摘要

为优化粉煤灰基多孔地聚物的孔结构，本工作对比了5种表面活性剂对粉煤灰基多孔地聚物孔隙特性及力学性能的影响。结果表明，添加表面活性剂未改变地聚物基体的物相及化学组成，但能够通过降低碱激发剂溶液的表面张力，提升多孔地聚物的泡沫稳定性，进而改善其孔隙结构。基于对孔结构与抗压强度的综合评估，5种表面活性剂的最佳添加量分别为：Meap-k 0.04%， SDS 3%， CTAB 2%， Tween-80 1% 以及 APG 0.7%。掺加效果优劣降序依次为 Meap-k, APG, Tween-80, SDS 和 CTAB。其中，采用 Meap-k 最佳添加量制得的试样总孔隙率和通孔率分别达到83.8%和71.4%。本工作通过优化多孔地聚物的孔结构，挖掘其性能潜力，为其在含尘烟气过滤、污水净化等领域的应用提供了可靠的实验依据和理论指导。

引言

如今，高质量发展要求在经济增长的同时实现环境保护。粉煤灰作为一种工业固废，对其进行资源化利用是推动高质量发展的关键环节。粉煤灰具有火山灰活性，可与碱激发剂反应得到地聚物。地聚物作为一种低温合成且力学性能良好的绿色材料，能够有效实现粉煤灰等工业固废的再利用。在其制备过程中，使用成孔技术可得到多孔地聚物。根据多孔地聚物的孔隙结构，可将其分为通孔型和闭孔型。其中，通孔型多孔地聚物具备过滤能力，在污水处理和含尘烟气过滤等领域展现出良好的应用前景。由此可见，成孔技术是制备具有良好孔结构的多孔地聚物的工艺中的关键所在。

多孔地聚物的成孔技术主要分为三种：化学发泡、物理发泡和牺牲填料/模板掺入法。其中，化学发泡法因操作简便、成本效益高而成为主流技术。其原理是在地聚物制备过程中加入发泡剂和表面活性剂/稳泡剂，使材料内部形成稳定气泡，从而构建出多孔结构。发泡剂通过物理或化学作用在液体中产生气泡，核心功能是形成泡沫；稳泡剂通过增加液相黏度或形成界面膜来延长泡沫寿命，防止气泡破裂或聚并；表面活性剂则通过降低液体表面张力同时兼具发泡和稳泡的双重作用，主要功能是促进界面稳定。研究表明，添加表面活性剂能有效调控孔隙结构。

例如，Bai 等利用过氧化氢(H2O2)作为发泡剂，以蛋清为气泡稳定剂，制备了高岭土基多孔地聚物，结果表明，随着蛋清的添加量从2.5%增加至10%，试样的平均孔径从328.9 μm降至140.9 μm，说明表面活性剂的加入可以减小多孔地聚物的平均孔径。Korat 等通过添加十二烷基硫酸钠作为稳定剂，观察到稳定剂从0.1%增加到4%时多孔地聚物孔隙率显著提升，最高可达55%。Bai 等使用 Tween-80 作为稳定剂，制备的多孔地聚物孔隙率介于74%~87%之间，平均孔径为190~320 μm，抗压强度介于0.3~4.4 MPa。Phavongkham 等以洗涤液为稳定剂，制得的多孔地聚物与未添加表面活性剂的试样相比孔结构更加细密、均匀。

由此可见，表面活性剂能够通过调节气泡的形成和分布，来优化材料孔结构。然而，现有研究虽然探讨了表面活性剂降低表面张力、促进气泡稳定的作用，但具体的作用机制尚不清楚。例如，不同表面活性剂是否能在相同的地聚物配方中产生类似的效果，以及它们的分子结构与孔隙形态之间的关系，仍缺乏深入的系统研究。

本工作以粉煤灰为硅铝酸盐原料、H2O2为发泡剂，制备了多孔地聚物。比较了添加阴离子表面活性剂单烷基醚磷酸酯钾(Meap-k)和十二烷基硫酸钠(SDS)、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、非离子表面活性剂月桂基葡萄糖苷(APG)和吐温80(Tween-80)五种表面活性剂在不同掺量下对碱激发剂溶液表面张力和浆料发泡过程的影响。此外，本工作还分析了以上五种表面活性剂对多孔地聚物孔结构和力学性能的影响，旨在为多孔地聚物孔结构的优化提供技术思路和理论依据。

1 实验

1.1 试剂与材料

试验所用原料与试剂如下：粉煤灰，产自内蒙古某燃煤电厂。粉煤灰的形貌及粒径分布如图1所示，可看到粉煤灰的结构中含有表面光滑、颗粒大小不一的球形微珠，其粒度在0~20 μm之间。粉煤灰的化学成分及其含量如表1所示，其氧化物以SiO2和Al2O3为主。粉煤灰的XRD谱如图2所示，粉煤灰中的主要结晶物质有石英(Quartz, SiO2)、莫来石(Mullite, Al5SiO9.5)和赤铁矿(Hematite, Fe2O3)，15~34°存在的弥散峰对应于具有碱激发活性的玻璃体。H2O2溶液，浓度为30%，购自沈阳新化化学品有限公司；氢氧化钾(KOH)，分析纯，购自天津瑞金特化学品有限公司；硅酸钾粉末，工业级，模数为2.85，购自山东优索化工科技有限公司。表面活性剂 Meap-k 和 SDS 购自青岛优索化学科技有限公司，CTAB购自上海麦克林生化科技有限公司，Tween-80 和 APG 分别购自上海麦克林生化科技有限公司和山东优索化工科技有限公司。

Fig.1 粉煤灰的粒径分布与微观结构

表1 粉煤灰的主要化学组成

Fig.2 粉煤灰的XRD谱图