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随着垃圾焚烧技术越来越广泛地在国内外推广，所产生的飞灰也越来越多。飞灰因含有重金属及二恶英类物质，是一种公认的危险废物，必须经过安全处理。对飞灰的无害化处理建立在对其性质了解的基础上。国内对飞灰性质的研究较多，赵光杰等研究了除尘器飞灰的化学组成、热灼减率、灰熔点、浸出毒性与腐蚀性；万晓、冯军会等研究了重金属的分布及浸出特性，这些研究主要集中在对飞灰环境污染性的分析探讨方面。此外，Young-SookShim研究了不同粒径的飞灰对重金属的吸附能力，AuberJE研究了飞灰在水泥中的应用。为了进一步研究飞灰在建材中的可利用性，本文采用XRF（X射线荧光光谱仪）、SEM（环境电子扫描电镜）、XRD(X射线衍射仪）、IR（红外光谱仪）、ICP（电感耦合等离子体原子发射光谱仪）、激光粒度分析仪等先进仪器，分析了飞灰的粒度组成、微观形貌，元素、化学、基团及矿物组成，为飞灰在建材中的应用提供参考。
2实验部分
2.1取样
实验用垃圾飞灰取自上海某垃圾焚烧厂，该厂采用法国ALSTOM公司生产的CITY2000倾斜逆推往复式炉排，焚烧负荷为15.2t/h，控制焚烧炉内负压为－50～-30kPa，空气过剩系数大于1.6。烟气净化系统包括半干法烟气洗涤塔与布袋除尘器，烟气进入半干法烟气净化系统时喷射10％的石灰浆以除去其中的酸性气体，出塔后再喷射活性炭以吸收重金属气体等。入炉垃圾70％～80％来自居民区，20%～30％来自工商企事业单位，垃圾组成随季节有所变化。2003年4～12月期间，入炉垃圾主要组成为：纸类1.2％～10.8％，塑料5.3％～17.4％，木、布类2.1％～10.5％，厨余44.1％～86.2％，金属、玻璃、电池类0～4.1％，含水率42%～63.9％。
取1d内产生的灰样，确保样品的代表性。
2.2实验方法与设备
2.2.1粒径与微观形貌分析
采用激光粒度分析仪（LS230)分析飞灰的粒度组成特点，环境电子扫描电镜（XL-30ESEM）分析飞灰的微观形貌。
2.2.2组成分析
采用X射线荧光光谱仪（SRS3400)分析飞灰主要元素及其化学成分的含量；测Hg前采用HNO3／H2O2电热板消解方法消解，用数字显示测汞仪（F732-S双光束型）测其含量；其它少量及微量元素用ICP（IRISAdvantage5000）测定，采用的消解方案是HNO3/HF/HClO4－微波消解。
采用红外光谱仪（EQUINOX55）测定飞灰的基团组成，X射线衍射仪（PW1710）测定其矿物组成。
3实验结果讨论
3.1粒径与微观形貌分析
生活垃圾焚烧飞灰的粒度分布如图1所示，从图1中可以看出，98％～99％焚烧飞灰的颗粒粒径在4～100μm之间，颗粒分布比较均匀。粒径<61.69μm的颗粒百分含量高达90%，其平均粒径为18.96μm。从细度上看，飞灰越细，其单位体积的反应面积就越大，单位面积的表面能就越高，因而其活性也就越大。通过粒径分析可以得出，飞灰的粒径非常小，具有较大的活性，这非常有利于降低飞灰在资源化过程中的能耗。
图1飞灰的粒度分布
垃圾飞灰是非常细小的粉尘，用肉眼观察颜色多呈灰色。放大500倍的扫描电镜下，飞灰颗粒形状各异，虽然颗粒大小不一，但相对比较均匀（见图2）。绝大部分颗粒的粒径都不＞100μm，这与颗粒粒径的测试结果相符。飞灰颗粒非常松散地堆积在一起，颗粒间存在明显的孔隙。正是这些孔隙的存在，才使得飞灰中的重金属比较容易浸出，从而对环境造成危害。因此若能改变飞灰的结构，使其致密化，则可以大大减少重金属的浸出量，降低其对环境的污染。
在放大1000倍的垃圾飞灰SEM图谱中，可以清晰地看见鹅卵石状的飞灰颗粒（见图3）。这些颗粒的密实度很大，表面比较光滑，它们是飞灰中的玻璃相。有些颗粒像粉煤灰中的玻璃微珠，它们的存在增强了飞灰的活性。另外一些颗粒则呈棉絮状，结构非常松散，表面也非常粗糙。放大5000倍的SEM图谱中，可见一粒径约为40μm的球形飞灰颗粒（见图4）。很明显，这个大颗粒是多个小颗粒的聚合体，其中可以清晰地看到丝状吸附体下飞灰玻璃微珠的存在。这种大聚合体之所以能够形成，是因为飞灰细小的颗粒具有非常强的吸附性所致。正是因为飞灰颗粒具有非常强的吸附性，在经过稳定处理后，它可以用来处理污水中的重金属，国内外许多研究表明，飞灰对污水中Cu、Zn和Cd等重金属有很强的吸附作用。3.2元素组成分析
飞灰中的主要元素（＞104mg/kg)有Ca、Si、Cl、S、Al、K、Na、Fe、Mg，少量元素(103～104mg/kg)有Pb、Zn，微量元素（＜103mg/kg)有Mn、Cu、Cd、Cr、Ni、Sb、Hg、Ag、Ti、As，没有检测出Co、Ba、Bi的存在（见表1）。
飞灰中大量存在的Ca、K、Na、Mg非常有利于降低陶瓷饰面砖的烧结温度。因为这些离子都是网络改良离子，它们能够帮助破坏石英、三氧化二铝以及硅酸盐中的Si-O键、Al-O键，从而组合成新的硅酸盐、铝硅酸盐结构。此外，样品飞灰中Si、Al的含量
表1飞灰样品的元素组成
也不少，它们是非常稳定的网络形成元素，在高温下能够形成陶瓷饰面砖的硅酸盐、铝硅酸盐骨架。Fe的含量虽然不太高，但也可以降低烧结温度，并能改善制品的颜色。因此，飞灰既是一种污染源，也是一种资源，可以资源化利用。
3.3飞灰的化学与基团组成分析
根据XRF分析结果，生活垃圾焚烧飞灰的主要化学成分是CaO、SiO2、Al2O3（见表2）。飞灰中CaO、SiO2、Al2O3以及其它金属氧化物的总含量超过75%，因此，飞灰属于SiO2-Al2O3－金属氧化物体系。飞灰中CaO的含量高达35.8%，它是网络改良化合物，能够降低陶瓷饰面砖的烧结温度，同时能够提高成品的抗折强度，并改善烧结制品物相的均一程度。K2O、
表2飞灰的主要化学成分
1）质量百分比。
Na2O、Fe2O3、MgO也是网络改良化合物，它们通过破坏Si-O键、Al-O键来降低陶瓷饰面砖的烧结温度，最后熔入玻璃相中或形成新晶相。这些网络改良化合物在飞灰中的含量超过了40%，因此，在陶瓷饰面砖中加入飞灰势必能大大降低瓷饰面砖生产过程中的能耗。从这一角度讲，飞灰是一种非常好的活性材料。
垃圾飞灰的IR图谱中共有6个特征吸收带，即3444、1637、1479～1419、1153～1145、870、665～579cm-1处的吸收谱带（见图5）。其中，3444cm-1处为H2O分子的振动吸收带，而1637cm-1处为晶格水弯曲振动所致。这是因为所取飞灰属湿排灰，含有大量的水分，在谱带中明显显示出含水相的吸收。1479～1419cm-1处的吸收带主要为CO32-在1530～1320cm-1区间的吸收所致。在1200～800cm-1范围内有1153、1145、870cm-13个吸收谷。其中，Si-O-Si在1200～950cm-1，SiO32-在1010～970cm-1，SiO42-在1175～860cm-1，C3S在940cm-1处均有相应的吸收存在。Al-O在870cm-1处存在吸收谷。在800～400cm-1范围内，包含665、597cm-12个吸收谷。其中Si-O在800～650cm-1处，SiO2在680、690、780、800cm-1处，C3S在555、523cm-1处皆有相应的振动吸收。
飞灰的IR图谱显示，样品飞灰的含水率较高，主要成分为硅酸盐、石英以及碳酸盐。飞灰是高温下垃圾焚烧的产物，绝大部分有机质在高温下已经分解，因此在IR图谱中没有发现有机物基团的存在。
3.4飞灰的矿物组成分析
本实验中X射线衍射仪的工作条件为：工作电压40kV，工作电流20A。为了分析飞灰的矿物组成，首先对未处理飞灰进行3～70°快速扫描，每步0.02°（2θ），扫描速度3°/min。
未经任何预处理飞灰的XRD图谱见图6。飞灰的主要矿物成分是SiO2、CaCl2、Ca3Si2O7、Ca2SiO4•0.35H2O、Ca9Si6O21•H2O、K2Al2Si2O8•3.8H2O和AlCl3•4Al(OH）3•4H2O。此外，从图6中可见其玻璃相的含量很高，通过求积仪对衍射峰与背景峰的积分可得，其玻璃相含量高达59%。主要原因是，在高温焚烧的过程中，垃圾中的一部分变为熔融态，并转移到飞灰中，从而使得飞灰中的玻璃态含量很高。
因为飞灰的矿物组成非常复杂，为了能够分析出飞灰中的少量成分，对飞灰进行了慢扫描，即分别在3～21°、20～41°、40～70°范围内对飞灰进行慢扫描，每步0.01°（2θ）；扫描速度1.5°/min。其XRD图谱见图7～9。通过图谱分析可知，除以上主要矿物组成外，垃圾飞灰中还含有NaCl、KC1、MgCl2、FeCl3、AlCl3、MgSiO3、CaO、MgO、Fe2O3、Zn2P6S6、CaSO4、CaO•MgO•Al2O3•SiO2、(Fe，Mg，Al)Al2Si6O22（OH）2、Mg7Fe4O13•10H2O、PbCl2O4、Pb2Fe2O5、Mg2Al6Ti7O25、CaCO3、Ca（OH）2、Cu4Al2（SO4）（OH）12•2H2O等物质。
通过XRD图谱分析可得：飞灰中玻璃相的含量高达59%，使得飞灰的活性较高；主要的矿物成分是硅酸盐、氯盐、氢氧化钙、碳酸盐、硫酸盐以及一些氧化物。
4结论
4.198％～99％焚烧飞灰的颗粒粒径在4～100μm之间，颗粒分布比较均匀；飞灰颗粒非常松散地堆积在一起，颗粒间存在明显的孔隙，因此重金属容易浸出；飞灰中类玻璃微珠的存在使得飞灰具有一定的活性。
4.2飞灰中的Ca、K、Na、Mg非常有利于降低陶瓷饰面砖的烧结温度；主要化学成分是CaO、SiO2、Al2O3，含量分别为35.8%、20.5%、5.8%，属于SiO2-Al2O3-金属氧化物体系。
4.3飞灰的矿物成分是SiO2、CaCl2、Ca3Si2O7、Ca2SiO4•0.35H2O、Ca9Si6O21•H2O、K2Al2Si2O8•3.8H2O和AlCl3•4Al(OH)3•4H2O，NaCl、KC1、MgCl2、FeCl3、AlCl3、MgSiO3、CaO、MgO、Fe2O3、Zn2P6S6、CaSO4、CaO•MgO•Al2O3•SiO2、(Fe，Mg，Al)Al2Si6O22（OH）2、Mg7Fe4O13•10H2O、PbCl2O4、Pb2Fe2O5、Mg2Al6Ti7O25、CaCO3、Ca（OH）2、Cu4Al2（SO4）（OH）12•2H2O；飞灰中玻璃态含量高达59％。
