CN110963783A - 一种污泥基高强陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种污泥基高强陶粒及其制备方法。本发明的目的在于提供一种污泥基高强陶粒及制备方法，包括以下步骤：分别称取城市污泥，建筑弃土，煤气化渣，增塑剂；将城市污泥、建筑弃土、煤气化渣分别干化；将干化后的物料各自粉磨、过筛后混料均匀，进行紧密推挤，测试空隙率；物料混合均匀后在造粒设备与增塑剂、去离子水混合造粒，形成颗粒状产物的陶粒生料；陶粒生料预热后，然后升温至相应温度烧结出陶粒；烧制成的陶粒缓慢冷却至室温。本发明利用较大掺量的城市污泥、建筑弃土和煤气化渣作为原料，烧结出高强陶粒，以提高城市污泥处理、提高固废利用率，减小混凝土用自然砂石的开采，丰富污泥基陶粒类型。

Description

一种污泥基高强陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种污泥基高强陶粒及其制备方法。
背景技术
城市污泥主要是城市用水等排放出的污泥，其组成复杂，含有大量病原体、臭气、重金属等有毒有害物质。我国城市污泥处置方式相对落后，大量污泥没有得到规范化的处理，目前的处置方式主要是填埋，然而这种处理方式很可能会直接造成“二次污染”，对生态环境产生严重威胁。
陶粒是一种人造轻质骨料，通常是在一定的条件下，发生化学反应，生成一种稳定、质硬的固相。人造陶粒具有很多优异的性能，如密度低、抗冻性好、软化系数好等，陶粒具有性能可设计性，可设计出不同密度、不同强度和吸水率的陶粒，如利用陶粒可设计性，制备出满足混凝土用基础材料，可替代部分天然砂石骨料，缓解对自然资源的开采。
利用污泥制备陶粒是处理污泥的另外一种方式，可以减小因填埋而造成的二次污染。然而，污泥成分复杂，有机质含量多，制备出的污泥基陶粒污泥掺量较小，且烧制出陶粒强度小，使得其应用范围受限。制备出大掺量污泥陶粒且具有优异性能是研究的一大热点。
此外，目前大多性能较好的污泥基陶粒是在较大粉煤灰掺量下烧结的，如专利CN104261802中公开了一种污泥粉煤灰高强陶粒及其制备方法，陶粒主要原料为污泥和粉煤灰，烧结出的陶粒筒压强度＜6.5MPa，吸水率＞12％。专利CN 108675815 A中公开了一种粉煤灰污泥陶粒的制备方法，是将30％-60％的粉煤灰、自来水厂污泥30％-60％、造纸厂污泥3％-9％，污水厂污泥0-10％组成。在制备陶粒时，先将粉煤灰和烘干污泥粉磨过40目筛，造粒、预热、烧结出得陶粒满足GB/T 17431.1-2010《轻集料及试验方法》要求，其吸水率＞12％。
其存在的问题是:1、粉煤灰作为建筑材料中最常用的掺合料，其价格日益攀升，使得陶粒成本增加；2、利用粉煤灰烧制出的陶粒吸水率大，应用到水泥基中会影响其性能。为此，寻找其他固废作为陶粒原材料生产陶粒，具有一定的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污泥基高强陶粒及制备方法，本发明利用较大掺量的城市污泥、建筑弃土和煤气化渣作为原料，烧结出高强陶粒，以提高城市污泥处理和提高固废利用率，减小混凝土用自然砂石的开采，丰富污泥基陶粒类型。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种污泥基高强陶粒，包括以下重量份的组分：城市污泥50-150份、建筑弃土10-50份、煤气化渣20-70份、增塑剂10-30份。
进一步的技术方案是，所述城市污泥的烧失量为40-50％；其氧化硅含量不小于25％，氧化铝含量不小于15％，其制备而成的陶粒强度更高。
进一步的技术方案是，所述城市污泥为处理城市污水所产生的一种絮凝状物产物，其含水率为50-90％，pH值为4-8。
进一步的技术方案是，所述建筑弃为基坑开挖所产生的工程弃土，其氧化铝含量不小于10％，其制备而成的陶粒强度更高。
进一步的技术方案是，所述煤气化渣为煤炭在煤气化过程中的副产物，其氧化铝含量不小于15％，其制备而成的陶粒强度更高。
进一步的技术方案是，所述增塑剂为聚羧酸类减水剂，其浓度为20-45％，表面张力小于35mN/m，减水率大于20％。
一种污泥基高强陶粒的制备方法，包括以下步骤：
a、备料：分别称取重量份为50-150份的城市污泥，重量份为10-50份的建筑弃土，重量份为20-70份的煤气化渣，重量份为10-30份的增塑剂；
b、干化：将城市污泥、建筑弃土、煤气化渣分别干化，其干化后各个物料的含水率≤5％；
c、测试空隙率：将干化后的物料各自粉磨、过筛后混料均匀，进行紧密推挤，测试空隙率；
若测试得到的空隙率＜10％，则进行下一步骤；
若空隙率超出范围，则将干化后的物料重新粉磨、过目数更大的筛后混料均匀，再测试其空隙率，直到测试得到的空隙率＜10％；
其空隙率的计算公式如下：
Figure BDA0002339408260000031
式中：P是粉体压实体的空隙率，m是称量粉体的质量，ρ是粉体表观密度，R和h分别是压实体的半径和高度；
d、造粒：物料混合均匀后在造粒设备与增塑剂、去离子水混合造粒，形成颗粒状产物的陶粒生料；
e、焙烧：陶粒生料预热一段时间后，然后升温至相应温度烧结出陶粒；
f、冷却：烧制成的陶粒缓慢冷却至室温，其冷却时间为1-10h。
其冷却过程还可将烧制成的陶粒放置保温箱中，冷却至与周围环境相同。
进一步的技术方案是，所述步骤b中的干化过程为微波干化或在70-150℃下烘干。
进一步的技术方案是，所述步骤c中过筛目数为50目、400目和800目中的一种或几种。
进一步的技术方案是，所述步骤e中的预热温度为400-500℃，预热时间为10-30min；陶粒烧结温度为1050-1200℃，烧结时间为10-30min。
与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明制备的陶粒污泥掺量大，可有效的增加污泥处置率，减小因污泥填埋造成的二次污染等，且本发明将煤气化渣作为陶粒主要填料，降低污泥基轻质高强陶粒的成本、减小陶粒吸水率；
2、本发明在制备陶粒过程中以干化物料的空隙率为指标，通过空隙率表征颗粒之间的紧密堆积状态，辅以低表面张力的聚羧酸减水剂减小颗粒间的表面张力，以求所陶粒的密实度达到最大化，以获得高强陶粒。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步的说明。
实施例1
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取100份城市污泥，30份建筑弃土，50份煤气化渣，放入150℃烘箱中干化7h，测得各物料含水率均＜4％；将城市污泥粉磨后过50目筛，建筑弃土过800目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为4.5％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为20％的聚羧酸减水剂取30份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入500℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1100℃的烧结炉中保温30min后取出冷却至与环境温度相同即可。
实施例2
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取100份城市污泥，30份建筑弃土，50份煤气化渣，放入150℃烘箱中干化7h，测得各物料含水率均＜4％；将城市污泥粉磨后过50目筛，建筑弃土过800目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为4.5％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为20％的聚羧酸减水剂取30份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入500℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1100℃的烧结炉中保温30min后，立即放入冷却设备中，使得陶粒在2h之后温度降至与环境温度相同即可。
实施例3
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取50份城市污泥，35份建筑弃土，65份煤气化渣，放入微波炉中干燥25min，测得各物料含水率均＜4.5％；将城市污泥粉磨后过50目筛，建筑弃土过400目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为3.6％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为30％的聚羧酸减水剂取20份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入500℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1150℃的烧结炉中保温20min后取出后自然冷却至与环境温度相同即可。
实施例4
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取50份城市污泥，35份建筑弃土，65份煤气化渣，放入微波炉中干燥25min，测得各物料含水率均＜4.5％；将城市污泥粉磨后过50目筛，建筑弃土过400目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为3.6％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为30％的聚羧酸减水剂取20份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入500℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1150℃的烧结炉中保温20min后取出后立即放入冷却设备中，使得陶粒在8h之后温度降至与环境温度相同即可。
实施例5
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取75份城市污泥，40份建筑弃土，50份煤气化渣，放入微波炉中干燥20min后，测得各物料含水率均＜4.5％；将城市污泥粉磨后过400目筛，建筑弃土过800目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为5.2％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为45％的聚羧酸减水剂取10份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入450℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1150℃的烧结炉中保温20min后取出自然冷却至与环境温度相同即可。
实施例6
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取75份城市污泥，40份建筑弃土，50份煤气化渣，放入微波炉中干燥20min后，测得各物料含水率均＜4.5％；将城市污泥粉磨后过400目筛，建筑弃土过800目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为5.2％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为45％的聚羧酸减水剂取10份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入450℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1150℃的烧结炉中保温20min后取出，立即放入保温箱中，使得陶粒在10h之后温度降至与环境温度相同即可。
实施例7
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取150份城市污泥，10份建筑弃土，60份煤气化渣，放入105℃干燥箱中干化10h，测得各物料含水率均＜4.5％；将城市污泥粉磨后过50目筛，建筑弃土过400目筛，煤气化渣过800目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为4.6％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为40％的聚羧酸减水剂取15份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入500℃的烧结炉中保温20min，取出放入温度为1200℃的烧结炉中保温10min后取出，自然冷却至与环境温度相同即可。
实施例8
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取150份城市污泥，10份建筑弃土，60份煤气化渣，放入105℃干燥箱中干化10h，测得各物料含水率均＜4.5％；将城市污泥粉磨后过50目筛，建筑弃土过400目筛，煤气化渣过800目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为4.6％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为40％的聚羧酸减水剂取15份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入500℃的烧结炉中保温20min，取出放入温度为1200℃的烧结炉中保温10min后取出，立即放入保温箱中，使得陶粒在6h之后温度降至与环境温度相同即可。
实施例9
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取150份城市污泥，10份建筑弃土，60份煤气化渣，放入微波炉中干燥30min后，测得含水率均＜3％；将城市污泥粉磨后过800目筛，建筑弃土过50目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣在造粒机中混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为4.2％；
测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为35％的聚羧酸减水剂取25份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入450℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1150℃的烧结炉中保温15min后取出，自然冷却至与环境温度相同即可。
实施例10
一种污泥基高强陶粒，由以下步骤制备而成：
取150份城市污泥，10份建筑弃土，60份煤气化渣，放入微波炉中干燥30min后，测得含水率均＜3％；将城市污泥粉磨后过800目筛，建筑弃土过50目筛，煤气化渣过400目筛，然后将城市污泥、建筑弃土和煤气化渣在造粒机中混合均匀后，利用压实体堆积密度实验方法计算混合料的空隙率为4.2％；
将测试完空隙率后，将物料倒入造粒机中，将浓度为35％的聚羧酸减水剂取25份与混合料混合，外加些许去离子水，进行造粒，待造粒成功后，即为陶粒生料；
将陶粒放入450℃的烧结炉中保温30min，取出放入温度为1150℃的烧结炉中保温15min后取出，立即放入保温箱中，使得陶粒在4h之后温度降至与环境温度相同即可。
实施例1—10中所用污泥、建筑弃土和煤气化渣各成分如下表所示：
成分 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Na<sub>2</sub>O MgO CaO K<sub>2</sub>O
污泥 30.985 18.793 8.154 0.828 4.704 8.053 4.222
建筑弃土 70.028 17.145 5.486 0.973 1.410 0.793 2.718
煤气化渣 45.440 26.370 9.290 0.910 1.110 12.300 1.280
利用GB/T 17431.2-2010中堆积密度、筒压强度和吸水率的测试方法分别测试了实施例1-10所制备的陶粒，结果如下表所示：
Figure BDA0002339408260000091
Figure BDA0002339408260000101
对比例
现有陶粒通过以下步骤制备而成：称取污泥、粉煤灰、硫铝酸钙、邻苯二甲酸酯、水玻璃和除臭剂，其各个组分的重量份配比为45份、49份、1.5份、1份、3份、0.5份，其中污泥含水率35％，原料混合均匀后，造粒，在600℃预热4min后，在1200℃烧结8min后，制备出了陶粒。
利用GB/T 17431.2-2010中堆积密度、筒压强度和吸水率的测试方法测试对比例陶粒的结果为：筒压强度为6.3MPa，吸水率16.5％和堆积密度为620kg/m3的陶粒。
对比例制备的陶粒与实施例1—10制备的陶粒相比，本发明在污泥掺量为33.3％时，筒压强度最高可达11MPa，污泥掺量高达68.2％时，筒压强度依旧＞6.5MPa，吸水率均＜9％。所以本发明陶粒的强度相对于现有的陶粒强度具有大幅度的提升。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种污泥基高强陶粒，其特征在于，包括以下重量份的组分：城市污泥50-150份、建筑弃土10-50份、煤气化渣20-70份、增塑剂10-30份。
2.根据权利要求1所述的一种污泥基高强陶粒，其特征在于，所述城市污泥的烧失量为40-50％；其氧化硅含量不小于25％，氧化铝含量不小于15％。
3.根据权利要求1或2所述的一种污泥基高强陶粒，其特征在于，所述城市污泥含水率为50-90％，pH值为4-8。
4.根据权利要求1所述的一种污泥基高强陶粒，其特征在于，所述建筑弃的氧化铝含量不小于10％。
5.根据权利要求1所述的一种污泥基高强陶粒，其特征在于，所述煤气化渣的氧化铝含量不小于15％。
6.根据权利要求1所述的一种污泥基高强陶粒，其特征在于，所述增塑剂为聚羧酸类减水剂，其浓度为20-45％，表面张力小于35mN/m，减水率大于20％。
7.一种污泥基高强陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、备料：分别称取重量份为50-150份的城市污泥，重量份为10-50份的建筑弃土，重量份为20-70份的煤气化渣，重量份为10-30份的增塑剂；
b、干化：将城市污泥、建筑弃土、煤气化渣分别干化，其干化后各个物料的含水率≤5％；
c、测试空隙率：将干化后的物料各自粉磨、过筛后混料均匀，进行紧密推挤，测试空隙率；
若测试得到的空隙率＜10％，则进行下一步骤；
若空隙率超出范围，则将干化后的物料重新粉磨、过筛，再测试其空隙率，直到测试得到的空隙率＜10％；
d、造粒：物料混合均匀后在造粒设备与增塑剂、去离子水混合造粒，形成颗粒状产物的陶粒生料；
e、焙烧：陶粒生料预热一段时间后，然后升温至相应温度烧结出陶粒；
f、冷却：烧制成的陶粒缓慢冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的一种污泥基高强陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤b中的干化过程为微波干化或在70-150℃下烘干。
9.根据权利要求7所述的一种污泥基高强陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤c中过筛目数为50目、400目和800目中的一种或几种。
10.根据权利要求7所述的一种污泥基高强陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤e中的预热温度为400-500℃，预热时间为10-30min；陶粒烧结温度为1050-1200℃，烧结时间为10-30min。
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