摘要

為優(yōu)化粉煤灰基多孔地聚物的孔結(jié)構(gòu)，本工作對比了5種表面活性劑對粉煤灰基多孔地聚物孔隙特性及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，添加表面活性劑未改變地聚物基體的物相及化學(xué)組成，但能夠通過降低堿激發(fā)劑溶液的表面張力，提升多孔地聚物的泡沫穩(wěn)定性，進(jìn)而改善其孔隙結(jié)構(gòu)。基于對孔結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度的綜合評估，5種表面活性劑的最佳添加量分別為：Meap-k 0.04%， SDS 3%， CTAB 2%， Tween-80 1% 以及 APG 0.7%。摻加效果優(yōu)劣降序依次為 Meap-k, APG, Tween-80, SDS 和 CTAB。其中，采用 Meap-k 最佳添加量制得的試樣總孔隙率和通孔率分別達(dá)到83.8%和71.4%。本工作通過優(yōu)化多孔地聚物的孔結(jié)構(gòu)，挖掘其性能潛力，為其在含塵煙氣過濾、污水凈化等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

引言

如今，高質(zhì)量發(fā)展要求在經(jīng)濟(jì)增長的同時實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。粉煤灰作為一種工業(yè)固廢，對其進(jìn)行資源化利用是推動高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。粉煤灰具有火山灰活性，可與堿激發(fā)劑反應(yīng)得到地聚物。地聚物作為一種低溫合成且力學(xué)性能良好的綠色材料，能夠有效實(shí)現(xiàn)粉煤灰等工業(yè)固廢的再利用。在其制備過程中，使用成孔技術(shù)可得到多孔地聚物。根據(jù)多孔地聚物的孔隙結(jié)構(gòu)，可將其分為通孔型和閉孔型。其中，通孔型多孔地聚物具備過濾能力，在污水處理和含塵煙氣過濾等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。由此可見，成孔技術(shù)是制備具有良好孔結(jié)構(gòu)的多孔地聚物的工藝中的關(guān)鍵所在。

多孔地聚物的成孔技術(shù)主要分為三種：化學(xué)發(fā)泡、物理發(fā)泡和犧牲填料/模板摻入法。其中，化學(xué)發(fā)泡法因操作簡便、成本效益高而成為主流技術(shù)。其原理是在地聚物制備過程中加入發(fā)泡劑和表面活性劑/穩(wěn)泡劑，使材料內(nèi)部形成穩(wěn)定氣泡，從而構(gòu)建出多孔結(jié)構(gòu)。發(fā)泡劑通過物理或化學(xué)作用在液體中產(chǎn)生氣泡，核心功能是形成泡沫；穩(wěn)泡劑通過增加液相黏度或形成界面膜來延長泡沫壽命，防止氣泡破裂或聚并；表面活性劑則通過降低液體表面張力同時兼具發(fā)泡和穩(wěn)泡的雙重作用，主要功能是促進(jìn)界面穩(wěn)定。研究表明，添加表面活性劑能有效調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)。

例如，Bai 等利用過氧化氫(H2O2)作為發(fā)泡劑，以蛋清為氣泡穩(wěn)定劑，制備了高嶺土基多孔地聚物，結(jié)果表明，隨著蛋清的添加量從2.5%增加至10%，試樣的平均孔徑從328.9 μm降至140.9 μm，說明表面活性劑的加入可以減小多孔地聚物的平均孔徑。Korat 等通過添加十二烷基硫酸鈉作為穩(wěn)定劑，觀察到穩(wěn)定劑從0.1%增加到4%時多孔地聚物孔隙率顯著提升，最高可達(dá)55%。Bai 等使用 Tween-80 作為穩(wěn)定劑，制備的多孔地聚物孔隙率介于74%~87%之間，平均孔徑為190~320 μm，抗壓強(qiáng)度介于0.3~4.4 MPa。Phavongkham 等以洗滌液為穩(wěn)定劑，制得的多孔地聚物與未添加表面活性劑的試樣相比孔結(jié)構(gòu)更加細(xì)密、均勻。

由此可見，表面活性劑能夠通過調(diào)節(jié)氣泡的形成和分布，來優(yōu)化材料孔結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有研究雖然探討了表面活性劑降低表面張力、促進(jìn)氣泡穩(wěn)定的作用，但具體的作用機(jī)制尚不清楚。例如，不同表面活性劑是否能在相同的地聚物配方中產(chǎn)生類似的效果，以及它們的分子結(jié)構(gòu)與孔隙形態(tài)之間的關(guān)系，仍缺乏深入的系統(tǒng)研究。

本工作以粉煤灰為硅鋁酸鹽原料、H2O2為發(fā)泡劑，制備了多孔地聚物。比較了添加陰離子表面活性劑單烷基醚磷酸酯鉀(Meap-k)和十二烷基硫酸鈉(SDS)、陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、非離子表面活性劑月桂基葡萄糖苷(APG)和吐溫80(Tween-80)五種表面活性劑在不同摻量下對堿激發(fā)劑溶液表面張力和漿料發(fā)泡過程的影響。此外，本工作還分析了以上五種表面活性劑對多孔地聚物孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，旨在為多孔地聚物孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供技術(shù)思路和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與材料

試驗(yàn)所用原料與試劑如下：粉煤灰，產(chǎn)自內(nèi)蒙古某燃煤電廠。粉煤灰的形貌及粒徑分布如圖1所示，可看到粉煤灰的結(jié)構(gòu)中含有表面光滑、顆粒大小不一的球形微珠，其粒度在0~20 μm之間。粉煤灰的化學(xué)成分及其含量如表1所示，其氧化物以SiO2和Al2O3為主。粉煤灰的XRD譜如圖2所示，粉煤灰中的主要結(jié)晶物質(zhì)有石英(Quartz, SiO2)、莫來石(Mullite, Al5SiO9.5)和赤鐵礦(Hematite, Fe2O3)，15~34°存在的彌散峰對應(yīng)于具有堿激發(fā)活性的玻璃體。H2O2溶液，濃度為30%，購自沈陽新化化學(xué)品有限公司；氫氧化鉀(KOH)，分析純，購自天津瑞金特化學(xué)品有限公司；硅酸鉀粉末，工業(yè)級，模數(shù)為2.85，購自山東優(yōu)索化工科技有限公司。表面活性劑 Meap-k 和 SDS 購自青島優(yōu)索化學(xué)科技有限公司，CTAB購自上海麥克林生化科技有限公司，Tween-80 和 APG 分別購自上海麥克林生化科技有限公司和山東優(yōu)索化工科技有限公司。

Fig.1 粉煤灰的粒徑分布與微觀結(jié)構(gòu)

表1 粉煤灰的主要化學(xué)組成

Fig.2 粉煤灰的XRD譜圖