本文发表于《Construction and Building Materials》期刊第368卷（2023年），题为“Preparation of high-strength ceramsite from municipal solid waste incineration fly ash and clay based on CaO-SiO2-Al2O3 system”。该研究由Yuyang Long、Kai Pu、Yuqiang Yang、Huanlin Huang、Haoyu Fang、Dongsheng Shen、Hairong Geng、Jinmu Ruan和Foquan Gu等作者共同完成，主要研究机构包括浙江工商大学环境科学与工程学院、杭州桂源环境技术有限公司、浙江汇合源环境技术有限公司和绍兴上虞中联环保有限公司。

研究背景

随着城市固体废弃物焚烧飞灰（Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash, FA）产量的增加，其处理问题引起了广泛关注。FA含有致癌有机污染物（如苯并芘、苯并蒽和二恶英）和重金属（如铬、镉、锌、铅、铜和镍），若处理不当，将对环境造成严重危害。目前，FA的处理方法主要包括固化/稳定化法和水泥窑协同处置法，但这些方法存在占用土地资源、二次污染风险等问题。因此，研究者探索了烧结和熔融等更高效的处理方法。烧结处理FA的过程与陶粒（ceramsite）的制备过程高度一致，陶粒因其低密度、良好的隔热性和稳定性，广泛应用于建筑、冶金、化工和农业等领域。

研究目标

本研究旨在通过理论分析和实验验证，评估利用FA和黏土制备高强度陶粒的可行性。研究内容包括：1）FA/黏土系统在烧结过程中的热转化行为；2）FA/黏土系统在烧结过程中的相变行为；3）FA添加量、烧结温度和保温时间对陶粒性能的影响；4）所得陶粒中重金属的稳定性。

研究方法

研究首先通过Factsage 8.1软件计算了FA/黏土系统的三元相图和理论相组成，分析了不同温度下的相变行为。实验部分，FA和黏土样品在105°C下干燥并粉碎至小于0.074毫米，混合后加水制成10-12毫米的颗粒，干燥后进行烧结。烧结后的样品通过X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）、原子吸收光谱（AAS）和热重-差热分析（TG-DSC）等方法进行化学成分、相组成、重金属含量和热行为分析。陶粒的圆柱抗压强度、堆积密度和吸水率等性能指标根据轻集料测试方法（GB/T 17431.2-2010）进行测试。

研究结果

1. 热转化行为：TG-DSC分析表明，FA和黏土的混合可以降低液相形成温度，促进烧结过程。FA/黏土系统的液相形成温度在1161-1194°C之间，推测适宜的烧结温度为1200°C。
2. 相变行为：根据CaO-SiO2-Al2O3相图，当FA添加量为40 wt%时，FA/黏土系统的潜在平衡相为钙长石（CaAl2Si2O8），这是典型的陶粒形成相。XRD分析证实了烧结样品中钙长石是主要相。
3. 陶粒制备：在FA添加量为40 wt%、烧结温度为1200°C、保温时间为20分钟的条件下，制备的陶粒具有优异的强度性能和重金属稳定性，堆积密度为1089 kg/m³，圆柱抗压强度为32.90 MPa，1小时吸水率为0.1%。
4. 重金属稳定性：烧结后，陶粒中的铜、铅、锌和镉含量显著降低，铬含量略有下降。陶粒中重金属的浸出毒性未检测到，表明在陶粒制备过程中实现了FA中重金属的同步解毒。

研究结论

本研究通过理论分析和实验验证，证明了利用FA和黏土制备高强度陶粒的可行性。研究结果表明，FA和黏土的混合可以降低液相形成温度，促进烧结过程。当FA添加量为40 wt%时，FA/黏土系统的潜在平衡相为钙长石，XRD分析证实了烧结样品中钙长石是主要相。在最佳条件下制备的陶粒具有优异的强度性能和重金属稳定性，展示了其在建筑材料领域的良好应用前景。

研究亮点

1. 创新性：本研究首次系统评估了FA和黏土混合制备高强度陶粒的可行性，提出了基于CaO-SiO2-Al2O3系统的相变理论。
2. 应用价值：研究结果为FA的资源化利用提供了新的途径，制备的陶粒具有优异的性能，可广泛应用于建筑材料领域。
3. 环保效益：通过烧结处理，FA中的重金属得到了有效固化，减少了二次污染风险，具有显著的环境效益。

其他有价值的内容

研究还指出，FA的处理成本较高（140-240美元/吨），而陶粒的制备过程具有较高的经济价值，预计将带来显著的经济和环境效益。此外，研究结果为FA和其他危险废物的资源化利用提供了重要参考。