CN107963902A - 一种高吸水性陶粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高吸水性陶粒的制备方法，将粉煤灰与农林废弃物粉末混合，再与湿赤泥混合，制成陶粒坯样，干燥、预热、烧制即得。本发明的特点在于：①成本低，所有原料均为固体废弃物，原料配比为赤泥5~45%（干重）、粉煤灰45~85%，农林废弃物10~30%，以及适量的水；②不采用任何添加剂，仅利用固体废弃物各原料本身的化学成分，配料简单，质量稳定，容易操作；③制备的陶粒具有丰富的孔道结构、高达50%以上的吸水率，高于一般陶粒产品，可作为渗蓄材料，满足海绵城市建设中的蓄水、净水需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种高吸水性陶粒的制备方法，属于固体废弃物资源化与环境材料领域。
背景技术
随着城市化进程的加快，城市下垫面硬化面积不断增加，雨水可渗透面积减少，使城市雨水径流量不断增加，形成城市内涝、雨水径流污染等问题。为了解决城市雨水问题，我国正积极开展海绵城市建设。雨水渗滤***是海绵城市重要组成，具有净化径流污染物和削减径流量的功能。陶粒作为生物滤料广泛应用于水处理，是海绵城市雨水渗滤***重要的填充基质，然而目前陶粒大多吸水率低，污染物去除率低，难以满足海绵城市雨水渗、蓄、净的要求。
粉煤灰和赤泥是我国非常重要的两种大宗工业固体废弃物，来源广泛、价格低廉。燃煤机组每燃烧1t煤就会产生20％多的粉煤灰和灰渣等固体废弃物。赤泥是氧化铝生产过程中排出的工业固体废渣，一般每生产1t氧化铝大约排放1～2t赤泥。很多学者想到分别利用这两种工业废弃物去制备陶粒，然而这些陶粒多作为建筑材料或者轻集料，其主要特征为大小均匀、质地密实、表面有釉质生成，具有较高的强度；表面疏松多孔且具有高吸水性的陶粒并不多。马龙在《赤泥轻质陶粒烧结温度的试验研究》中提到，利用赤泥、粉煤灰、膨润土为主要原料，掺加一定量的成孔剂和助熔剂，通过烧结工艺制备赤泥轻质陶粒，但其试样吸水率最高的仅为13.5%。武汉理工大学研究者采用赤泥、粉煤灰、石英和造孔剂研制的水处理陶粒的吸水率在22.4%左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用粉煤灰、赤泥两种工业废弃物，掺加农林废弃物协同作用制备无添加剂、低成本的高吸水性陶粒的方法。
一种高吸水性陶粒的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照质量比为（45~85）:（10~30）的比例，将粉煤灰与烘干、磨细后的农林废弃物粉末均匀混合，得到混合粉末A；
（2）将混合粉末A与湿赤泥（未经烘干处理的赤泥原样）按照粉煤灰与赤泥（干重）质量比为（45~85）:（5~45）的比例进行混合，得到混合物B；
（3）将混合物B与水按照质量体积比（g/mL）为100:（15~60）的比例混合，搅拌2~3分钟，得到混合泥C；
（4）手动搓球，控制粒径在5~20mm左右，制成陶粒坯样D；
（5）将陶粒坯样D转移至马弗炉中进行干燥、预热、焙烧等程序，焙烧完成后，自然冷却至室温即得。
步骤（5）中，干燥温度为105℃，干燥时间为120~240min；预热温度为350~450℃，预热时间为30~60min；预热至焙烧间升温速率为6~12℃/min；焙烧温度为950~1150℃，焙烧时间为20~70min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过对多种工业、农林废弃物进行综合处理，制备高吸水性陶粒，无论是从废物资源化的角度，还是产品的经济效益都是十分有价值的；
2、以粉煤灰、赤泥和农林废弃物等固体废弃物为原料来源，一方面原材料价格低廉，另一方面原料配比合理，充分发挥各原料化学组分的作用；
3、在制备过程中不额外加入添加剂，最大限度节约成本，简化工艺流程，易于大规模生产；
4、制备的陶粒疏松，孔隙丰富，吸水性高，污染物净化效果好，相比现有陶粒更适用于海绵城市雨水渗滤***渗蓄、净化需求。
附图说明
图1是实施例1未烧制的陶粒坯样宏观图；
图2是实施例1成品陶粒的宏观图；
图3是实施例2成品陶粒的外表面扫描电镜图；
图4是实施例2成品陶粒的内部断面扫描电镜图；
图5是实施例4成品陶粒的外表面扫描电镜图；
图6是实施例4成品陶粒的内部断面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种高吸水性陶粒的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照质量比为50:20的比例，将粉煤灰（取自中国云南曲靖市发电厂）与烘干、磨细后的咖啡渣（取自洱海咖啡有限公司）粉末均匀混合，得到混合粉末A；
（2）将混合粉末A与湿赤泥（未经烘干处理的赤泥原样，取自云南文山铝业有限公司）按照粉煤灰与赤泥（干重）质量比为50:30的比例进行混合，得到混合物B；
（3）将混合物B与水按照质量体积比为100:30的比例混合，搅拌2min，得到混合泥C；
（4）手动搓球，控制粒径在10mm左右，制成陶粒坯样D（如图1所示，表面粗糙，呈黑灰色，这主要是粉煤灰遇水后体现出的颜色，此时，赤泥的赤红色呈现不出来）；
（5）将陶粒坯样D转移至马弗炉中，在105℃干燥120min，然后升温至450℃预热30min，再以6℃/min的速率升温至1100℃焙烧20min。焙烧完成后，自然冷却至室温即得（如图2所示，成品陶粒呈砖红色，表面粗糙，孔洞比较鲜明，这给陶粒的高吸水性提供了前提基础）。
检测吸水率：将陶粒置于鼓风干燥箱中，105℃干燥至恒重。取干燥后的陶粒若干，称量其质量，为15.320g；随后将陶粒放入烧杯中，加过量的水，保证陶粒全部淹没于水中。待加水淹没时间满1小时，取出陶粒，用湿抹布擦干陶粒表面的水滴，称量其质量，为22.848g；将陶粒放回烧杯中，继续浸泡，待满24小时，重新取出陶粒，同样用湿抹布擦干陶粒表面的水滴，称量其质量，为23.523g。
计算吸水率：W1=(22.848-15.320)/15.320×100%=49.1%；
W2=(23.523-15.320)/15.320×100%=53.5%；
式中W1、W2分别为1小时吸水率、24小时吸水率。
实施例2
一种高吸水性陶粒的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照质量比为70:10的比例，将粉煤灰与烘干、磨细后的竹叶粉末均匀混合，得到混合粉末A；
（2）将混合粉末A与湿赤泥按照粉煤灰与赤泥（干重）质量比为70:20的比例进行混合，得到混合物B；
（3）将混合物B与水按照质量体积比为100:40的比例混合，搅拌3min，得到混合泥C；
（4）手动搓球，控制粒径在5mm左右，制成陶粒坯样D；
（5）将陶粒坯样D转移至马弗炉中，在105℃干燥240min，然后升温至400℃预热45min，再以8℃/min的速率升温至1000℃焙烧70min。焙烧完成后，自然冷却至室温即得。
按实施例1的方法检测吸水率：干燥陶粒质量为15.790g，浸泡1小时后，质量为23.770g；浸泡满24小时，质量为24.493g。
计算吸水率：W1=(23.770-15.790)/15.790×100%=50.5%；
W2=(24.493-15.790)/15.790×100%=55.1%；
式中W1、W2分别为1小时吸水率、24小时吸水率。
图3为本实施例成品陶粒的外表面扫描电镜图，从图中可以看出，陶粒表面非常粗糙，且颗粒相对均匀，各颗粒间孔洞比较多，细看之下，存在不少较深的孔洞；图4为本实施例成品陶粒的内部断面扫描电镜图，陶粒的内部也呈疏松多孔状态，说明焙烧时间足够，陶粒焙烧的很充分，且颗粒分布同样均匀，各颗粒间也同样存在孔洞，但部分孔周围孔壁比较平整，接近半球型，说明这部分气体在加热的过程中由于孔壁比较厚，未能突破孔壁的束缚，从而形成了闭孔，此类的孔洞对1小时吸水率基本没贡献，若孔壁毛细作用较好，能够增大24小时吸水率；部分孔洞比较深，这应该是在加热过程中，各气孔中的气体由于热胀作用，突破了孔壁的束缚，且与其它孔内的气体相汇合，形成穿孔，若气压足够大，能够突破重重孔壁的束缚，直至突破陶粒外表面，形成由内而外的通孔，这类孔道对陶粒吸水率起主要作用，这类孔道的多少，直接决定了陶粒吸水率的优劣。
实施例3
一种高吸水性陶粒的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照质量比为85:10的比例，将粉煤灰与烘干、磨细后的咖啡渣粉末均匀混合，得到混合粉末A；
（2）将混合粉末A与湿赤泥按照粉煤灰与赤泥（干重）质量比为85:5的比例进行混合，得到混合物B；
（3）将混合物B与水按照质量体积比为100:60的比例混合，搅拌3min，得到混合泥C；
（4）手动搓球，控制粒径在20mm左右，制成陶粒坯样D；
（5）将陶粒坯样D转移至马弗炉中，在105℃干燥200min，然后升温至350℃预热60min，再以10℃/min的速率升温至950℃焙烧40min。焙烧完成后，自然冷却至室温即得。
按实施例1的方法检测吸水率：干燥陶粒质量为15.687g，浸泡1小时后，质量为23.798g；浸泡满24小时，质量为24.440g。
计算吸水率：W1=(23.798-15.687)/15.687×100%=51.7%；
W2=(24.440-15.687)/15.687×100%=55.8%；
式中W1、W2分别为1小时吸水率、24小时吸水率。
实施例4
一种高吸水性陶粒的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照质量比为45:10的比例，将粉煤灰与烘干、磨细后的竹叶粉末均匀混合，得到混合粉末A；
（2）将混合粉末A与湿赤泥按照粉煤灰与赤泥（干重）质量比为45:45的比例进行混合，得到混合物B；
（3）将混合物B与水按照质量体积比为100:15的比例混合，搅拌2min，得到混合泥C；
（4）手动搓球，控制粒径在15mm左右，制成陶粒坯样D；
（5）将陶粒坯样D转移至马弗炉中，在105℃干燥180min，然后升温至400℃预热35min，再以12℃/min的速率升温至1150℃焙烧20min。焙烧完成后，自然冷却至室温即得。
按实施例1的方法检测吸水率：干燥陶粒质量为15.224g，浸泡1小时后，质量为19.457g；浸泡满24小时，质量为19.964g。
计算吸水率：W1=(19.457-15.224)/15.224×100%=27.8%；
W2=(19.964-15.224)/15.224×100%=31.1%；
式中W1、W2分别为1小时吸水率、24小时吸水率。
图5为本实施例成品陶粒的外表面扫描电镜图，从图中可以看出，陶粒表面粗糙度比图3低，部分大块的颗粒表面非常平滑，能看出陶粒表面已经发生玻璃化转变，有釉质生成，其次，陶粒表面依然有较深的孔洞，只是就孔洞密集程度而言，较图3稀疏；图6是本实施例成品陶粒的内部断面扫描电镜图，可以看出，内部也出现玻璃化现象，再看孔隙分布，内部也存在少量的深孔，这直接决定了这批陶粒吸水率的高低，更多的孔道比较匀称，接近半球形，且孔壁也都基本玻璃化，生成了釉质，此类孔洞几乎起不到吸水的作用，因此其吸水率下降，但仍然高于现有技术陶粒的吸水率。
实施例5
一种高吸水性陶粒的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照质量比为55:30的比例，将粉煤灰与烘干、磨细后的咖啡渣粉末均匀混合，得到混合粉末A；
（2）将混合粉末A与湿赤泥按照粉煤灰与赤泥（干重）质量比为55:15的比例进行混合，得到混合物B；
（3）将混合物B与水按照质量体积比为100:50的比例混合，搅拌3min，得到混合泥C；
（4）手动搓球，控制粒径在10mm左右，制成陶粒坯样D；
（5）将陶粒坯样D转移至马弗炉中，在105℃干燥150min，然后升温至450℃预热30min，再以10℃/min的速率升温至1050℃焙烧40min。焙烧完成后，自然冷却至室温即得。
按实施例1的方法检测吸水率：干燥陶粒质量为15.725g，浸泡1小时后，质量为23.075g；浸泡满24小时，质量为23.587g。
计算吸水率：W1=(23.075-15.725)/15.725×100%=46.7%；
W2=(23.587-15.725)/15.725×100%=50.0%；
式中W1、W2分别为1小时吸水率、24小时吸水率。
Claims (3)
1.一种高吸水性陶粒的制备方法，具体步骤如下：
（1）按照质量比为（45~85）:（10~30）的比例，将粉煤灰与烘干、磨细后的农林废弃物粉末均匀混合，得到混合粉末A；
（2）将混合粉末A与湿赤泥按照粉煤灰与赤泥干重质量比为（45~85）:（5~45）的比例进行混合，得到混合物B；
（3）将混合物B与水按照质量体积比为100:（15~60）的比例混合，搅拌2~3分钟，得到混合泥C；
（4）手动搓球，制成陶粒坯样D；
（5）将陶粒坯样D干燥、预热、焙烧，焙烧完成后，自然冷却至室温即得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）制成的陶粒坯样D粒径为5~20mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）中干燥温度为105℃，干燥时间为120~240min；预热温度为350~450℃，预热时间为30~60min；预热至焙烧间升温速率为6~12℃/min；焙烧温度为950~1150℃，焙烧时间为20~70min。
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