr Ni Cu Zn As Cd Pb 0.12 0.33 0.47 0.17 0.56 0.02 — 表 4 各试样重金属的毒性浸出
Table 4. Toxic leaching of heavy metals for each sample
mg·L−1 高盐废水掺量 Cr Ni Cu Zn As Cd Pb 0 0.008 0.024 0.011 0.018 — 0.006 0.013 50% 0.008 0.025 0.013 0.028 — 0.005 0.019 100% 0.008 0.027 0.014 0.031 — 0.004 0.033 -
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