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1微波熱活化的特點

由于各高嶺質礦物形成過程不同，如高嶺質煤矸石因經受成礦作用后結晶有序化，內部結構緊密堆積，結晶空間受到限制，因而自形程度較差，所以破壞其晶格結構需要較大的能量。常規熱活化的方法主要是通過熱傳導和熱輻射方式，所有的熱量都先到達材料表面，然后通過熱傳導向材料內部傳遞。由于熱傳導是一個散熱過程，在熱傳導過程中熱量不可能被加強，材料的表面具有較高溫度，材料內部的溫度在熱擴散系數α的限制下溫度低于表面。所以，用常規熱活化方法時熱量不能有效地從顆粒表面傳遞到內部破壞其晶格結構，致使煅燒過程效率低、能耗高、時間長，且有二次污染。與常規加熱方式不同，微波輻照是從材料內部加熱，可通過調節微波源功率獲得很高的升溫速率，且溫度的極大值出現在材料內部，而不是材料表面，從而形成了與常規加熱過程不相同的微波效應。由于微波效應的存在，使微波活化高嶺質礦物的機理完全不同于常規熱活化機理，微波場中固體廢棄物內部的電磁場分布對于原子擴散和固相反應過程存在著顯著的影響，體加熱明顯，受熱傳導的影響較小。

2國內外研究動態

目前，國內外學者已在微波熱活化高嶺質礦物的相關領域做了大量的研究工作。鄭州大學湯建偉等通過微波和加熱恒溫作用下的硫酸鈣結晶試驗，從結晶速率、晶形、粒度分布和組成等方面分析了微波場對結晶過程的影響。南京大學陳晶等認為與常規高溫熱處理法相比，微波法煅燒的高嶺土其活化度好，粒度細，能耗大為降低;中山大學的鐘聲亮等認為，在微波作用下高嶺土的相變過程和常規加熱法相同，但其相變速度快了4～12倍，相變溫度也相應降低了200℃左右，產物的粒徑也更小，晶形更為圓滑。美國Vermont大學的Gallis•KW等闡述了利用微波煅燒可得到與常規煅燒同質的納米級硅酸鹽和鋁硅酸鹽產物，而常規煅燒需時135min，微波煅燒只需10min。然而，上述學者的研究是針對單組分物質進行的，而高嶺質礦物的組分要復雜的多，它屬于多元系;一般說來，單質元素基本都能被微波加熱，如碳的升溫速度最快，它可以在很短的時間內被加熱到很高的溫度(無定形碳(1．00μm)，在微波場中升溫速度為846．7℃/min)，西班牙學者Menéndez•JA等對碳質材料在微波場中的反應進行了深入的研究，研究結果表明碳質材料具有很好的吸波性，對含有碳質材料的多組份材料，碳質材料在微波場中起著吸波體和催化劑的作用。但由于硅酸鹽、SiO2和A12O3不能或只能部分地吸收微波，升溫速度較慢，所以它們只能通過吸收微波的物質被間接加熱。美國Pennsylvania洲立大學的Peelamedu等通過大量試驗證實了在微波加熱過程中多元系先升溫的物相可以向未升溫的物相單向傳質，即在微波場中可以實現通過高吸收微波能的物質間接加熱不能或只能部分吸收微波的物質。有資料表明用SiC為基座包裹A12O3使A12O3在微波場中被加熱到800℃時，A12O3將直接吸收微波能量。

3微波活化高嶺質煤矸石研究

通過利用未燃煤矸石中的碳、有機物和添加劑對云南省來賓煤礦高嶺質煤矸石進行改性后，使該煤矸石混合物在微波作用下(3．5kW、2450MHz、8min)熱活化，而傳統的熱活化則需270min(箱式電爐加熱至750℃，升溫速度為5℃/min，保溫時間為2h)，活化率是傳統熱活化效率的33．75倍，且無二次污染。為進一步測定微波熱活化煤矸石效應，對微波熱活化煤矸石－硅酸鹽水泥體系進行了系統的檢測。按照國家相關規范及技術標準要求，通過在硅酸鹽水泥中分別摻入水泥質量15%、35%、50%的微波活化煤矸石，組成微波活化煤矸石－硅酸鹽水泥復合膠凝材料(MGC)，對其分別進行強度、細度、凝結時間、體積安定性測試。摻量為50%的MGC體系其細度、凝結時間和體積安定性等技術指標均達到國家相關技術標準，且其后期強度與同摻量的粒化高爐礦渣(325目)硅酸鹽水泥強度相近見圖1。圖1中GC表示未活化煤矸石－水泥膠砂;MGC表示微波輻照活化煤矸石－水泥膠砂;SC表示粒化高爐礦渣(325目)－水泥膠砂;MGCC表示微波輻照活化煤矸石－氧化鈣－水泥膠砂。由圖1還可知，在微波輻照活化煤矸石－硅酸鹽水泥復合膠凝材料中如再添加適量的氧化鈣(CaO)，其膠砂(MGCC)強度會獲得大幅度地提高。對微波活化煤矸石火山灰活性指數的測定，是檢測其與硅酸鹽水泥水化后生成新的水硬性膠凝材料的重要指標。煤矸石的火山灰活性指數(PAI)是由MGC膠砂強度與硅酸鹽水泥膠砂強度之比獲得。活性指數越大，說明煤矸石的火山灰活性越大。對于不同摻量的MGC體系，其火山灰活性指數變化見，對于不同比表面積的活化煤矸石其活化度也不同。，隨著微波活化煤矸石摻量的增加，微波活化煤矸石－硅酸鹽水泥體系火山灰活性指數將顯著降低;由表3可知，隨著微波活化煤矸石細度的增加，微波活化煤矸石的活化度將隨之提高。

4結論

(1)通過對國內外微波熱活化高嶺質礦物相關研究的分析，在微波活化高嶺質煤矸石研究的基礎上，認為利用微波活化不同種類的高嶺質礦物，使其成為優質的水泥輔助性膠凝組份是可行的。

(2)不同高嶺質礦物成份和化學成份存在著一定的差異，微波對其活化效果也會有所不同，如活化過程中礦物組成及顯微結構、微波場分布、溫度及加熱時間和活化效應等，但通過改性處理后，不同種類的高嶺質礦物同樣可被熱活化，而成為優質的水泥輔助性膠凝組份。這一技術的提出將為相關產業高效、節能、利廢、減排提供一條新思路。

作者：胡曉娜趙志曼王倩王春杰張小美單位：昆明理工大學建筑工程學院