来自城市固体废物焚烧飞灰的NaCl在碱活化材料中的作用

贾月瑶|薛彩红|赵德志|赵青心|曲福林

中国秦皇岛燕山大学亚稳态材料科学技术国家重点实验室，邮编066000

摘要

碱激活材料（AAMs）因其在稳定城市固体废物焚烧飞灰（IFA）中重金属方面的优异性能而被广泛用于处理。然而，IFA中含有超过20%的NaCl，目前关于NaCl在AAMs中的作用的研究尚缺乏。因此，在本研究中，制备了不同NaCl添加量的硅酸钠（NS-AAMs）或氢氧化钠（NH-AAMs）激活的矿渣和飞灰，以探讨NaCl的影响。此外，本研究首次对比了AAMs与矿渣混合水泥（PS60）在IFA处理中的效果。结果表明，NaCl降低了AAMs的压缩强度，但提高了PS60的压缩强度。当Cl⁻含量为6%时，NS-AAMs的压缩强度降低了33.3%，NH-激活的AAMs降低了45.8%，且随着AAMs中GGBS含量的降低，这种降低趋势更加明显。超过65%的Cl⁻从NH-AAMs中浸出，而在NS-AAMs中这一比例达到了75%。Cl⁻的分配比（S/S）主要依赖于水滑石类相（Ht）中的插层作用，而AAMs中的高碱度以及IFA中的SO₄²⁻会抑制这一过程。PS60中相对较低的碱度以及SO₄²⁻转化为水硬石的作用有利于Cl⁻的分配比。这种差异表明，通过将IFA中的SO₄²⁻转化为水硬石来减少其与AAMs的竞争，有助于提高Cl⁻的分配比，从而减轻NaCl对AAMs的负面影响。

引言

先前的大量研究表明（Xia和Liu等人，2024年；Chen等人），由粒化高炉矿渣（GGBS）和飞灰（FA）制备的碱激活材料（AAMs）在固化/稳定城市固体废物焚烧飞灰（IFA）中的重金属方面具有巨大潜力，为IFA的处理或回收提供了经济实用的选择。除了重金属外，IFA还含有超过20%的NaCl，因此在未经水洗预处理的情况下直接使用AAMs处理IFA时，AAMs内部会含有大量的NaCl[14]。IFA中的内部氯离子会与GGBS中的Al和Mg反应，形成水滑石类相（Ht），从而影响Cl⁻的分配比[16][28][29]。当AAMs的氯离子结合能力有限时，其中会含有大量的游离氯离子，这会影响反应产物的形成，进而影响其强度发展。

以往关于NaCl与AAMs相互作用的研究主要集中在将硬化的AAMs暴露于外部氯离子（如海水或NaCl溶液）的情况，这与增强材料的耐腐蚀性相关[3][5]，但关于混合过程中引入的内部氯离子对反应产物及材料力学性能的影响的研究较少。关于外部氯离子的影响，Noushini等人[17]通过X射线衍射发现未检测到Ht的形成，表明渗透到AAMs中的氯离子仍为水溶性。Yao等人[26]也指出，AAMs中的渗透氯离子无法形成Ht，这一现象与是否使用煅烧铝土矿尾矿或稻壳灰替代飞灰无关。相反，Ye等人[27]发现随着暴露溶液中氯离子浓度的增加，Ht的形成增加，AAMs中结合的氯离子量也随之变化。Zhang等人[30]对氢氧化钠和硅酸钠激活的矿渣砂浆进行了对比研究，也得出了相同的结果，氢氧化钠激活的优势在于其形成的Ht更多，且凝胶的Ca/Si比值更高。对于含有内部氯离子的AAMs，有研究[10][19]探讨了海水对其压缩强度的影响，发现用海水替代淡水会导致压缩强度的变化。然而，海水中除了NaCl外还含有Mg²⁺和SO₄²⁻等多种离子，这使得NaCl对AAMs的影响难以明确。Sun等人[23]比较了用淡水、海水、NaCl、CaCl₂、MgCl₂和Na₂SO₄溶液制备的AAMs的微观力学性能，发现原料中的氯离子会导致C-(A)-S-H凝胶的模量降低，但未评估其宏观力学性能。

为了探究IFA中的内部NaCl对AAMs的影响，本研究制备了不同NaCl添加量的硅酸钠或氢氧化钠激活的矿渣和飞灰。同时，为了帮助选择适合IFA处理的粘合剂，还系统比较了AAMs与矿渣混合水泥浆（PS60）在Cl⁻分配比方面的性能。研究了原料中可溶性氯离子含量、压缩强度以及不同龄期时可溶性氯离子的变化情况。通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和定量SEM-EDS超图分析，探讨了影响水滑石类相或Friedel盐形成的因素。

章节摘录

材料

本研究使用表1中给出的氧化物组成的GGBS和FA作为制备AAMs的前驱体。活性剂使用商业NaOH颗粒和硅酸钠溶液，其中硅酸钠溶液的固含量为35.5%，SiO₂-Na₂O比为3.3。所使用的IFA与[25]中的相同，其氧化物组成也列于表1中。图1展示了原始IFA和水洗后IFA的TGA和XRD结果。

压缩强度

图2显示了Cl⁻对AAMs和PS60压缩强度发展的影响。对于图2中的FS75-NS，当Cl⁻含量从2%增加到6%时，7天时的压缩强度降低了2.5%至20.3%，28天时降低了19.3%至33.3%。对于图2中的FS75-NH，6% Cl⁻含量下7天时的压缩强度降低了38.0%，28天时降低了45.8%。由此可见，使用AAMs时压缩强度的降低更为显著。

结论

本研究揭示了城市固体废物焚烧飞灰（IFA）中的NaCl在碱激活材料（AAMs）中的作用。根据实验结果，可以得出以下结论：

(1)

IFA中的NaCl降低了AAMs的压缩强度。当Cl⁻含量从2%增加到6%时，NS-AAMs在7天时的压缩强度降低了2.5%至20.3%，28天时降低了19.3%至33.3%，其中降低幅度更大。

作者贡献声明

贾月瑶：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、数据整理。薛彩红：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、资金申请、数据整理。赵德志：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究、概念构思。赵青心：监督、方法学设计、实验研究、资金申请。曲福林：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究的任何财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢河北省自然科学基金（E2023203211、C20230331）和国家自然科学基金（52408296、U24A20167）的财政支持。