煤渣陶瓷的微观结构分析

陈倩

【摘 要】以煤渣为主要原料，辅以粘土，长石和石英等原料，采用传统陶瓷的烧结工艺烧制煤渣陶瓷。采用XRD，EDS分析了煤渣陶瓷的物相组成及微观结构。研究表明：煤渣陶瓷主要含有钙长石，石英和赤铁矿等晶相。石英在坯体中以单独的相存在，钙长石分布相对均匀，赤铁矿零星分布。

【关键词】煤渣；陶瓷；微观结构

【Abstract】With cinder as major material and clay，feldspar，quartz as ancillary material， cinder ceramics was manufactured by traditional ceramics sinter process. Cinder ceramics were systematically characterized by the X-ray diffraction （XRD） and Energy Dispersive Spectrum （EDS）. The possible crystal phases that exist in cinder ceramics were identified， which are anorthite， quartz and hematite. And the quartz phases exist signally， anorthite are relatively well-distributed， hematite distributed sporadically.

【Key words】Cinder； Ceramic； Microstructure

我国是以煤炭为主的能源生产与消费大国，无论是工业，发电厂还是民用锅炉及其他燃煤设备，每年都会产生大量的煤渣。煤渣弃置堆积占用土地，长期堆放给生态环境带来负荷[1-2]。目前，煤渣主要作为吸附剂、脱色剂等[3-5]。由于煤渣含有大量的SiO2和Al2O3，因此，煤渣可作为一种新型的原料，生产建筑陶瓷，不仅减少了传统陶瓷原料的消耗，而且能够更多更好的利用废料煤渣，实现废料的资源化。

1 实验方法

采用煤渣、粘土、长石和石英为原料，采用传统陶瓷的烧结工艺烧制煤渣陶瓷，配方见表1，其中，sample1的烧结温度为1160℃，sample2和sample3的烧结温度为1190℃。

2 微观结构分析

2.1 XRD分析

从图1可看出，煤渣陶瓷的主晶相包含anorthite（钙长石）、quartz（石英）和hematite（赤铁矿）。这是因为煤渣中含有大量的SiO2和CaO，它们在烧结后形成了钙长石。赤铁矿来源于煤渣，在低温烧结过程中它可以填充孔隙从而提高煤渣陶瓷的抗弯强度，但当烧结温度升高时，赤铁矿熔融导致液相增加，进而导致煤渣陶瓷的抗弯强度[6]。而钙长石和石英相都会提高煤渣陶瓷的抗弯强度。

2.2 EDS分析

scanning of elements

为了进一步分析煤渣陶瓷的相分布，对sapmle2进行了EDS分析。Si、O、Fe、Ca和Al 元素的背散射电子图像和面扫描如图2所示。其中，不同的颜色代表不同的化合物，图2可定性的描述了被扫区域中不同元素的分布，且颜色越明亮，说明该处的元素比例越高。从图2中可以看出，煤渣陶瓷的主晶相分布着为CaO、 Al2O3和 SiO2，这可能是因为钙长石晶粒细小以致于钙长石晶粒被玻璃相包裹。其次，煤渣陶瓷的微观结构中具有零星分布的FeO，且有两处存在SiO2单晶，如图3中区域1和区域2处所示。为了进一步对煤渣陶瓷的微观结构进行定量分析，对被扫区域的四个典型微小区域进行点扫描，如图3中1、2、3和4所示。

在区域1中，SiO2的含量占99.12%，说明此处晶相为石英。同理，可推断区域2也为石英相。在区域3中， FeO， SiO2和Al2O3的比例为 91.29：4.07：4.64，包含了少量的SiO2和Al2O3。而由图2中推断区域3处是FeO相。经过分析，这可能是因为X-ray的空间分辨率大约在5μm，而区域3大约7μm，因此，由点扫描出的区域3中的含量包含了区域3周围大概2μm左右的元素含量，因此，存在少量的SiO2和Al2O3。在区域4中， Al2O3、SiO2和CaO的比例为 17.63：73.42：8.98，该比例与钙长石 （CaO·Al2O3·6SiO2）中各氧化物的比例相近，因此，可判定区域4为钙长石。由此可见，在煤渣陶瓷中，钙长石均匀分布，石英和赤铁矿分布在钙长石相中，石英颗粒的尺寸大于赤铁矿。

3 结论

（1）煤渣陶瓷采用的煤渣含量高达60%，实现了废料的资源化。

（2）通过XRD分析，煤渣陶瓷含有主晶相钙长石和次晶相石英和赤铁矿。

（3）通过ESD分析，在煤渣陶瓷中，钙长石均匀分布，石英和赤铁矿分布在钙长石相中，石英颗粒的尺寸大于赤铁矿。

【参考文献】

[1]张再勇.粉煤灰节能环保建筑材料的开发试验研究[J].中国高新技术企业，2008，（5）：56-57.

[2]康勇.粉煤灰的应用现状[J].中国粉体工业，2010（6）：12-14.

[3]杨嘉谟，余训民，苏青青，等.钙质煤渣吸附剂脱除烟气中二氧化硫的实验研究[J].环境工程学报，2007，（1）：87-90.

[4]张怀芹.煤渣结构形成及其综合利用[J].辽宁城乡环境科技，2003，23（5）：37-38

[5]刘精今，李小明，杨麒.炉渣的吸附性能及在废水处理中的应用[J].工业用水与废水，2003，34（1）：12-15.

[6]Hao Bai， Pu Liu， Xianbin Ai et al.， Analysis on the microstructure characteristics of steel-slag based Ceramics[J]. Materials Research， 2011（150-151）：133-138.

[责任编辑：邓丽丽]