＊孔旺盛

（上海市固體廢物處置有限公司 上海 201815）

1.引言

近年來(lái)，隨著醫(yī)療廢物產(chǎn)生量的不斷增長(zhǎng)，醫(yī)療廢物的處理處置問(wèn)題引起廣泛關(guān)注。目前，高溫焚燒是國(guó)內(nèi)外處理醫(yī)療廢棄物的主要手段，焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生20wt%-25wt%的爐渣。根據(jù)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄（2021）》中豁免管理清單中規(guī)定，醫(yī)療廢物焚燒處置產(chǎn)生的底渣，滿足《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889）要求進(jìn)入生活垃圾填埋場(chǎng)填埋，全過(guò)程可不按照危險(xiǎn)廢物管理[1]。醫(yī)療廢物焚燒處置過(guò)程中產(chǎn)生的爐渣主要成分為金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料，其重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)廢物鑒別限值，不屬于危險(xiǎn)廢物，具有很大的資源化利用潛力[2]。有研究中提出爐渣的資源化應(yīng)用方向?yàn)橹苽洳Ａ沾?，但是玻璃陶瓷熔鑄所需溫度較高[3]，有些體系的制備溫度甚至達(dá)到1500℃[4-7]。在實(shí)際應(yīng)用中存在能耗大，設(shè)備造價(jià)昂貴的問(wèn)題，且得到的產(chǎn)品品質(zhì)容易受到原料成分波動(dòng)的影響。

醫(yī)療廢物焚燒爐渣中含有大量的無(wú)機(jī)物，質(zhì)地較脆，可通過(guò)粉體工程手段制備出較為均勻的粉體。無(wú)機(jī)粉體在較高的溫度下會(huì)發(fā)成熔融或燒結(jié)反應(yīng)，從而賦予材料很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，因此，以爐渣為原料制備具有優(yōu)異力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料是將其變廢為寶的一個(gè)非?？尚械姆较颉?/p>

2.材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)涉及的醫(yī)療廢物焚燒爐渣由上海市某醫(yī)療廢物焚燒處置基地提供。通過(guò)X射線熒光光譜儀（XRF）及X射線衍射儀圖譜（XRD）對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)測(cè)定。

可以得出爐渣的主要成分為SiO2（38.06%）、CaO（26.47%）、Fe2O3（10.95%）和Al2O3（10.78%），合計(jì)占爐渣總質(zhì)量86.28%。其余成分包括堿土金屬氧化物、過(guò)渡金屬氧化物和非金屬氧化物等，在爐渣中占比較小。詳見(jiàn)表1。

表1 醫(yī)療廢物焚燒爐渣的化學(xué)組成

由XRD圖譜可以看出，爐渣成分較為復(fù)雜，主要為鈣鋁黃長(zhǎng)石、氧化亞鐵、石英以及硅酸鹽類(lèi)礦物。爐渣的主要成分為無(wú)機(jī)非金屬材質(zhì)，可通過(guò)資源化工藝將爐渣制備成無(wú)機(jī)非金屬材料。

圖1 爐渣粉體的XRD衍射圖譜

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①造粒：為了得到均勻成型的爐渣粉體，將爐渣在200℃條件下干燥6h后，采用臥式滾磨機(jī)（滾磨機(jī)的材質(zhì)為氧化鋁陶瓷，磨球?yàn)锳l2O3或ZrO2材質(zhì)）進(jìn)行破碎、滾磨，滾磨過(guò)后，將爐渣通過(guò)60目篩網(wǎng)，篩去難以磨碎的大塊金屬即得到均勻的粉體，再向粉體中加入1.5wt%的PVA水溶液進(jìn)行造粒。

②制樣：通過(guò)干壓模具將造粒粉體在10MPa-20MPa壓力之下壓制成生坯。再將生坯置于馬弗爐中加熱至1000℃，恒溫2h，待其自然冷卻放至室溫后制成樣品。

(3)實(shí)驗(yàn)儀器

爐渣材料的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度檢測(cè)采用Instron-5000R萬(wàn)能試樣機(jī)；粉體顆粒及燒結(jié)后樣品的微觀形貌檢測(cè)采用Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡；樣品斷面元素成分分析采用Genesis 4000 EDAX能譜儀；樣品的物相成分分析采用BRUKER D8 FOCUS X射線衍射儀。

3.結(jié)果與討論

(1)粉體成型

從圖2可以直觀看出，醫(yī)療廢物焚燒爐渣未經(jīng)造粒僅通過(guò)滾磨破碎后得到的粉體呈現(xiàn)出棱角明顯、燒結(jié)后部分粉體出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象，得到的粉體松裝密度較低，流動(dòng)性較差，而且在壓制的過(guò)程中材料中的氣體難以排出，使得體系中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致燒結(jié)后的產(chǎn)品強(qiáng)度較低，部分粉體產(chǎn)生開(kāi)裂的現(xiàn)象。

（4）我們將向“一帶一路”沿線發(fā)展中國(guó)家提供20億元人民幣緊急糧食援助，向南南合作援助基金增資10億美元，在沿線國(guó)家實(shí)施100個(gè)“幸福家園”、100個(gè)“愛(ài)心助困”、100個(gè)“康復(fù)助醫(yī)”等項(xiàng)目。我們將向有關(guān)國(guó)際組織提供10億美元落實(shí)一批惠及沿線國(guó)家的合作項(xiàng)目。

圖2 未造粒的粉體燒結(jié)后產(chǎn)生開(kāi)裂

本研究采用1.5wt%的PVA水對(duì)爐渣粉體進(jìn)行造粒，從圖3量筒中粉體的狀態(tài)可以看出，經(jīng)過(guò)造粒后，爐渣粉體的流動(dòng)性有明顯的提高。從量筒中粉體體積的變化可以得出，粉體體積明顯減小，其松裝密度由造粒前的0.85g/cm3增加到1.62g/cm3。

從粉體造粒前后外觀形貌的電子掃描顯微鏡對(duì)比圖（圖3）中可以得出，粉體形貌顯示造粒之前，大部分粉體呈現(xiàn)為小粒徑的粉體，而造粒后的粉體呈現(xiàn)出明顯的聚集現(xiàn)象，小顆粒的粉體數(shù)量明顯減少，主要為大顆粒的塊狀粉體。這是由于造粒前粉體的粒徑小，比表面積大，表面能較高，相互之間容易出現(xiàn)粘連搭接，從而使得粉體的流動(dòng)性變差、堆積密度降低[8]；而粉體經(jīng)過(guò)造粒后，小粒徑的粉體團(tuán)聚成較大粒徑的顆粒，這極大減少了粉體間的粘連搭接，從而使得粉體的流動(dòng)性增強(qiáng)，松裝密度變大。

圖3 粉體造粒前后外觀形貌的變化

將造粒后的粉體分別在10MPa、15MPa和20MPa的壓力下制成生坯，然后在馬弗爐中加熱至1000℃的條件下熱處理2h，在1000℃處理2h后得到的試樣收縮較小，熱處理前后試樣尺寸及收縮率的具體數(shù)值如表2所示。從表中可以看出，雖然成型壓力差別比較大，但是樣品的燒結(jié)收縮率非常接近，均在2.5%-3.0%范圍之間，由此表明樣品在燒結(jié)過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性非常好，在不同的壓力下仍可保持較好的穩(wěn)定性。

表2 熱處理前后試樣尺寸及收縮率

以PVA作為粘結(jié)劑造粒，不僅提高了粉體的流動(dòng)性，賦予了材料良好的成形性能，同時(shí)也提高了壓制生坯的強(qiáng)度，減少?gòu)椥院笮У淖饔肹9]，在壓制和燒結(jié)過(guò)程中試樣不容易開(kāi)裂，有利于性能的提高。

圖4 粉體經(jīng)過(guò)造粒后制備的樣品

(2)力學(xué)性能

①抗壓強(qiáng)度

生坯經(jīng)過(guò)熱處理后，得到的樣品的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出樣品具有較高的抗壓強(qiáng)度，樣品的抗壓強(qiáng)度和成型壓力之間并不呈線性關(guān)系。在10MPa下制備的樣品的抗壓強(qiáng)度為30MPa，20MPa的成型壓力下制備的樣品的抗壓強(qiáng)度為34MPa，而15MPa的成型壓力下制備的樣品的抗壓強(qiáng)度達(dá)到56MPa，遠(yuǎn)高于《燒結(jié)多孔磚》（GB13544-2000）中一等品建筑用磚30MPa的抗壓強(qiáng)度要求，說(shuō)明樣品已經(jīng)達(dá)到且高于制備建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)。隨著處理工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，燒結(jié)后樣品的力學(xué)性能有更大的提升空間，除了在建筑材料領(lǐng)域，該爐渣制備材料在其他結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域也將會(huì)有更大的應(yīng)用前景。

圖5 不同成型壓力樣品的抗壓強(qiáng)度

②彎曲強(qiáng)度

彎曲強(qiáng)度是無(wú)機(jī)非金屬材料另一個(gè)重要的使用性能指標(biāo)，指材料在彎曲負(fù)荷作用下破裂或達(dá)到規(guī)定彎矩時(shí)能承受的最大應(yīng)力。取15MPa的壓力下成型的熱處理樣品進(jìn)行彎曲強(qiáng)度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?5MPa的壓力下成型的爐渣樣品測(cè)得平均彎曲強(qiáng)度達(dá)到了54MPa，而混凝土C40、大理石、釉面墻地磚的彎曲強(qiáng)度均小于爐渣樣品的，其中目前常用的混凝土C40的彎曲強(qiáng)度最小，僅為5.5MPa，而天然優(yōu)質(zhì)大理石的彎曲強(qiáng)度為14MPa[10]，釉面墻地磚的彎曲強(qiáng)度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為24.5MPa[11]。由此可以得出，與上述無(wú)機(jī)非金屬材料相比，爐渣制備的樣品在彎曲強(qiáng)度方面有著較為顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖6 爐渣樣品與其他無(wú)機(jī)非金屬材料的彎曲強(qiáng)度的對(duì)比

(3)耐水耐酸性

取15MPa壓力下成型的熱處理樣品在自來(lái)水及1mol/L濃度的HCl水溶液中浸泡15天，而后將樣品取出，洗滌烘干后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從水浸和酸浸后樣品的抗壓強(qiáng)度的測(cè)試中可以看出，經(jīng)過(guò)兩種手段處理的樣品的抗壓強(qiáng)度均變化較小。水浸樣品的抗壓強(qiáng)度由原抗壓強(qiáng)度為56MPa變?yōu)?5.2MPa，下降了1.43%，而酸浸樣品的強(qiáng)度變?yōu)?4.3MPa，下降3%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)水浸和酸浸后的樣品抗壓強(qiáng)度略有降低，但仍具有很好的力學(xué)性能。

表3 水浸及酸浸后樣品抗壓強(qiáng)度

(4)熱處理樣品顯微結(jié)構(gòu)分析

900℃和1000℃熱處理的樣品微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。從圖中可以看出900℃和1000℃熱處理的樣品微觀結(jié)構(gòu)明顯呈現(xiàn)出了不同的結(jié)構(gòu)，樣品在900℃條件下內(nèi)部顆粒并未發(fā)生明顯的粘結(jié)或是燒結(jié)，熱處理后樣品的強(qiáng)度很低，可輕易掰斷，表明在該溫度下樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的變化，樣品的抗壓強(qiáng)度很低。而經(jīng)過(guò)1000℃熱處理后的樣品，生胚內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，顆粒之間緊密粘結(jié)形成一種連續(xù)的整體性結(jié)構(gòu)。

圖7 900℃（上）和1000℃（下）熱處理樣品的微觀形貌

選取1000℃熱處理后樣品的連續(xù)相中的一部分放大觀察，發(fā)現(xiàn)其表面仍然較為光滑，無(wú)晶粒晶界特征。從EDS能譜分析結(jié)果對(duì)其成分進(jìn)行分析，顯示該處主要成分為Ca、Si、Al、Na、Fe（圖8），說(shuō)明這幾種元素的氧化物在高溫條件下易生成連續(xù)的玻璃相[12]。

圖8 樣品的連續(xù)相結(jié)構(gòu)及EDS能譜分析結(jié)果

結(jié)合SEM圖像中樣品的內(nèi)部具有很多不規(guī)則孔洞的顯示結(jié)果，在孔洞的尖端極易產(chǎn)生裂紋，這是樣品產(chǎn)生破裂的主要原因。通過(guò)調(diào)整粉體的顆粒形狀和粒徑分布，優(yōu)化樣品內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高樣品的力學(xué)性能，從而得到結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異的材料。

(5)樣品物相分析

經(jīng)過(guò)1000℃熱處理2h后的樣品的XRD衍射圖譜如圖9?？梢钥闯鰣D譜的左側(cè)有典型的饅頭峰，表明材料中有玻璃相生成，與SEM的觀測(cè)結(jié)果相一致。樣品的主要物相為鈣鐵榴石，而尖晶石、黝方石等物相含量較少，與熱處理前樣品的成分具有較大差異，表明鈣鋁黃長(zhǎng)石、石英、氧化亞鐵等物質(zhì)在高溫下發(fā)生了較充分的固相反應(yīng)。

圖9 1000℃熱處理2h后的樣品的XRD衍射圖譜

通過(guò)玻璃相的粘結(jié)以及不同成分間的固相反應(yīng)，材料中的不同成分和結(jié)構(gòu)單元連接在一起，賦予了材料優(yōu)異的力學(xué)性能和耐水耐酸性能。作為主要成分的鈣鐵榴石屬等軸晶系，莫氏硬度為6.5-7.5，高于普通玻璃和石材，且其在室溫～1045℃范圍內(nèi)仍然可以保持很好的熱穩(wěn)定性，因此使得以醫(yī)療廢物焚燒爐渣制備得到的樣品作為結(jié)構(gòu)材料具有很好的應(yīng)用前景。

4.總結(jié)

醫(yī)療廢物焚燒爐渣作為一類(lèi)特殊的固體廢棄物，含有大量的金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料，并且由于其重金屬含量低，不屬于危險(xiǎn)廢棄物，具有資源化利用的潛力。通過(guò)造粒和熱處理燒結(jié)工藝后，可制備得到具有優(yōu)異力學(xué)性能的建筑材料。

（1）醫(yī)療廢物焚燒爐渣由于含有較多的脆硬性成分，可使用較為先進(jìn)的粉體工程技術(shù)對(duì)其進(jìn)行精細(xì)加工，通過(guò)球磨造粒等工藝手段可以制備出適合高壓成型的粉體原料；

（2）在15MPa的成型壓力和1000℃的熱處理?xiàng)l件下，樣品可表現(xiàn)出很好的力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度可達(dá)56MPa以上，彎曲強(qiáng)度達(dá)到54MPa，且具有優(yōu)異的耐水、耐酸性能；

（3）材料強(qiáng)度的提高主要是因?yàn)楦邷叵滦纬傻牟Ａ嗟恼辰Y(jié)以及不同成分間發(fā)生固相反應(yīng)而結(jié)合在一起，在材料內(nèi)部形成一種連續(xù)的結(jié)構(gòu)；

（4）樣品的內(nèi)部有很多不規(guī)則的孔洞，在孔洞的尖端極易產(chǎn)生裂紋，這是樣品產(chǎn)生破裂的主要原因，通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整粉體的顆粒形狀和粒徑分布，優(yōu)化樣品內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高樣品的力學(xué)性能，制備得到性能優(yōu)異的建筑材料；

（5）熱處理前后爐渣的物相組成變化很大，在熱處理前爐渣的主要成分為鈣鋁黃長(zhǎng)石、石英、氧化亞鐵的物質(zhì)，而熱處理之后形成的物相以鈣鐵榴石為主，還有少量的尖晶石等物相。