一种利用固体废弃物制备泡沫陶瓷及其方法
技术领域
本发明涉及建筑陶瓷材料领域,具体涉及一种利用固体废弃物制备的泡沫陶瓷及其方法。
背景技术
煤矸石是在采煤过程和洗煤过程中排放的固体废弃物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石;煤矸石是碳质、泥质和砂质页岩的混合物,具有低发热值,含碳20%~30%,有些含腐殖酸。中国积存的煤矸石达10亿吨以上,每年还将排出煤矸石1亿吨。煤矸石的大量堆放,不仅压占土地,影响生态环境,在雨季崩塌,淤塞河流造成灾害;矸石淋溶水将污染周围土壤和地下水,而且煤矸石中含有一定的可燃物,在适宜的条件下发生自燃,排放出的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体污染大气环境,影响矿区居民的身体健康。
我国磷矿资源相当丰富,储量仅次于摩洛哥,居世界第2位,八大磷矿主要分布在湖北、湖南、四川、江苏、贵州、云南等省份,但80%是中低品位磷矿石。磷尾矿是磷矿浮选精矿时排出的未能加以充分利用的固体废料。近年来,随着磷化工业的快速发展,且我国磷矿石原矿的品位不高,造成磷化工业每年产生大量的磷尾矿。磷尾矿一般呈细砂状形态自然堆积在尾矿库中,不仅耗费资金、占用大量土地,而且还带来许多环境问题和安全问题。目前,磷尾矿的利用率还很低,其综合利用途径主要有新药剂再浮选、重结晶再浮选、制备水泥、制备建筑用砖、制备微晶玻璃、制备磷镁肥等。
在公开号CN102674788A专利中,其处理煤矸石的方法是:“由煤矸石陶砂和粘结剂粘结制备而成的;所述煤矸石陶砂与所述粘结剂的质量比为2-3:1;所述煤矸石陶砂由下述重量份的组分制备而成:煤矸石30-70份;玻璃粉20-70份;发泡剂2-10份;水玻璃10-25份。”该方法虽然烧结温度偏低,但是工艺较复杂,经过了二次烧结,能耗较大;制备出煤矸石陶砂后,再用大量的粘接剂粘接煤矸石陶砂而形成板材,原料的成本高;其板材的抗压强度不高。
在公开号CN1837129专利中,其处理磷尾矿的方法是:“在磷尾矿中加入硅石粉、焦碳粉(或煤矸石粉)、高岭土粉按一定比例混匀,加水,陈腐,用真空挤出机或压砖机生产线成型,烘干后浸釉,装窑车入隧道窑。经预热、升温后得到磷蒸气和一氧化碳,再经过水化塔吸收得到浓磷酸,砖块经过换热冷却后作为承重砖产品。”该发明对设备要求高、工序复杂,反应的温度(1280℃~1450℃)也高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种热导率低、密度低和抗压强度较高的泡沫陶瓷,并提供该泡沫陶瓷易于制备的方法。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:
本发明提供的利用固体废弃物制备泡沫陶瓷,其主要组成为:煤矸石20~50%,磷尾矿20~40%,长石18~32%,黄砂10~20%,发泡剂1~2%,均为质量百分比。
上述泡沫陶瓷可由以下原料组成:煤矸石35%,磷尾矿27%,长石23.5%,黄砂13%,发泡剂1.5%,均为质量百分比。
所述的发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,颗粒粒径≤0.045mm,质量百分比可以为:碳化硅30~50%、碳酸钙30~40%、氧化铁20~40%。
本发明提供的泡沫陶瓷制备方法,其包括以下步骤:
(1)生料的制备:
先将原料按以下质量百分比例混合:煤矸石20~50%,磷尾矿20~40%,长石18~32%,黄砂10~20%,发泡剂1~2%,混合后再加入于原料总质量50%的水,放入轻型球磨机中球磨12~18h,得到混合均匀的浆料;然后将浆料置于鼓风干燥箱中于110℃下烘干、制得粉体,再加入于粉体质量4~7%的水炼泥,得到混合均匀的生料;
(2)成型:
将生料置于模具中,在粉末压片机上进行压制成型,再置于鼓风干燥箱中于80℃下干燥12~24h得坯体;
(3)烧结:
将坯体放入烧结炉中,然后将炉体从室温升到1080℃~1160℃,烧结保温1~2小时,随炉冷却后得到泡沫陶瓷。
上述步骤(1)中,所述的原料可以由以下质量百分比的原料替换:煤矸石35%,磷尾矿27%,长石23.5%,黄砂13%,发泡剂1.5%,均为质量百分比
上述步骤(1)中,所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,颗粒粒径≤0.045mm,质量百分比可以为:碳化硅30~50%、碳酸钙30~40%、氧化铁30~40%。
上述步骤(2)中,所述压制成型的工艺条件可以为:采用单面加压,加压大小为1~4MPa。
上述步骤(2)中,成型加压大小可以为2~3MPa,升温速率为2~4℃/min,烧结温度为1120℃~1140℃,保温时间为1~1.5小时。
上述步骤(2)中,成型加压大小可以为2MPa,升温速率为3℃/min,烧结温度为1130℃,保温时间为1.5小时。
上述步骤(3)中,可以将烧结炉的温度按照2~6℃/min的升温速率匀速从室温升到1080℃~1160℃。
本发明的原理:煤矸石在烧成时具有较大的烧失量,长石提供陶瓷必要的组分、作为助溶剂来降低坯体的烧结温度,磷尾矿能提供陶瓷必要的组分并对烧成时玻璃相的形成有促进作用,黄砂提供SiO2增加烧成后坯体的强度。坯体在1080℃~1160℃时熔融并且具有一定的粘度;此时,发泡剂发生氧化还原反应并产生气体,由于高温熔融体内部表面张力的作用,气体被保留在熔体内,随炉冷却后即得泡沫陶瓷。
本发明与现有技术相比具有的优点主要是:
其一. 煤矸石与磷尾矿的利用量达90%,节约资源,有利于环保;
其二. 所得产品的可控性能好,能根据不同需求控制产品的孔径大小、密度,易再加工;
其三. 该材料生产具有烧成温度低(1080℃~1160℃)、周期短、成本低(原料廉价,能耗低的短周期生产)、热导率低、密度小、强度高等优点;当样品密度为0.283g/cm3时,抗压强度达到5.47MPa,热导率可达0.081W/(m·K)。
附图说明
图1、图2和图3分别是本发明制备的泡沫陶瓷的试样图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的说明,但不限定本发明。
实施例1:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石35%,磷尾矿27%,长石23.5%,黄砂13%,发泡剂1.5%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅30%、碳酸钙40%、氧化铁30%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量50%的水,在轻型球磨机中球磨混合18小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量6%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为2MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥18h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以3℃/min匀速升温到1130℃,保温烧结1.5h后退火,得到泡沫陶瓷。
采用阿基米德排水法测密度、回弹法测试抗压强度、平板法测试热导率,所得泡沫陶瓷的密度为0.283g/cm3,抗压强度为5.47MPa,热导率为0.081W/(m·K)。
实施例2:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石20%,磷尾矿30%,长石32%,黄砂17%,发泡剂1%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅30%、碳酸钙30%、氧化铁40%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量50%的水,在轻型球磨机中球磨混合15小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量5.5%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为1MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥14h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以2℃/min匀速升温到1080℃,保温烧结1h后退火,得到泡沫陶瓷。
测试方法同实施例1,所得泡沫陶瓷的密度为0.327g/cm3,抗压强度为6.52MPa,热导率为0.115W/(m·K)。
实施例3:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石29%,磷尾矿20%,长石30%,黄砂20%,发泡剂1%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅40%、碳酸钙35%、氧化铁25%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量50%的水,在轻型球磨机中球磨混合17小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量7%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为3MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥15h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以2℃/min匀速升温到1120℃,保温烧结2h后退火,得到泡沫陶瓷。
测试方法同实施例1,所得泡沫陶瓷的密度为0.320g/cm3,抗压强度为6.48MPa,热导率为0.109W/(m·K)。
实施例4:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石50%,磷尾矿20%,长石18%,黄砂10%,发泡剂2%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅40%、碳酸钙40%、氧化铁20%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量50%的水,在轻型球磨机中球磨混合16小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量4%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为2MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥12h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以2℃/min匀速升温到1160℃,保温烧结1h后退火,得到泡沫陶瓷。
测试方法同实施例1,所得泡沫陶瓷的密度为0.272g/cm3,抗压强度为4.13MPa,热导率为0.085W/(m·K)。
实施例5:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石23%,磷尾矿40%,长石25%,黄砂10.5%,发泡剂1.5%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅50%、碳酸钙30%、氧化铁20%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量40%的水,在轻型球磨机中球磨混合16小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量4.5%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为3MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥12h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以4℃/min匀速升温到1090℃,保温烧结1.5h后退火,得到泡沫陶瓷。
测试方法同实施例1,所得泡沫陶瓷的密度为0.304g/cm3,抗压强度为6.19MPa,热导率为0.098W/(m·K)。
实施例6:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石41%,磷尾矿22%,长石20%,黄砂15%,发泡剂2%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅42%、碳酸钙34%、氧化铁24%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量50%的水,在轻型球磨机中球磨混合17小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量7%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为1.5MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥21h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以4℃/min匀速升温到1140℃,保温烧结1h后退火,得到泡沫陶瓷。
测试方法同实施例1,所得泡沫陶瓷的料密度为0.294g/cm3,抗压强度为5.83MPa,热导率为0.092W/(m·K)。
实施例7:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石37%,磷尾矿33%,长石19%,黄砂10%,发泡剂1%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅47%、碳酸钙30%、氧化铁23%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量50%的水,在轻型球磨机中球磨混合13小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量5%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为3MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥24h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以3℃/min匀速升温到1100℃,保温烧结1.5h后退火,得到泡沫陶瓷。
测试方法同实施例1,所得泡沫陶瓷的密度为0.309g/cm3,抗压强度为6.41MPa,热导率为0.104W/(m·K)。
实施例8:
1)泡沫陶瓷的主要组成为:煤矸石45%,磷尾矿21%,长石20%,黄砂12%,发泡剂2%,均为质量百分比;所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物,质量百分比为:碳化硅32%、碳酸钙37%、氧化铁31%;
2) 原料混合后,再加入于原料总质量50%的水,在轻型球磨机中球磨混合16小时,得到混合均匀的浆料,将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体,再加入于粉体质量6%的水炼泥,得到混合均匀的生料;生料在粉末压片机中压制成型,成型压力为1MPa,再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥15h,得到坯体;将坯体置于烧结炉中,从室温以2℃/min匀速升温到1140℃,保温烧结1.5h后退火,得到泡沫陶瓷。
测试方法同实施例1,所得泡沫陶瓷的密度为0.275g/cm3,抗压强度为4.36MPa,热导率为0.089W/(m·K)。
上述实施例中使用的煤矸石的主要组成为:Al2O326.02%~42.48%、SiO234.73%~57.18%、Fe2O30.28%~10.63%、CaO0.12%~2.16%、MgO0.44%~2.41%、TiO20.90%~3.21%、SO30.08%~0.36%、 K2O+Na2O 0.25%~3.9%,烧失量17.69%~28.80%,均为质量百分比。
上述实施例中使用的磷尾矿的主要组成为:Al2O31.51%~5.27%、SiO213.26%~34.21%、CaO21.23%~37.45%、Na2O0.65%~2.94%、P2O56.86%~19.60%、Fe2O31.26%~4.29%和MgO4.25%~15.41%,均为质量百分比。
上述实施例中使用的长石的主要组成为:Al2O316.27%~21.84%、SiO265.19%~73.39%、CaO0.028%~0.37%、Na2O9.38%~11.72%、K2O0.05%~0.45%、Fe2O30.027%~0.810%和TiO20.09%~0.47%,均为质量百分比。
上述实施例中使用的黄沙的主要组成为:Al2O34.82%~6.15%、SiO284.36%~91.06%、CaO0.33%~1.64%、Na2O0.43%~0.69%、K2O3.15%~4.72%和Fe2O30.28%~0.61%,均为质量百分比。
上述实施例中经烧结后所得泡沫陶瓷的试样结构如图1至图3所示。由图1可知,该样品为大孔孔径,分布较均匀;由图2可知,该样品孔径偏大;由图3可知,该样品为小孔孔径,分布较均匀。