激发剂对粉煤灰活性的激发作用

陈若莉

(福建工程学院环境与设备工程系，福建 福州 350108)

0 引 言

粉煤灰具有火山灰活性，这是粉煤灰各种资源化利用方式的主要依据.粉煤灰的比表面积与粉煤灰的活性有线性相关关系[1-4].粉煤灰的火山灰反应有利于提高粉煤灰的比表面积，使粉煤灰的吸附特性得到提高，从而增强粉煤灰作为吸附材料用于烟气脱硫的脱硫效率.

掺加钙基吸收剂对粉煤灰进行水合活化反应是提高粉煤灰活性和烟气脱硫效率的有效方式[5].而要增强水合作用的效果，添加适当的激发剂是必要的.水合作用对粉煤灰吸附活性的提高主要体现在两个方面：一方面粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3具有不饱和键，能与Ca(OH)2电离出来的Ca2+反应生成具有空间网络结构的水合硅酸钙和水合铝酸钙等水合产物；另一方面，钙基吸收剂溶解后电离出来的OH-会腐蚀粉煤灰玻璃体的表面，使粉煤灰的表面结构解体，增加粉煤灰中的不饱和键，促进火山灰反应[6].另外，有研究认为OH-的腐蚀作用在pH>13.4时才对玻璃体起作用，而Ca(OH)2饱和溶液的pH值低于12.3[7].因此，增加水合作用体系中的OH-离子浓度和Ca2+离子浓度，对正向促进粉煤灰的火山灰反应是必要的.

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

实验所用粉煤灰取自福建省某坑口火力发电厂，呈黄灰色，密度为2.45 g/cm3，烧失量10.7%，含炭量较高，平均粒径为21.04 μm，原始比表面积2.780 36 cm2/g，主要化学元素组成如表1所示.

表1 粉煤灰主要元素组成

其余所用药品均为分析纯.

1.2 实验方法

将粉煤灰与Ca(OH)2以5∶1的质量比混合，加入一定量的激发剂，再加入固体总质量15倍的蒸馏水，在集热式磁力搅拌器中于90 ℃恒温水浴水合反应12 h后过滤，在105 ℃干燥箱中干燥后磨碎测比表面积.

粉煤灰活性激发常用的激发剂包括硫酸盐激发剂、氯盐激发剂、碱激发剂等.本文选用了3种类型中的6种激发剂进行研究：NaOH、Na2SiO3·9H2O、CaSO4·2H2O、Na2SO4、CaCl2、NaCl.

2 实验结果与讨论

2.1 碱激发剂的影响作用

如图1所示，NaOH对水合反应的激发作用随着其加入量的增加变化较大，当NaOH浓度小于0.2 mol/L时，产物比表面积持续增加，此时OH-的解聚功能得到了充分的发挥.

-Si-ONa中的Na+可以被Ca2+置换，生成水合硅酸钙.置换出的Na+继续循环反应，使反应不断进行[8].

但随着NaOH浓度的增大，产物比表面积急剧下降，这是由于OH-与Ca2+的同离子效应所致，随着OH-浓度的增加，Ca2+的浓度随之下降.此时虽然由于OH-的解聚功能使体系中的活性物质比例增大，但是同样作为反应物的Ca2+则比较缺乏，决定反应的主要因素已经不再是活性物质的多少，而取决于Ca2+的浓度.

图1 NaOH对粉煤灰比表面积的影响 图2 Na2SiO3·9H2O对粉煤灰比表面积的影响

从图2可以看出Na2SiO3·9H2O对水合反应的激发效果较好.不使用激发剂的水合产物比表面积为64.159 24 m2/g，当Na2SiO3·9H2O的加入量为Ca(OH)2质量的1.5倍时，水合产物的比表面积高达105.835 40 m2/g，增加了近一倍.当Na2SiO3·9H2O的用量比大于1.5时，产物比表面积虽然有所下降，但始终保持在64.159 24 m2/g之上.

Na2SiO3·9H2O在水合系统中水解电离出Na+离子，Na+离子与Ca(OH)2电离出的OH-结合生成强碱NaOH，这相当于增大了Ca(OH)2的溶解度：一方面使液相中的OH-增多，另一方面又使Ca2+的浓度增大.因为未引入外来OH-，所以不会像NaOH那样发生同离子效应.

Na2SiO3·9H2O水解生成的硅胶也可以与Ca2+反应，同样生成水合产物，从另一个反应途径增加空间网络结构的水合产物.

2.2 硫酸盐激发剂的影响作用

图3显示，随着硫酸盐激发剂加入量的增加，产物比表面积呈现先增大再减小的趋势.在激发剂加入量较少时，Na2SO4的激发作用优于CaSO4·2H2O；激发剂加入量较大，则CaSO4·2H2O的激发作用较好.

图3 硫酸盐激发剂对粉煤灰比表面积的影响 图4 氯盐激发剂对粉煤灰比表面积的影响

2.3 氯盐激发剂的影响作用

氯盐激发主要是利用中性盐可以降低水化产物的电位，另外氯盐激发剂电离出的Cl-扩散能力很强，能够穿透水合产物的表面，并与玻璃体内部的活性物质反应生成水化氯铝酸钙.水化氯铝酸钙使表面内外增大，从而破坏外表层[11].

CaCl的加入增加了反应物Ca2+的浓度，NaCl在水中水解为Na+和Cl-， Na+与Ca(OH)2水解后的OH-共存相当于少量强碱NaOH的作用[12].

氯盐激发剂的激发效果较硫酸盐激发剂好.由图4可以看出，少量的NaCl对水合反应的激发效果明显，CaCl2的加入量增大，激发效果较好.这可能是因为NaCl提供的OH-对粉煤灰玻璃体起到了腐蚀解聚作用，增加了活性物质的溶出量，这个作用在激发剂加入量较少时表现得比较明显；CaCl2的激发作用主要在于增加了火山灰反应产物的形成能力，在激发剂量较大时表现明显.

图5 未使用激发剂的水合样品XRD图 图6 使用激发剂的水合样品XRD图

图7 未使用激发剂的水合样品SEM图 图8 使用激发剂的水合样品SEM图

2.4 微观比较

选用相同条件下没有使用激发剂的样品和使用Na2SiO3·9H2O用量比为1.5时的样品做矿物组成和表面形貌的对比.通过对图5和图6的比较发现：使用激发剂的产物矿物组成中水合硅酸钙和水合铝酸钙的比例明显增多，另外有少量托贝莫来石生成.图7和图8显示：使用激发剂后产物在相同比例的扫描图下呈现出更加明显的网络结构，产物孔径增大，表面更加稀疏，更多的内部物质暴露出来，空间结构更加明显.这说明玻璃体表面的腐蚀作用和火山灰反应的能力都得到了增强，并且是比表面积增大、活性提高的根本原因.

3 结论

在恰当的比例下，3种类型中的6种激发剂均能对水合反应起到正向激发作用，提高水合产物的比表面积和活性；随着加入量的增加6种激发剂的激发作用均体现了先增大后减小的趋势，其中Na2SiO3·9H2O的激发效果最佳.

各种激发剂表现的激发机理不同，但激发剂提高粉煤灰活性的本质在于增强了水合过程中玻璃体的腐蚀作用以及提高了水合反应的正向进行动力.

参考文献

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