管窥微波辐照活化高岭质矿物

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1微波热活化的特点

由于各高岭质矿物形成过程不同，如高岭质煤矸石因经受成矿作用后结晶有序化，内部结构紧密堆积，结晶空间受到限制，因而自形程度较差，所以破坏其晶格结构需要较大的能量。常规热活化的方法主要是通过热传导和热辐射方式，所有的热量都先到达材料表面，然后通过热传导向材料内部传递。由于热传导是一个散热过程，在热传导过程中热量不可能被加强，材料的表面具有较高温度，材料内部的温度在热扩散系数α的限制下温度低于表面。所以，用常规热活化方法时热量不能有效地从颗粒表面传递到内部破坏其晶格结构，致使煅烧过程效率低、能耗高、时间长，且有二次污染。与常规加热方式不同，微波辐照是从材料内部加热，可通过调节微波源功率获得很高的升温速率，且温度的极大值出现在材料内部，而不是材料表面，从而形成了与常规加热过程不相同的微波效应。由于微波效应的存在，使微波活化高岭质矿物的机理完全不同于常规热活化机理，微波场中固体废弃物内部的电磁场分布对于原子扩散和固相反应过程存在着显著的影响，体加热明显，受热传导的影响较小。

2国内外研究动态

目前，国内外学者已在微波热活化高岭质矿物的相关领域做了大量的研究工作。郑州大学汤建伟等通过微波和加热恒温作用下的硫酸钙结晶试验，从结晶速率、晶形、粒度分布和组成等方面分析了微波场对结晶过程的影响。南京大学陈晶等认为与常规高温热处理法相比，微波法煅烧的高岭土其活化度好，粒度细，能耗大为降低;中山大学的钟声亮等认为，在微波作用下高岭土的相变过程和常规加热法相同，但其相变速度快了4～12倍，相变温度也相应降低了200℃左右，产物的粒径也更小，晶形更为圆滑。美国Vermont大学的Gallis•KW等阐述了利用微波煅烧可得到与常规煅烧同质的纳米级硅酸盐和铝硅酸盐产物，而常规煅烧需时135min，微波煅烧只需10min。然而，上述学者的研究是针对单组分物质进行的，而高岭质矿物的组分要复杂的多，它属于多元系;一般说来，单质元素基本都能被微波加热，如碳的升温速度最快，它可以在很短的时间内被加热到很高的温度(无定形碳(1．00μm)，在微波场中升温速度为846．7℃/min)，西班牙学者Menéndez•JA等对碳质材料在微波场中的反应进行了深入的研究，研究结果表明碳质材料具有很好的吸波性，对含有碳质材料的多组份材料，碳质材料在微波场中起着吸波体和催化剂的作用。但由于硅酸盐、SiO2和A12O3不能或只能部分地吸收微波，升温速度较慢，所以它们只能通过吸收微波的物质被间接加热。美国Pennsylvania洲立大学的Peelamedu等通过大量试验证实了在微波加热过程中多元系先升温的物相可以向未升温的物相单向传质，即在微波场中可以实现通过高吸收微波能的物质间接加热不能或只能部分吸收微波的物质。有资料表明用SiC为基座包裹A12O3使A12O3在微波场中被加热到800℃时，A12O3将直接吸收微波能量。

3微波活化高岭质煤矸石研究

通过利用未燃煤矸石中的碳、有机物和添加剂对云南省来宾煤矿高岭质煤矸石进行改性后，使该煤矸石混合物在微波作用下(3．5kW、2450MHz、8min)热活化，而传统的热活化则需270min(箱式电炉加热至750℃，升温速度为5℃/min，保温时间为2h)，活化率是传统热活化效率的33．75倍，且无二次污染。为进一步测定微波热活化煤矸石效应，对微波热活化煤矸石－硅酸盐水泥体系进行了系统的检测。按照国家相关规范及技术标准要求，通过在硅酸盐水泥中分别掺入水泥质量15%、35%、50%的微波活化煤矸石，组成微波活化煤矸石－硅酸盐水泥复合胶凝材料(MGC)，对其分别进行强度、细度、凝结时间、体积安定性测试。掺量为50%的MGC体系其细度、凝结时间和体积安定性等技术指标均达到国家相关技术标准，且其后期强度与同掺量的粒化高炉矿渣(325目)硅酸盐水泥强度相近见图1。图1中GC表示未活化煤矸石－水泥胶砂;MGC表示微波辐照活化煤矸石－水泥胶砂;SC表示粒化高炉矿渣(325目)－水泥胶砂;MGCC表示微波辐照活化煤矸石－氧化钙－水泥胶砂。由图1还可知，在微波辐照活化煤矸石－硅酸盐水泥复合胶凝材料中如再添加适量的氧化钙(CaO)，其胶砂(MGCC)强度会获得大幅度地提高。对微波活化煤矸石火山灰活性指数的测定，是检测其与硅酸盐水泥水化后生成新的水硬性胶凝材料的重要指标。煤矸石的火山灰活性指数(PAI)是由MGC胶砂强度与硅酸盐水泥胶砂强度之比获得。活性指数越大，说明煤矸石的火山灰活性越大。对于不同掺量的MGC体系，其火山灰活性指数变化见，对于不同比表面积的活化煤矸石其活化度也不同。，随着微波活化煤矸石掺量的增加，微波活化煤矸石－硅酸盐水泥体系火山灰活性指数将显著降低;由表3可知，随着微波活化煤矸石细度的增加，微波活化煤矸石的活化度将随之提高。

4结论

(1)通过对国内外微波热活化高岭质矿物相关研究的分析，在微波活化高岭质煤矸石研究的基础上，认为利用微波活化不同种类的高岭质矿物，使其成为优质的水泥辅助性胶凝组份是可行的。

(2)不同高岭质矿物成份和化学成份存在着一定的差异，微波对其活化效果也会有所不同，如活化过程中矿物组成及显微结构、微波场分布、温度及加热时间和活化效应等，但通过改性处理后，不同种类的高岭质矿物同样可被热活化，而成为优质的水泥辅助性胶凝组份。这一技术的提出将为相关产业高效、节能、利废、减排提供一条新思路。

作者：胡晓娜赵志曼王倩王春杰张小美单位：昆明理工大学建筑工程学院