生活垃圾焚烧飞灰的物理化学特性研究

摘要：为进一步研究飞灰在建材中的可利用性，采用XRF(X射线荧光光谱仪)，SEM(环境电子扫描电镜)，XRD(X射线衍射仪）、IR（红外光谱仪）、ICP（电感藕合等离子体原子发射光谱仪）、激光粒度分析仪等先进仪器，分析了生活垃圾焚烧飞灰的粒径、微观形貌及组成。结果表明；98％～99％的飞灰颗粒粒径在4-100μm之间，颗粒分布比较均匀；玻璃相含量高达59％，其中的玻璃微珠使得飞灰具有较大的活性；主要化学成分是CaO、Si02、A1203，含量分别35.8％、20.5％、5.8％，构成Si02-Al203-金属氧化物体系；主要矿物成分是SiO2、CaCl2、Ca3Si2O7、Ca2SiO4•0.35H2O、Ca9Si6O21•H2O、K2Al2Si2O8•3.8H2O和AlCl3•4Al(OH)3•4H2O等硅酸盐及铝硅酸盐。指出飞灰是一种有用材料。
关键词：生活垃圾；焚烧飞灰；物理化学特性；重金属；微观形貌
1引言
随着垃圾焚烧技术越来越广泛地在国内外推广，所产生的飞灰也越来越多。飞灰因含有重金属及二恶英类物质，是一种公认的危险废物，必须经过安全处理。对飞灰的无害化处理建立在对其性质了解的基础上。国内对飞灰性质的研究较多，赵光杰等研究了除尘器飞灰的化学组成、热灼减率、灰熔点、浸出毒性与腐蚀性；万晓、冯军会等研究了重金属的分布及浸出特性，这些研究主要集中在对飞灰环境污染性的分析探讨方面。此外，Young-SookShim研究了不同粒径的飞灰对重金属的吸附能力，AuberJE研究了飞灰在水泥中的应用。为了进一步研究飞灰在建材中的可利用性，本文采用XRF（X射线荧光光谱仪）、SEM（环境电子扫描电镜）、XRD(X射线衍射仪）、IR（红外光谱仪）、ICP（电感耦合等离子体原子发射光谱仪）、激光粒度分析仪等先进仪器，分析了飞灰的粒度组成、微观形貌，元素、化学、基团及矿物组成，为飞灰在建材中的应用提供参考。
2实验部分
2.1取样
实验用垃圾飞灰取自上海某垃圾焚烧厂，该厂采用法国ALSTOM公司生产的CITY2000倾斜逆推往复式炉排，焚烧负荷为15.2t/h，控制焚烧炉内负压为－50～-30kPa，空气过剩系数大于1.6。烟气净化系统包括半干法烟气洗涤塔与布袋除尘器，烟气进入半干法烟气净化系统时喷射10％的石灰浆以除去其中的酸性气体，出塔后再喷射活性炭以吸收重金属气体等。入炉垃圾70％～80％来自居民区，20%～30％来自工商企事业单位，垃圾组成随季节有所变化。2003年4～12月期间，入炉垃圾主要组成为：纸类1.2％～10.8％，塑料5.3％～17.4％，木、布类2.1％～10.5％，厨余44.1％～86.2％，金属、玻璃、电池类0～4.1％，含水率42%～63.9％。
取1d内产生的灰样，确保样品的代表性。
2.2实验方法与设备
2.2.1粒径与微观形貌分析
采用激光粒度分析仪（LS230)分析飞灰的粒度组成特点，环境电子扫描电镜（XL-30ESEM）分析飞灰的微观形貌。
2.2.2组成分析
采用X射线荧光光谱仪（SRS3400)分析飞灰主要元素及其化学成分的含量；测Hg前采用HNO3／H2O2电热板消解方法消解，用数字显示测汞仪（F732-S双光束型）测其含量；其它少量及微量元素用ICP（IRISAdvantage5000）测定，采用的消解方案是HNO3/HF/HClO4－微波消解。
采用红外光谱仪（EQUINOX55）测定飞灰的基团组成，X射线衍射仪（PW1710）测定其矿物组成。
3实验结果讨论
3.1粒径与微观形貌分析
生活垃圾焚烧飞灰的粒度分布如图1所示，从图1中可以看出，98％～99％焚烧飞灰的颗粒粒径在4～100μm之间，颗粒分布比较均匀。粒径<61.69μm的颗粒百分含量高达90%，其平均粒径为18.96μm。从细度上看，飞灰越细，其单位体积的反应面积就越大，单位面积的表面能就越高，因而其活性也就越大。通过粒径分析可以得出，飞灰的粒径非常小，具有较大的活性，这非常有利于降低飞灰在资源化过程中的能耗。

图1飞灰的粒度分布
垃圾飞灰是非常细小的粉尘，用肉眼观察颜色多呈灰色。放大500倍的扫描电镜下，飞灰颗粒形状各异，虽然颗粒大小不一，但相对比较均匀（见图2）。绝大部分颗粒的粒径都不＞100μm，这与颗粒粒径的测试结果相符。飞灰颗粒非常松散地堆积在一起，颗粒间存在明显的孔隙。正是这些孔隙的存在，才使得飞灰中的重金属比较容易浸出，从而对环境造成危害。因此若能改变飞灰的结构，使其致密化，则可以大大减少重金属的浸出量，降低其对环境的污染。
在放大1000倍的垃圾飞灰SEM图谱中，可以清晰地看见鹅卵石状的飞灰颗粒（见图3）。这些颗粒的密实度很大，表面比较光滑，它们是飞灰中的玻璃相。有些颗粒像粉煤灰中的玻璃微珠，它们的存在增强了飞灰的活性。另外一些颗粒则呈棉絮状，结构非常松散，表面也非常粗糙。放大5000倍的SEM图谱中，可见一粒径约为40μm的球形飞灰颗粒（见图4）。很明显，这个大颗粒是多个小颗粒的聚合体，其中可以清晰地看到丝状吸附体下飞灰玻璃微珠的存在。这种大聚合体之所以能够形成，是因为飞灰细小的颗粒具有非常强的吸附性所致。正是因为飞灰颗粒具有非常强的吸附性，在经过稳定处理后，它可以用来处理污水中的重金属，国内外许多研究表明，飞灰对污水中Cu、Zn和Cd等重金属有很强的吸附作用。