摘要

為優化粉煤灰基多孔地聚物的孔結構，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性能的影響。結果表明，添加表面活性劑未改變地聚物基體的物相及化學組成，但能夠通過降低堿激發劑溶液的表面張力，提升多孔地聚物的泡沫穩定性，進而改善其孔隙結構。基于對孔結構與抗壓強度的綜合評估，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到83.8%和71.4%。本工作通過優化多孔地聚物的孔結構，挖掘其性能潛力，為其在含塵煙氣過濾、污水凈化等領域的應用提供了可靠的實驗依據和理論指導。

引言

如今，高質量發展要求在經濟增長的同時實現環境保護。粉煤灰作為一種工業固廢，對其進行資源化利用是推動高質量發展的關鍵環節。粉煤灰具有火山灰活性，可與堿激發劑反應得到地聚物。地聚物作為一種低溫合成且力學性能良好的綠色材料，能夠有效實現粉煤灰等工業固廢的再利用。在其制備過程中，使用成孔技術可得到多孔地聚物。根據多孔地聚物的孔隙結構，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域展現出良好的應用前景。由此可見，成孔技術是制備具有良好孔結構的多孔地聚物的工藝中的關鍵所在。

多孔地聚物的成孔技術主要分為三種：化學發泡、物理發泡和犧牲填料/模板摻入法。其中，化學發泡法因操作簡便、成本效益高而成為主流技術。其原理是在地聚物制備過程中加入發泡劑和表面活性劑/穩泡劑，使材料內部形成穩定氣泡，從而構建出多孔結構。發泡劑通過物理或化學作用在液體中產生氣泡，核心功能是形成泡沫；穩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泡和穩泡的雙重作用，主要功能是促進界面穩定。研究表明，添加表面活性劑能有效調控孔隙結構。

例如，Bai 等利用過氧化氫(H2O2)作為發泡劑，以蛋清為氣泡穩定劑，制備了高嶺土基多孔地聚物，結果表明，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定劑，觀察到穩定劑從0.1%增加到4%時多孔地聚物孔隙率顯著提升，最高可達55%。Bai 等使用 Tween-80 作為穩定劑，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，抗壓強度介于0.3~4.4 MPa。Phavongkham 等以洗滌液為穩定劑，制得的多孔地聚物與未添加表面活性劑的試樣相比孔結構更加細密、均勻。

由此可見，表面活性劑能夠通過調節氣泡的形成和分布，來優化材料孔結構。然而，現有研究雖然探討了表面活性劑降低表面張力、促進氣泡穩定的作用，但具體的作用機制尚不清楚。例如，不同表面活性劑是否能在相同的地聚物配方中產生類似的效果，以及它們的分子結構與孔隙形態之間的關系，仍缺乏深入的系統研究。

本工作以粉煤灰為硅鋁酸鹽原料、H2O2為發泡劑，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劑溶液表面張力和漿料發泡過程的影響。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構和力學性能的影響，旨在為多孔地聚物孔結構的優化提供技術思路和理論依據。

1 實驗

1.1 試劑與材料

試驗所用原料與試劑如下：粉煤灰，產自內蒙古某燃煤電廠。粉煤灰的形貌及粒徑分布如圖1所示，可看到粉煤灰的結構中含有表面光滑、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，粉煤灰中的主要結晶物質有石英(Quartz, SiO2)、莫來石(Mullite, Al5SiO9.5)和赤鐵礦(Hematite, Fe2O3)，15~34°存在的彌散峰對應于具有堿激發活性的玻璃體。H2O2溶液，濃度為30%，購自沈陽新化化學品有限公司；氫氧化鉀(KOH)，分析純，購自天津瑞金特化學品有限公司；硅酸鉀粉末，工業級，模數為2.85，購自山東優索化工科技有限公司。表面活性劑 Meap-k 和 SDS 購自青島優索化學科技有限公司，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索化工科技有限公司。

Fig.1 粉煤灰的粒徑分布與微觀結構

表1 粉煤灰的主要化學組成

Fig.2 粉煤灰的XRD譜圖