CN111528042A - 一种生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，包括以下步骤：S1：收集电解锰渣浆；S2：将生物质材料在一定温度条件下炭化；S3：将步骤S2产生的二氧化碳气体通入磷石膏和电解锰渣浆中，反应一段时间后，升温脱水温度，形成改性的磷石膏粉；S4：将步骤S2炭化后的生物质材料与步骤S3得到的改性磷石膏粉混合，在350‑500℃条件下反应，得到改性的炭基磷石膏粉。本发明利用生物质材料、磷石膏和电解锰渣一体化高温处理，通过三种材料的耦合作用，实现生物质炭改性及磷石膏改性，解决现有的生物质炭化及磷石膏脱水活化效率低，材料改性过程能耗大、改性材料利用率低等问题。

Description

一种生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法

技术领域

本发明涉及电解锰渣利用技术领域，尤其涉及一种生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法。

背景技术

磷石膏是一种细粉状固体，主要化学成分是氧化钙和三氧化硫，还含有一定量的结晶水以及二氧化硫、磷、氟和有机物等杂质。磷石膏最大的优点就是强度高、韧性好；磷石膏与聚合物具有非常强的亲和力，这使得磷石膏容易用聚合物进行表面处理，也能与聚合物加工生成复合材料。目前，磷石膏可以用来制混凝土外加剂，如制混凝土膨胀剂、水泥缓凝剂及水泥矿化剂。磷石膏利用前需要进行水洗、煅烧去除杂质，目前工艺耗能高、效率低。

电解锰渣是锰冶炼企业生产过程中产生的固体废弃物，锰渣资源化利用程度不高，长期以来以堆放的方式进行处置，电解锰渣长期露天堆放不仅大量占用土地，还带来较大的环境风险，特别是受到降雨的冲涮，电解锰渣中锰化合物、游离氨等污染物会进入水体环境，造成堆场周边水环境质量下降。

生物质材料主要包括农作物秸秆、树枝、城镇生物质废弃物等。生物质材料经热解炭化产生富含稳定性碳的有机物质，即生物质炭，非常利于农业生产。但同时，常规的利用炭化炉炭化过程中高温(300℃-500℃)耗能较大，炭化率较低，生产生物质炭产品成本较高，难以在循环农业中推广应用。

目前，这三者在我国的产量都较多，综合利用率不高，未能形成良好的耦合作用。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：收集电解锰渣浆，所述电解锰渣浆收集于经绿化生态改造的电解锰渣堆场，所述电解锰渣堆场内设置有若干蓄水坑，所述蓄水坑内能够存蓄经雨水冲刷电解锰渣堆的坡面进入的电解锰渣颗粒以及植物碎屑；

S2：将生物质材料在一定温度条件下炭化；

S3：将步骤S2产生的二氧化碳气体通入磷石膏和电解锰渣浆中，反应一段时间后，升温至脱水温度，形成改性的磷石膏粉；

S4：将步骤S2炭化后的生物质材料与步骤S3得到的改性磷石膏粉混合，在350-500℃条件下反应，得到改性的炭基磷石膏粉。

优选地，步骤S1中收集周期为每隔30-60天收集一次所述电解锰浆。

优选地，所述蓄水坑在每一收集周期内至少换水一次。

优选地，所述电解锰渣堆场内设置有若干引水槽，用于将雨水引入所述蓄水坑内。

优选地，所述电解锰渣堆场内至少种植有草本植物。

优选地，所述草本植物至少包括黑麦草、三叶草中的一种。

优选地，所述生物质材料包括农作物秸秆、树木枝干以及厨余垃圾中的至少一种。

优选地，所述电解锰渣浆的固液比为1:2-4。

优选地，所述电解锰渣浆为40-60质量份、所述生物质材料为20-35质量份、所述磷石膏为20-40质量份。

优选地，还包括步骤S5：将步骤4得到的炭基磷石膏粉与硫酸钾、碳酸钾、氧化钾中的至少一个混合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用生物质材料、磷石膏和电解锰渣一体化高温处理，通过三种材料的耦合作用，实现生物质炭改性及磷石膏改性，解决现有的生物质炭化及磷石膏脱水活化效率低，材料改性过程能耗大、改性材料利用率低等问题。

(2)本发明利用已经预先经过筛选、处理的的电解锰渣，即收集来源于电解锰渣堆场的蓄水坑内的电解锰渣浆，通过雨水冲刷筛选淤积的电解锰渣颗粒小，粒径基本在30-50微米，更易反应；同时，蓄水坑内也收集有植物碎屑，植物碎屑在坑内经一定发酵，丰富电解锰渣浆的元素成分，更利于生态修复使用。

(3)本发明通过对蓄水坑换水，实现了浆液酸性降低，再次通过后期添加生物质材料，通过生物质材料炭化产生的碱性生物质炭进一步中和电解锰渣的酸性，使得整体物质偏向中性，更利于生态修复使用。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。

说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。

此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。

实施例1：

S1：收集40质量份的电解锰渣浆，电解锰渣浆收集于经绿化生态改造的电解锰渣堆场，电解锰渣堆场内设置有若干蓄水坑，蓄水坑内能够存蓄经雨水冲刷电解锰渣堆的坡面进入的电解锰渣颗粒以及植物碎屑。

其中，蓄水坑由电解锰渣堆表面向内挖设，其体积在(30-50)×(30-50)×(60-80)cm，以适宜蓄存，并适宜发酵。

步骤S1中收集周期为每隔30-60天收集一次电解锰浆，直至收集到所需质量。进一步地，蓄水坑在每一收集周期内至少换水一次，以降低电解锰渣浆的酸性。

电解锰渣堆场内还可以设置有若干引水槽，引水槽可以沿电解锰渣堆的等高线缓慢倾斜向下设置，连通多个蓄水坑，以用于将雨水引入蓄水坑内，雨水携带小颗粒电解锰渣颗粒以及植物碎屑在蓄水坑内淤积，通过电解锰渣与植物碎屑混合发酵，丰富有益成分，利于生态修复。引水槽优选槽宽在30-40cm，深度在20-30cm，以适宜雨水裹挟小颗粒电解锰渣以及植物碎屑流动。植物碎屑主要为容易在电解锰渣堆场环境存活的草本植物，特别是黑麦草、三叶草等。当然，也可以包括其他植物落叶等植物碎屑。

电解锰渣浆的固液比可以调节至1:2-4，以更利于后续操作。

S2：将20质量份的生物质材料在一定温度条件下炭化。该炭化步骤不需要将生物质材料完全炭化，仅将其表面炭化，故温度在180-200℃即可。

具体地，生物质材料可以包括农作物秸秆、树木枝干以及厨余垃圾中的至少一种，当然也可以几种混合，以方便获取即可，提高废弃物利用率。

S3：将步骤S2产生的二氧化碳气体通入20质量份的磷石膏和40质量份的电解锰渣浆中，并在60-80℃条件下反应30-90min后，升温至160-220℃条件下脱水形成改性的磷石膏粉。

此步骤中，可以通过对传统炭化炉进行改造，以适宜本制备方法，利用生物质材料炭化余热对磷石膏以及电解锰渣浆加热，降低能耗，节约能源。将传统炭化炉炉内分为外部结构(放挤压成型的生物质炭化材料)和内部结构(用钢板与外部结构隔开，内放未经处理的磷石膏及电解锰渣)，炭化炉上还设有内部喷射蒸汽的蒸汽喷管，以及炭化炉的进气口和排气口，这些可以通过改造传统炭化炉而实现。

S4：将步骤S2炭化后的生物质材料与步骤S3得到的改性磷石膏粉混合，在350-500℃条件下反应，得到改性的炭基磷石膏粉。该炭基磷石膏粉可用于制作各种砖的骨架材料，通过添加调理剂能满足各种砖体的抗压强度等质量标准。

其中，还可以将步骤4得到的炭基磷石膏粉与硫酸钾、碳酸钾、氧化钾中的至少一个混合，以增添植物生长所需营养元素，更利于制造生态修复材料。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，电解锰渣浆为50质量份、生物质材料为28质量份、磷石膏为30质量份。其它步骤相同。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，电解锰渣浆为60质量份、生物质材料为35质量份、磷石膏为40质量份。其它步骤相同。

以制成生态砖为例，以上实施例中所生产出来的炭基磷石膏粉均能够满足砖块抗压强度等建材化性能要求，并且利于植物生长。

本发明包括生物质材料炭化过程和磷石膏及电解锰渣煅烧过程，在炭化炉中利用生物质材料炭化过程产生的CO₂及电解锰渣加热过程中产生的氨气，通入到磷石膏中，与CaSO₄·2H₂O发生化学反应(60-80℃)，生成碳酸钙CaCO₃，在通过逐步提高温度至160-220℃高温烘干脱水成为半水石膏，从而增加磷石膏粉的固结能力，同时保留较多的植物养分元素(P、N、S、Ca、Mn等)，通过将生物质炭粉与磷石膏粉混合形成多孔保水的复合材料，用作植物生长基质材料。

同时，将部分生物质炭粉与磷石膏粉混合物装入煅烧炉中，将温度升至400℃左右，通过高温去除磷石膏中无机磷等杂质，以及电解锰渣中氨等，提高磷石膏粉建材化利用的性能，这部分炭基磷石膏粉可用于制作各种砖的骨架材料，通过添加调理剂能满足各种砖体的抗压强度等质量标准。

本发明通过炭化炉炭化生物质材料过程生产改性磷石膏粉，同时通过煅烧炉对改性磷石膏进行高温快速脱水，形成改性炭基磷石膏粉，利用这两种改性磷石膏粉生产多元化的生态混凝土系列产品，从而全面地提高磷石膏及电解锰渣综合利用的经济效益、生态效益及社会效益。

综上，本发明利用生物质材料、磷石膏和电解锰渣一体化高温处理，通过三种材料的耦合作用，实现生物质炭改性及磷石膏改性，解决现有的生物质炭化及磷石膏脱水活化效率低，材料改性过程能耗大、改性材料利用率低等问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：收集电解锰渣浆，所述电解锰渣浆收集于经绿化生态改造的电解锰渣堆场，所述电解锰渣堆场内设置有若干蓄水坑，所述蓄水坑内能够存蓄经雨水冲刷电解锰渣堆的坡面进入的电解锰渣颗粒以及植物碎屑；

S2：将生物质材料在一定温度条件下炭化；

S3：将步骤S2产生的二氧化碳气体通入磷石膏和电解锰渣浆中，反应一段时间后，升温至脱水温度，形成改性的磷石膏粉；

S4：将步骤S2炭化后的生物质材料与步骤S3得到的改性磷石膏粉混合，在350-500℃条件下反应，得到改性的炭基磷石膏粉。

2.根据权利要求1所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，步骤S1中收集周期为每隔30-60天收集一次所述电解锰浆。

3.根据权利要求2所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，所述蓄水坑在每一收集周期内至少换水一次。

4.根据权利要求2所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，所述电解锰渣堆场内设置有若干引水槽，用于将雨水引入所述蓄水坑内。

5.根据权利要求2所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，所述电解锰渣堆场内至少种植有草本植物。

6.根据权利要求5所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，所述草本植物至少包括黑麦草、三叶草中的一种。

7.根据权利要求1所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，所述生物质材料包括农作物秸秆、树木枝干以及厨余垃圾中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，所述电解锰渣浆的固液比为1:2-4。

9.根据权利要求1所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，所述电解锰渣浆为40-60质量份、所述生物质材料为20-35质量份、所述磷石膏为20-40质量份。

10.根据权利要求1所述的生态修复用炭基磷石膏粉的制备方法，其特征在于，还包括步骤S5：将步骤4得到的炭基磷石膏粉与硫酸钾、碳酸钾、氧化钾中的至少一个混合。