摘要
改变高岭土中氧化硅、氧化铝和氧化钙的含量，制备了改性矿物吸附剂，分析其在900~1 450 ℃质量、形态及物相的转化规律.结果表明：900 ℃时矿物吸附剂以无定形硅铝酸盐为主；1 200 ℃时无定形硅铝酸盐向莫来石和方石英转变，增加氧化硅含量会抑制其转变，增加氧化铝含量会使其分解出刚玉相，氧化钙则与活性硅铝反应生成钙长石；超过1 200 ℃时，适当增加氧化硅含量可减轻矿物吸附剂的熔融烧结，降低其重金属Pb的挥发率，而增加氧化铝、氧化钙含量分别可消除、加剧矿物吸附剂的熔融烧结，对重金属Pb的挥发率影响不大.
利用水泥窑协同处置污泥、污染土壤和危险废物等可真正实现废弃物的减量化、资源化和无害化处置，且具有显著的经济效
基于此，本文以高岭土为基准吸附剂，通过改变其氧化硅、氧化铝和氧化钙的含量来制备改性矿物吸附剂，分析其在900~1 450 ℃质量、形态及物相转化规律.
高岭土由山麟石语矿产品有限公司提供，白色粉末状，平均粒径为44.5 μm（325目），其化学组成（质量分数，本文涉及的组成、含量、比值等均为质量分数或质量比）见
| Al2O3 | SiO2 | Fe2O3 | CaO | K2O | TiO2 | SO3 | P2O5 | Na2O | MgO | PbO | IL |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 39.830 | 55.570 | 1.250 | 0.250 | 0.770 | 0.400 | 0.460 | 0.490 | 0.540 | 0.200 | 0.012 | 13.800 |
图1 高岭土的矿物组成
Fig.1 Mineral composition of kaolin
以高岭土为基准矿物吸附剂（K），分别采用SF、Al（OH）3和CaCO3等质量替代20%、40%、60%的高岭土，制备高硅（K2S、K4S、K6S）、高铝（K2A、K4A、K6A）和高钙（K2C、K4C、K6C）矿物吸附剂.
高温煅烧试验采用高温管式炉，以10 ℃/min的速率分别升温至900、1 200、1 450 ℃后保温30 min，取出样品，急冷至室温.烧失量（IL）测试参照GB/T 14563—2020《高岭土及其试验方法》，样品质量为1.000 0 g，煅烧条件为1 100 ℃灼烧2 h.采用热重分析（TGA）/差示扫描量热（DSC）1/1600型同步热分析系统进行热分析，空气气氛，温度范围为50~1 450 ℃，升温速率为10 ℃/min.采用日本理学Rikagu型X射线衍射仪（XRD）测试样品的物相，测试参数为Cu靶Kα线，扫描范围为10°~80°，扫描速率为5 （°）/min.采用德国ZEISS Sigma 300型扫描电子显微镜（SEM）观测样品的微观形貌.重金属Pb的挥发率测试过程为：在矿物吸附剂中掺入0.5%的PbO，经高温煅烧后，采用m（HCl）∶m（HNO3）∶m（HF）=3∶1∶1的HCl‑HNO3‑HF溶液对样品进行消解，用Agilent 7800型电感耦合等离子体质谱仪（ICP‑MS）测定重金属Pb的含量，并计算重金属Pb的挥发率.
经计算，高岭土、Al（OH）3和CaCO3的理论分解质量损失率（烧失量）分别为14.0%、46.0%和34.6%.矿物吸附剂的烧失量见
图2 矿物吸附剂的烧失量
Fig.2 IL of mineral adsorbents
不同温度煅烧后矿物吸附剂的外观形态见
图3 不同温度煅烧后矿物吸附剂的外观形态
Fig.3 Appearance morphologies of mineral adsorbents after calcination at different temperatures
矿物吸附剂的TG‑DTA曲线见
图4 矿物吸附剂的TG‑DTA曲线
Fig.4 TG‑DTA curves of mineral adsorbents
根据热重分析结果，计算了3个吸热峰对应的失重率，结果见
| Adsorbent | Test | Theoretical | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Peak 1 | Peak 2 | Peak 3 | Peak 1 | Peak 2 | Peak 3 | |
| K | — | 13.87 | — | — | 13.88 | — |
| K2S | — | 12 | — | — | 11.58 | — |
| K4A | 10.48 | 9.52 | — | 19.71 | 9.93 | — |
| K2C | — | 11.52 | 7.51 | — | 11.58 | 7.3 |
矿物吸附剂的DSC曲线见
图5 矿物吸附剂的DSC曲线
Fig.5 DSC curves of mineral adsorbents
不同温度煅烧后矿物吸附剂的XRD图谱见
图6 不同温度煅烧后矿物吸附剂的XRD图谱
Fig.6 XRD patterns of mineral adsorbents calcinated under different temperatures
| 3Al2Si2O7→3Al₂O₃·2SiO₂+ 4SiO₂ | （5） |
| Al2Si2O7→Al2O3+SiO2+mAl2O3·nSiO2 | （6） |
| CaO+ Al2O3·2SiO2→CaAl2Si2O8 | （7） |
不同温度煅烧后矿物吸附剂的SEM照片见
图7 不同温度煅烧后矿物吸附剂的SEM照片
Fig.7 SEM images of mineral adsorbents calcinated under different temperatures
为分析矿物吸附剂的高温稳定性对其吸附半挥发性重金属的影响，测试了重金属Pb在不同矿物吸附剂中的挥发率，结果见
图8 高温下不同矿物吸附剂中重金属铅的挥发率
Fig.8 Release rate of Pb in different mineral adsorbents at high temperatures
（1）900 ℃时矿物吸附剂以无定形硅铝酸盐为主，无定形硅铝酸盐在1 200 ℃时向莫来石和方石英转变，使高岭土在高温条件下结构失稳，1 450 ℃下出现轻微烧结.
（2）适当增加矿物吸附剂中氧化硅的含量，可在温度高于1 200 ℃时阻碍无定形硅铝酸盐向莫来石晶体相的转变，减轻吸附剂的高温烧结现象，这对降低其重金属挥发率具有积极作用.
（3）增加矿物吸附剂中氧化铝的含量，可在较高温度下生成富铝硅酸盐相，并在更高温度下分解出刚玉相，提高矿物吸附剂在1 450 ℃时的稳定性，避免出现高温烧结，且对其重金属的挥发率影响不大.
（4）含钙矿物在1 200 ℃左右时与无定形硅铝酸盐反应生成钙长石，促进矿物共融，使其经1 450 ℃煅烧后高钙矿物吸附剂出现严重烧结，重金属挥发率增大.
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