工业固体废弃物微晶玻璃.doc

工业固体废弃物微晶玻璃工业固体废弃物是指工业固体废物，是指在工业生产活动中产生的固体废物。固体废物的一类，简称工业废物，是工业生产过程中排入环境的各种废渣、粉尘及其他废物。可分为一般工业废物（如高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、废石膏、盐泥等）和工业有害固体废物。工业废物消极堆存不仅占用大量土地，造成人力物力的浪费，而且许多工业废渣含有易溶于水的物质，通过淋溶污染土壤和水体。粉状的工业废物，随风飞扬，污染大气，有的还散发臭气和毒气。有的废物甚至淤塞河道，污染水系，影响生物生长，危害人身健康。因此如何有效解决并利用工业固体废弃物成为当今社会亟待解决的问题之一。自从前苏联利用尾矿废渣制造微晶玻璃后使得利用工业固体废弃物制作微晶玻璃的出现为如何解决工业固体废弃物开启了一丝曙光。而且它具有许多其他方面不具备的优势。从资源方面来说是工业废物普遍存在于世界各地，而且能够变废为宝，实现资源而二次利用；从成本上来说，工业废物本身属于廉价原料，可以就近取材，几乎只考虑运输费用的问题便可，而且能够解决工业废物占地，影响环境与市容的问题；从环保上说，直接采用工业废物为原料，可以避免使用化工原料而附加的一系列污染问题，而且尾矿几乎没有放射性，可以直接利用，对人体没有危害。所以无论从资源，成本，环保方面来说，利用工业废物制备微晶玻璃都是一个十分值得研究的方向。因此，工业固体废弃物微晶玻璃将成为2l世纪的绿色环境新型材料。(1) 钢渣微晶玻璃钢渣是炼钢过程中排放出来的固体废弃物，一般呈现黑色，外观与结块的水泥熟料相似，内部可能包裹着部分铁粒，且密度和硬度都很大。从有关资料来看，钢渣主要由氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等组成。不同的钢厂排放的钢渣的化学组成含量也有所不同，一般情况下，CaO占30 %60 %，Fe2O3占15 %26 %，SiO2占8 %23 % ，Al2O3占3 %8 % ，MgO占4 %11 %1。此外，有的钢渣还可能有少量的V2O5、TiO2、P2O5和Cr2O3等。钢渣中的FeO与Fe2O3不但可以降低熔融温度，还能作为微晶玻璃晶核剂，诱导玻璃析晶。而且TiO2与Cr2O3等也都是良好的晶核剂，也可以作为外添加晶核剂促进玻璃析晶。而且随着我国钢铁工业的蓬勃发展，钢铁废渣排放量已经达到5000万吨/年。封鉴秋等2以钢渣和粉煤灰为主要原料，采用熔融法研制出以普通辉石(Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6)为主晶相的微晶玻璃，其中钢渣与粉煤灰等废渣用量高达80%。最大抗弯强度为138MPa，完全可以满足建筑材料的性能要求。程金树等人3以钢渣为主要原料，用烧结法制备出硅灰石为主晶相的微晶玻璃，钢渣利用率在50%以上，同时还研究了玻璃成分对烧结和晶化性能的影响。而且适当的提高钢渣微晶玻璃中的CaO的含量或提高晶化时间，使得制备的微晶玻璃具有更好的耐磨和耐腐蚀性能，晶化程度也进一步扩大4。目前，许多钢铁企业都在着手产业化的工程技术研究，宝钢、莱钢等的工程技术研究已经初有成效，而攀枝花钢铁公司己建成烧结法微晶玻璃装饰板材生产线。(2) 高炉渣微晶玻璃高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的废物，当炉温达到14001600时，炉料发生熔融，矿石中的脉石、焦炭中的灰分和助溶剂以及其他不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主浮在铁水上面形成熔渣，称之为高炉渣。助熔剂与铁矿石发生高温化学反应生成生铁和高炉渣，其排放量随着矿石品位和冶炼方法的不同而变化，每生产1吨生铁通常要排出0.31.2吨高炉渣5。随着钢铁工业的蓬勃发展，高炉渣的排放量也与日俱增。以我国为例，每年的冶金炉渣排放量便超过了700万吨。高炉渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质所形成的易熔物质，其主要的特点是：当高炉冶炼的炉料固定及冶炼正常时，高炉渣的化学成分波动小，而且经水淬以后成为细小的球粒状疏松的矿渣（通常称为水渣）。高炉渣的化学成分与普通硅酸盐水泥类似，用于制备矿渣水泥原料时其利用率甚至高达85wt.%以上6。高炉渣的组成为硅酸盐和铝硅酸盐，主要成分有CaO、MgO、SiO2、Al2O3和MnO等，一些特种生铁渣中还有TiO2和V2O5等。以高炉渣和石英砂为主要原料，利用直接熔融法制备微晶玻璃，相比传统方法更加节约能耗，而且钢渣利用率高达90%以上，得到微晶玻璃的主晶相为镁黄长石和透辉石，而且随着CaF2的增加，样品的抗折强度也增大，提高到120MPa7。南雪丽等8利用高炉渣为主要原料，采用烧结法制备了以-硅灰石为主晶相的高炉渣微晶玻璃，获得结构均匀致密、性能良好的高炉渣微晶玻璃，能够满足建筑装饰行业的质量要求。(3) 铬渣微晶玻璃铬渣是在铬盐的生产过程中排放出来的废渣。据有关方面统计，目前我国每年排放铬渣接近一百万吨9。铬渣中可溶的Cr6+是一种强致癌物质，对铬渣的回收利用，特别是把 Cr6+转化为无毒的Cr3+很重要。Cr2O3是微晶玻璃的良好晶核剂，如果在高温还原气氛中把Cr6+全部转变为Cr2O3，进而作为微晶玻璃的晶核中心，这样可使可溶性的Cr6+的含量降到很低，从而实现铬渣的无毒化。而李有光等10正是利用这种方法制得了可用作高档装饰材料的墨绿色和黑色两种半透明微晶玻璃，可溶性Cr6+的含量仅为0.22mg/kg，远低于5mg/kg的国家排放标准，铬渣的总利用率为50%，而且利用铬渣制备的微晶玻璃的各项性能均优于天然大理石和花岗岩。(4) 钛渣微晶玻璃一般钛渣TiO2的含量高达20%。由于TiO2是性能优良的晶核剂和助熔剂，因此钛渣可以直接作为矿渣微晶玻璃的原料。但是TiO2易出现表面析晶，须加入少量其他的晶核剂。陈蓓等11确定使用高炉钛渣及废玻璃生产微晶玻璃的可能性。而肖兴成等12探索了分别添加ZrO2、P2O5与原料本身的TiO2组成复合晶核剂，有效地促进钛渣微晶玻璃整体晶化，成核机理皆为液相分离，钛渣微晶玻璃的主晶相为透辉石CaMg( SiO3)2、榍石(CaTiSiO5)。其制备的钛渣微晶玻璃具有较好的力学性能、较高的化学稳定性，可用于机械工业、石油化工等方面。(5) 磷渣微晶玻璃磷渣的主要成份为CaO和SiO2，其中CaO含量高达50wt.左右，除此之外磷渣中还含有少量的Al2O3、MgO等成分。为了利用更多的磷渣，王长文等13设计基础玻璃的配方中黄磷渣的利用率均在30wt.%以上，并以不同含量的Cr2O3为晶核剂，晶相以透辉石为主并伴有少量的镁铬尖晶石(MgCr2O4)，其制备的黄磷渣微晶玻璃的最大抗折强度达到254.92MPa，各项性能优良。而杨家宽等14利用熔融法制备的黄磷渣微晶玻璃主晶相为硅灰石(CaSiO3)和透灰石(CaMg(SiO3)2)，其中纤维状硅灰石组织中弥散着白亮的小颗粒状透灰石晶粒，硅灰石纤维状晶体的晶宽以及透灰石粒晶体的粒径均大约为1m，晶粒分布均匀。(6) 灰渣微晶玻璃灰渣微晶玻璃主要指粉煤灰和火山灰，粉煤灰是锅炉中燃烧后剩余的残留物，其主要成分为SiO2和A12O3，还附有少量有害物质。目前其主要用于水泥、烧结砖、切砖及筑路工程材料等。为了扩大应用范围，促进粉煤灰的高附加值利用，以粉煤灰为主要原料制备微晶玻璃15，其各项性能也明显优于高于天然石材。火山凝灰是火山喷出的碎屑与雾状颗粒沉降物，经灼烧冷凝而形成的块状固体。余海湖等16以火山凝灰为主要原料，分别采用熔法和烧结法，都制得了以-硅灰石为主晶相的火山灰微晶玻璃，火山灰利用率在35%70%之间，特别是采用熔融法制备出均匀透明的浅黄绿色的微晶玻璃，完全适用于高档建筑的装饰。(7) 复合矿渣微晶玻璃所谓复合矿渣微晶玻璃，就是将具有不同化学成分的各类矿渣，与几种废渣搭配使用，按照一定比例混合，从而制备出复合矿渣微晶玻璃，它不但可以提高矿渣利用率，而且还能进一步降低生产成本。张翠玲等17以钢渣、铜尾矿、粉煤灰及砂岩为主要原料，添加少量Fe2O3和Cr2O3作为复合晶核剂，制备的微晶玻璃以铁透辉石(Ca(Fe,Al)(Si,Al)2O6)为主晶相，次晶相是尖晶石，固体废弃物利用率高达90%以上。南雪丽等18以镍渣34%、粉煤灰28%、钙盐18%、钠盐4%为主要原料，以TiO2为主要晶核剂，制备微晶玻璃的主晶相为辉石类矿物，其晶粒细小且分布均匀，晶体间相互交错排列，成稳定的网络状结构，其综合性能良好。形成的微晶玻璃能够满足微晶玻璃的国家标准要求。固体废弃物的总利用率也在60%以上，为环境保护和二次资源利用开辟了一条有意义的途径。(8) 其他矿渣微晶玻璃除上述几种常见的工业废渣外，还有一些废渣矿渣可以用来制备微晶玻璃，如用李景华等19利用镍渣制备微晶玻璃，并添加10wt.%TiO2作为晶核剂，得到主晶相是透辉石(Ca(Mg,Al)(Si,Al)2O6)，次晶相为钙长石(CaAl2Si2O8)的微晶玻璃；李勇等20利用油页岩渣为原料，以TiO2和P2O5为复合晶核剂，制得微晶玻璃的主晶相为钙铁透辉石，次晶相为钙长石，晶体呈纤维状结构并且交错分布，性能明显优于同类的瓷质砖、大理石和花岗岩等建筑装饰材料；王志强等21以60%酸洗硼镁渣为主原料，在添加适量的长石、方解石等原料情况下，研制出以透辉石与钙长石固溶体为主晶相，适于建筑装饰材料方面的微晶玻璃；李拓文等22以增钙渣为主要原料，化工铬渣为晶核剂的，做出耐磨性及耐腐蚀性很好的微晶玻璃。这些利用矿渣制备的微晶玻璃主要特点是废渣利用率高、耐磨损和耐腐蚀性好、力学性能高，可广泛应用于建筑、机械、化工等领域。参考文献 1郑铁柱. 工业废料钢渣的合理利用J. 国外公路, 2000(3):33-35. 2封鉴秋, 谭伟, 李素平, 等. 钢渣-粉煤灰微晶玻璃的研制J. 河南建材, 2010(6):40-42. 3黄玉生程金树汤李缨王全. 钢渣微晶玻璃的研究J. 武汉工业大学学报, 1995(4):1-3. 4He F, Fang Y, Xie J, et al. Fabrication and characterization of glass-ceramics materials developed from steel slag wasteJ. Materials & Design, 2012. 5杨合, 赵苏. 高炉渣在建材领域的应用J. 矿产保护与利用, 2004(1):47-51. 6刘洋. 高炉渣微晶玻璃的制备及其性能研究D. 湖南大学, 2006. 7Zhao Y, Chen D, Bi Y, et al. Preparation of low cost glass-ceramics from molten blast furnace slagJ. Ceramics International, 2011. 8南雪丽, 傅希圣, 周琦. 高炉矿渣微晶玻璃的研制J. 玻璃, 2005(3):15-18. 9兰嗣国, 殷惠民, 狄一安, 等. 浅谈铬渣解毒技术J. 环境科学研究, 1998(3):58-61.10李有光, 龚七一, 秦德酬, 等. 利用铬渣制造微晶玻璃建筑装饰板J. 环境科学, 1994(6):41-42.11陈蓓, 魏瑞航, 罗启泉, 等. 高炉钛渣和废玻璃生产矿渣微晶玻璃的研究J. 重庆大学学报(自然科学版), 1992(4):62-67.12肖兴成, 江伟辉, 王永兰, 等. 钛渣微晶玻璃晶化工艺的研究J. 玻璃与搪瓷, 1999(2):9-13.13王长文, 时东霞. 磷渣微晶玻璃的研究J. 玻璃, 1992(6):7-13.14杨家宽, 肖波, 姚鼎文, 等. 黄磷渣微晶玻璃制备及显微结构分析J. 矿产综合利用, 2003(2):40-43.15陈国华, 赵世玺, 杨刚宾. 粉煤灰在微晶玻璃中的应用J. 粉煤灰综合利用, 1997(1):25-27.16余海湖. 火山凝灰岩微晶玻璃的研究J. 武汉工业大学学报, 1997(4):38-42.17张翠玲, 陆雷, 江勤, 等. 复合尾矿废渣微晶玻璃析晶性能的研究J. 矿冶工程, 2010(1):81-83.18南雪丽, 卢学峰, 傅希圣. 利用复合工业废渣制备CaO-MgO-Al2O3-