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1微波熱活化的特點(diǎn)

由于各高嶺質(zhì)礦物形成過程不同，如高嶺質(zhì)煤矸石因經(jīng)受成礦作用后結(jié)晶有序化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密堆積，結(jié)晶空間受到限制，因而自形程度較差，所以破壞其晶格結(jié)構(gòu)需要較大的能量。常規(guī)熱活化的方法主要是通過熱傳導(dǎo)和熱輻射方式，所有的熱量都先到達(dá)材料表面，然后通過熱傳導(dǎo)向材料內(nèi)部傳遞。由于熱傳導(dǎo)是一個(gè)散熱過程，在熱傳導(dǎo)過程中熱量不可能被加強(qiáng)，材料的表面具有較高溫度，材料內(nèi)部的溫度在熱擴(kuò)散系數(shù)α的限制下溫度低于表面。所以，用常規(guī)熱活化方法時(shí)熱量不能有效地從顆粒表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部破壞其晶格結(jié)構(gòu)，致使煅燒過程效率低、能耗高、時(shí)間長(zhǎng)，且有二次污染。與常規(guī)加熱方式不同，微波輻照是從材料內(nèi)部加熱，可通過調(diào)節(jié)微波源功率獲得很高的升溫速率，且溫度的極大值出現(xiàn)在材料內(nèi)部，而不是材料表面，從而形成了與常規(guī)加熱過程不相同的微波效應(yīng)。由于微波效應(yīng)的存在，使微波活化高嶺質(zhì)礦物的機(jī)理完全不同于常規(guī)熱活化機(jī)理，微波場(chǎng)中固體廢棄物內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布對(duì)于原子擴(kuò)散和固相反應(yīng)過程存在著顯著的影響，體加熱明顯，受熱傳導(dǎo)的影響較小。

2國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

目前，國內(nèi)外學(xué)者已在微波熱活化高嶺質(zhì)礦物的相關(guān)領(lǐng)域做了大量的研究工作。鄭州大學(xué)湯建偉等通過微波和加熱恒溫作用下的硫酸鈣結(jié)晶試驗(yàn)，從結(jié)晶速率、晶形、粒度分布和組成等方面分析了微波場(chǎng)對(duì)結(jié)晶過程的影響。南京大學(xué)陳晶等認(rèn)為與常規(guī)高溫?zé)崽幚矸ㄏ啾龋⒉ǚ褵母邘X土其活化度好，粒度細(xì)，能耗大為降低;中山大學(xué)的鐘聲亮等認(rèn)為，在微波作用下高嶺土的相變過程和常規(guī)加熱法相同，但其相變速度快了4～12倍，相變溫度也相應(yīng)降低了200℃左右，產(chǎn)物的粒徑也更小，晶形更為圓滑。美國Vermont大學(xué)的Gallis•KW等闡述了利用微波煅燒可得到與常規(guī)煅燒同質(zhì)的納米級(jí)硅酸鹽和鋁硅酸鹽產(chǎn)物，而常規(guī)煅燒需時(shí)135min，微波煅燒只需10min。然而，上述學(xué)者的研究是針對(duì)單組分物質(zhì)進(jìn)行的，而高嶺質(zhì)礦物的組分要復(fù)雜的多，它屬于多元系;一般說來，單質(zhì)元素基本都能被微波加熱，如碳的升溫速度最快，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)被加熱到很高的溫度(無定形碳(1．00μm)，在微波場(chǎng)中升溫速度為846．7℃/min)，西班牙學(xué)者M(jìn)enéndez•JA等對(duì)碳質(zhì)材料在微波場(chǎng)中的反應(yīng)進(jìn)行了深入的研究，研究結(jié)果表明碳質(zhì)材料具有很好的吸波性，對(duì)含有碳質(zhì)材料的多組份材料，碳質(zhì)材料在微波場(chǎng)中起著吸波體和催化劑的作用。但由于硅酸鹽、SiO2和A12O3不能或只能部分地吸收微波，升溫速度較慢，所以它們只能通過吸收微波的物質(zhì)被間接加熱。美國Pennsylvania洲立大學(xué)的Peelamedu等通過大量試驗(yàn)證實(shí)了在微波加熱過程中多元系先升溫的物相可以向未升溫的物相單向傳質(zhì)，即在微波場(chǎng)中可以實(shí)現(xiàn)通過高吸收微波能的物質(zhì)間接加熱不能或只能部分吸收微波的物質(zhì)。有資料表明用SiC為基座包裹A12O3使A12O3在微波場(chǎng)中被加熱到800℃時(shí)，A12O3將直接吸收微波能量。

3微波活化高嶺質(zhì)煤矸石研究

通過利用未燃煤矸石中的碳、有機(jī)物和添加劑對(duì)云南省來賓煤礦高嶺質(zhì)煤矸石進(jìn)行改性后，使該煤矸石混合物在微波作用下(3．5kW、2450MHz、8min)熱活化，而傳統(tǒng)的熱活化則需270min(箱式電爐加熱至750℃，升溫速度為5℃/min，保溫時(shí)間為2h)，活化率是傳統(tǒng)熱活化效率的33．75倍，且無二次污染。為進(jìn)一步測(cè)定微波熱活化煤矸石效應(yīng)，對(duì)微波熱活化煤矸石－硅酸鹽水泥體系進(jìn)行了系統(tǒng)的檢測(cè)。按照國家相關(guān)規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過在硅酸鹽水泥中分別摻入水泥質(zhì)量15%、35%、50%的微波活化煤矸石，組成微波活化煤矸石－硅酸鹽水泥復(fù)合膠凝材料(MGC)，對(duì)其分別進(jìn)行強(qiáng)度、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、體積安定性測(cè)試。摻量為50%的MGC體系其細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間和體積安定性等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且其后期強(qiáng)度與同摻量的?；郀t礦渣(325目)硅酸鹽水泥強(qiáng)度相近見圖1。圖1中GC表示未活化煤矸石－水泥膠砂;MGC表示微波輻照活化煤矸石－水泥膠砂;SC表示?；郀t礦渣(325目)－水泥膠砂;MGCC表示微波輻照活化煤矸石－氧化鈣－水泥膠砂。由圖1還可知，在微波輻照活化煤矸石－硅酸鹽水泥復(fù)合膠凝材料中如再添加適量的氧化鈣(CaO)，其膠砂(MGCC)強(qiáng)度會(huì)獲得大幅度地提高。對(duì)微波活化煤矸石火山灰活性指數(shù)的測(cè)定，是檢測(cè)其與硅酸鹽水泥水化后生成新的水硬性膠凝材料的重要指標(biāo)。煤矸石的火山灰活性指數(shù)(PAI)是由MGC膠砂強(qiáng)度與硅酸鹽水泥膠砂強(qiáng)度之比獲得。活性指數(shù)越大，說明煤矸石的火山灰活性越大。對(duì)于不同摻量的MGC體系，其火山灰活性指數(shù)變化見，對(duì)于不同比表面積的活化煤矸石其活化度也不同。，隨著微波活化煤矸石摻量的增加，微波活化煤矸石－硅酸鹽水泥體系火山灰活性指數(shù)將顯著降低;由表3可知，隨著微波活化煤矸石細(xì)度的增加，微波活化煤矸石的活化度將隨之提高。

4結(jié)論

(1)通過對(duì)國內(nèi)外微波熱活化高嶺質(zhì)礦物相關(guān)研究的分析，在微波活化高嶺質(zhì)煤矸石研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為利用微波活化不同種類的高嶺質(zhì)礦物，使其成為優(yōu)質(zhì)的水泥輔助性膠凝組份是可行的。

(2)不同高嶺質(zhì)礦物成份和化學(xué)成份存在著一定的差異，微波對(duì)其活化效果也會(huì)有所不同，如活化過程中礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)、微波場(chǎng)分布、溫度及加熱時(shí)間和活化效應(yīng)等，但通過改性處理后，不同種類的高嶺質(zhì)礦物同樣可被熱活化，而成為優(yōu)質(zhì)的水泥輔助性膠凝組份。這一技術(shù)的提出將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)高效、節(jié)能、利廢、減排提供一條新思路。

作者：胡曉娜趙志曼王倩王春杰張小美單位：昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院