董慧芬
广东省公路工程质量监测中心 广东广州 510000
摘要：粉煤灰是火力发电厂在燃烧煤炭过程中产生的污染物，俗称烟灰。随着我国发电量的不断增长，火电厂使用燃煤进行发电的力度也在不断加强。在火力发电强度日益增加的同时，粉煤灰的排放量也在不断增加。过度的粉煤灰排放不仅对环境造成了严重的污染，还会对人体的健康造成危害。因此，针对粉煤灰进行化学成分实验的研究，能够在提高粉煤灰成分分析质量与循环利用水平的同时，更有效地解决环境污染问题。
关键词：粉煤灰；化学实验；测定法
引言：粉煤灰中含有一些可循环利用的化学成分，通过科学的方法进行提炼，能够将粉煤灰变废为宝。为了解决粉煤灰造成的环境问题，我国从50年代起就对粉煤灰开展了针对性的综合治理工作。粉煤灰中的有效化学成分不仅能够得到回收再利用，还可以作为铺设公路基层的材料。为了保证粉煤灰中的成分符合路基铺设标准，必须进行相应的化学实验对其成分进行测定。
1.粉煤灰化学成分实验的研究意义
粉煤灰是煤炭经过化学燃烧后的产物，如果大量的粉煤灰不经过处理直接排放到空气或者土地中，会对环境造成巨大的污染影响。为了保护生态环境，坚持可持续的发展理念，根据粉煤灰的特性对其进行提质或综合利用，可有效解决了粉煤灰污染环境的问题，同时也赋予了粉煤灰一定的经济效益产出能力。粉煤灰的主要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和残碳，具有多孔结构和火山灰活性。目前，燃煤发电仍然是我国最主要的发电方式，因此我国粉煤灰排放量较大，年均在4亿t以上。根据中国生态环境部2018年12月发布的《2018年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》显示，2017年我国粉煤灰年产量约为4.9亿t。虽然我国粉煤灰的综合利用率达到了80%左右，但长年累月的积累使得粉煤灰余量较高，目前总堆积量已有20亿t以上。据推测，2020年我国粉煤灰总堆积量将达到30亿t左右。粉煤灰的堆积会污染周围环境，占用大量土地资源，若对其进行提质和综合利用，可以将粉煤灰固体废弃物作为一种二次资源，提高其经济价值，减少环境污染，促进其可持续发展，具有重要的现实意义。目前，粉煤灰的应用途径和应用技术已经发展成熟，不仅能够应用于建筑材料中，还可以改善土壤肥力。另外，粉煤灰还可以作为公路路基填充料，通过改性后应用于橡胶中。总之，针对粉煤灰的化学研究要不断地拓展研究范围，促使粉煤灰变成供不应求的“宝藏”[1]。
2.粉煤灰化学成分实验的要点
2.1粉煤灰的测定与影响因素
由于粉煤灰具有良好的渗透性，并且在压力作用下具有一定的压缩性，所以能够很好地保护路基下层的软土部分，粉煤灰在减轻路堤自重的同时，能显著提高路堤的稳定性。因此，粉煤灰被大量应用于软土层公路地基铺设中。另外，在使用粉煤灰作为路基结构时，要确保粉煤灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量占总含量的70%以上，才能保证与其他材料搅拌后能够达到路基使用标准。因此，在进行路基填充前，要对粉煤灰中的各类物质的含量进行化学实验分析，然后再进行搅拌填充[2]。
测定粉煤灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量，主要根据以上三种物质的不溶性氧化物特质进行实验。首先将样品中的SiO2、Al2O3、Fe2O3使用银坩埚熔融法制备成溶液。将熔剂氢氧化钠和SiO2、Al2O3、Fe2O3三种样品放入到银坩埚容器中进行加热。
根据理论规定，三种物质在银坩埚中加热到600-700℃的温度时，经过近20分钟的加热能够转化成可溶性的盐。但是，在实际的实验操作中，粉煤灰并没有完全彻底地转化成可溶性盐。对于此类现象作进一步分析，分析出了三种影响转化结果的主要原因，具体如下：第一，由于SiO2是以原子为基本形式构成的，因此构成SiO2的连接键的键能非常高，从而导致SiO2的化学性质极其稳定，在700℃的加热环境下还能保持原子间连接状态。通过化学数据验证，只有将SiO2与热浓碱加热到其熔点附近，才有可能转化为可溶性盐。SiO2的化学反应式为：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O。第二，虽然氧化铝的性质较为活泼，已与其他化学物质产生化学变化。但是在加热的情况下，Al2O3的熔点高达2273K。Al2O3的化学反应式为：Al2O3+2NaOH+3HO=2NaAl(OH)4，NaAl(OH)4为偏铝酸钠。第三，氧化铁的熔点较氧化铝和氧化硅的熔点低，它的存在可以降低粉煤灰的熔点。通常条件下氧化铁是碱性氧化物，不与碱发生反应。但在熔融的高温状态下可以和氢氧化钠发生反应，化学反应式：Fe2O3+2NaOH=2NaFeO2+H2O。
以上实验结果和数据表明，利用银坩埚对粉煤灰进行热熔时必须将温度调高到900℃左右后，保温20分钟左右才能彻底将粉煤灰全部转化。另外，在加热的过程中为了确保粉煤灰能够全部转化，还应对银坩埚自身的熔点进行测量，避免发生银坩埚由于高温而出现自身熔化的现象。
2.2实验的过程中应防止溶液高温溅失
在通过银坩埚熔融法将SiO2、Al2O3、Fe2O3三种物质转化为可溶性盐时，要注意使用的氢氧化钠遇水会产生激烈反应的特性，防止氢氧化钠溶液从银坩埚中喷溅出来造成实验者受伤。因此，实验者在进行实验时要做好防护措施，在对银坩埚加热时先将温度调至400度，后续再进行900度高温的快速加热。在加热的过程中，为了让SiO2、Al2O3、Fe2O3和氢氧化钠充分接触，最好对银坩埚进行摇晃。其次，粉煤灰充分熔化后会得到熔块，将熔块放入水中再进行测定，此种方法叫容量法测定SiO2。但是，在将熔块放入95℃的蒸馏水中时，会使水的温度升高至100℃的沸点，从而导致蒸馏水容易被溅出到反应容器外。
2.3容量法测定SiO2的含量
SiO2通过银坩埚熔融法转化为可溶性硅酸盐后，加入过量的硝酸、氯化钾和氯化氟，硅酸盐在以硝酸为介质的溶液中生成了氟硅酸钾沉淀。再将沉淀物质在热水中溶解，加入定量的氢氧化钠标准溶液进行滴定后，算出粉煤灰中SiO2的含量。
2.4铁离子的滴定法
三价铁离子与EDTA 反应形成的络合物的稳定常数为logK =25.1。在pH=1～2时两者也能形成稳定的络合物,可用EDTA 滴定法,对粉煤灰中Ca2+、Mg2+、Al3+、TiO2+等离子进行不干扰测定。Fe 3+与磺基水杨酸在p H =1～2时形成红色络合物，加入指示剂后溶液会逐渐变成黄色，当溶液变成淡黄色时，记录下指示剂的使用量即可算出粉煤灰中Fe2O3的容量。粉煤灰中氧化铝的测定有多种测定方法[3]，且业内已研发出通过酸溶法实现氧化铝回收利用的技术[4]。
结语：粉煤灰应用于公路路基填充时，必须要做好粉煤灰中化学物质含量的实验分析工作，从而确保路基能够经受住车辆的不断碾压。由于粉煤灰的用处还很多，科研人员应继续进行探索，使粉煤灰变成能够大量应用于其他行业的原材料，从而解决我国粉煤灰处理问题。
参考文献：
[1]李博琦,谢贤,吕晋芳等.粉煤灰资源化综合利用研究进展及展望[J].矿产保护与利用,2020,40(05):153-160.
[2]陈辉星.固化剂粉煤灰稳定粉砂土路基的试验及应用研究[J].交通科技,2017(05):107-110.
[3]朱辉,谢贤,李博琦.从粉煤灰中提取氧化铝技术进展[J/OL].矿产保护与利用,2020(06):155-161[2021-02-23].
[4]杨磊.“一步酸溶法”提取粉煤灰中氧化铝生产废水处理技术[J].化工管理,2020(13):68-69.