CN115141003B - 一种飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及垃圾焚烧飞灰回收再利用的技术领域，公开了一种飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，包括如下步骤：（1）预处理：所述陶瓷砖的原料包括飞灰、废玻璃粉、生物质炭、粘土、复合助熔剂和添加剂；所述复合助熔剂包括B2O3和V2O5；将陶瓷砖的原料各组分分别研磨，然后取出并分别过筛，收集筛下物备用；（2）干压成型：将筛下物混合并搅拌处理，待充分混合后，进行干压成型，得到成型体；（3）低温烧结：将成型体进行低温烧结，先升温至600~700℃，然后升温至875～950℃，之后冷却，得到陶瓷砖。本发明不仅能够有效固化飞灰中重金属，还可以在低烧结温度下提高陶瓷砖的抗压强度，实现飞灰的低能耗资源化处置。

Description

一种飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法
技术领域
本发明涉及垃圾焚烧飞灰回收再利用的技术领域，尤其涉及一种飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法。
背景技术
城市生活垃圾焚烧飞灰是指在烟气净化***和热回收利用***(如节热器、余热锅炉等)中收集而得的残留物，包括烟灰、注入的吸附剂、烟道气的冷凝产物与反应产物等。飞灰一般呈灰白色或深灰色，粒径一般小于300um，热灼减率为34％～51％，颗粒形态多样化，其中以不规则形状聚合体居多，球形体、絮状集合体相对较少，少数颗粒为棒状集合体。城市生活垃圾焚烧飞灰主要成分为CaO(15％～40％)、SiO2(10％～30％)、Al2O3(4％～6％)、Fe2O3(1％～3％)、SO3(8％～10％)、Na2O(3％～5％)、K2O(1％～3％)，还含有主要晶体物质为NaCl、KCl、CaCl2、SiO2、Ca(OH)2、CaO、CaCO3、CaSO4·2H2O、CaSO4、CaC1OH和CaCl2·Ca(OH)2·2H2O。另外，飞灰中含氯元素高，主要以可溶性氯盐形式存在，如氯化钠、氯化钾、氯化钙等；还含有微量的重金属，包括0.8％～2.5％Zn，0.1％～0.8％Pb和0.1％～0.5％Cu，以氧化物、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐等形式存在；以及含有极微量的包括二噁英在内的有毒有害物质。
因而，飞灰中含有大量的溶解性盐类及重金属，如果处置不当，很有可能浸出污染附近空气、土壤和水体；同时，飞灰的比表面积很高，表面富集了大量的二噁英类剧毒物质，对环境危害极大；飞灰中还含有大量的氯，这就增加了重金属的溶解性并降低重金属的熔点，不利于飞灰的固化或熔融处理。现有技术中飞灰的处理方法主要包括填埋法、烧结法和资源化回收利用。填埋法是将垃圾填埋在废坑中，飞灰作为危险废弃物，在填埋前需对垃圾焚烧进行预处理才能安全填埋，比如水泥固化、化学剂螯合等。烧结法是用高温的方法将飞灰进行烧结以无害化。资源化回收利用是将废弃物作为材料进行加工成产品，实现废弃物资源化。但是，在飞灰的处理过程中，水泥固化、化学药剂固化、水热固化等无害化的方式普遍存在长期稳定性差、处理过程中产生废水、处理成本高、重金属浸出易超标等问题，而高温烧结和玻璃熔融固化等方式也存在能耗大、处理成本较高等问题，所以急需探索一个既能使垃圾焚烧飞灰无害化，又能实现垃圾焚烧飞灰资源化的新方法。
公开号为CN113321489A的中国发明专利公开了一种利用飞灰制备陶瓷的方法、***及陶瓷制品，将飞灰和粉碎后的稀土尾砂搅拌均匀后煅烧，水淬，并加入聚乙烯醇混合均匀后在预设温度下进行撞击式研磨；在研磨好的混合料中加入第一配料，得到配置好的陶瓷原料，并置入瓷坯模具成型；所述第一配料的原料包括高岭土、页岩、石英、膨润土、滑石、甲基纤维素和增塑剂；将成型的坯体干燥后入窑，低温焙烧1-2小时，然后高温焙烧。该方法仍存在处理过程中产生废水、处理成本较高、工艺复杂的问题，并不能将飞灰以高效资源化再利用，并且，制备得到的陶瓷制品并不满足高强度、轻量化的要求。
发明内容
为了解决垃圾焚烧飞灰既能够实现无害固化、又能够高效资源化再利用的技术问题，本发明提供了一种飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，不仅可以降低陶瓷砖的烧结温度，还能增强陶瓷砖的抗压强度，得到高强度、轻质的陶瓷砖产品。
本发明的具体技术方案为：本发明提供了一种飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：所述陶瓷砖的原料包括飞灰、废玻璃粉、生物质炭、粘土、复合助熔剂和添加剂；所述复合助熔剂包括B2O3和V2O5；将陶瓷砖的原料各组分分别研磨，然后取出并分别过筛，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物混合并搅拌处理，待充分混合后，进行干压成型，得到成型体；
(3)低温烧结：将成型体进行低温烧结，先升温至600～700℃，保温20～35min，然后升温至875～950℃，保温40～55min，之后冷却，得到陶瓷砖。
本发明以飞灰、废玻璃粉、生物质炭和粘土作为制备陶瓷砖的主要原料，再加上复合助熔剂和添加剂在其间的相互作用，能够降低陶瓷砖的焙烧温度的同时，提高其孔隙率和抗压强度，得到高强度、轻质的陶瓷砖，实现低能耗高效资源化处理。
生物质炭是由富含碳的生物质材料在无氧或缺氧条件下经热化学转化生成的多孔固体颗粒物质，它含有大量的碳和植物营养物质、具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基团。生物质炭经烧结后能够形成更多孔洞，该孔洞为气相反应提供气源，利于反应物的输运，加大Al和Si之间的反应界面，促进陶瓷砖内莫来石形成晶须和晶柱，为莫来石晶须的生长提供了有效生长空间，而晶须生长和孔洞结构会形成三维骨架结构，有利于提高陶瓷砖产品的孔隙率、孔洞均匀度及抗压强度。
另外，生物质炭经烧结后能够分解生成碳单质和弱还原性气体(一氧化碳/二氧化碳)，可以降低飞灰内硫酸盐生成二氧化硫的反应温度，而复合助熔剂含有的V2O5可以作为催化剂催化二氧化硫生成三氧化硫，三氧化硫的生成增加了烧结组分的酸碱比，进而降低了陶瓷砖的烧结温度。同时，弱还原性气体氛围可以促使飞灰内Fe2O3以FeO的形式存在，并与烧结组分中的CaO、SiO2、Al2O3等形成熔点很低的共熔体(铁橄榄石、铁尖晶石、铁铝榴石等)，增强陶瓷砖的抗压强度，使得飞灰制备陶瓷砖的烧结温度显著降低。弱还原性气体还可以促使飞灰内MgO生成扩散能力较强的Mg+，与烧结组分中的SiO2、Al2O3等作用生成镁橄榄石、假蓝宝石，并与陶瓷砖内莫来石反应生成荃青石，最后镁橄榄石、假蓝宝石、荃青石发生了低温共熔，共熔物不断溶解周围的晶体微粒，使烧结组分的熔融温度降低，实现助熔。复合助熔剂同样能够实现助熔，降低烧结组分的瓷化温度。
复合助熔剂中的V2O5还可以控制烧结过程中的重金属离子缺失浓度，在飞灰中的重金属在熔融过程中进入矿物质晶格中，实现飞灰重金属的固化后，V2O5可以稳定飞灰中的重金属，防止部分重金属挥发造成的二次污染。陶瓷砖中的三维骨架结构以及同时形成的各种低温共熔体有利于重金属的封存、固化，减少重金属浸出污染环境。
作为优选，步骤(1)中，所述陶瓷砖的原料中复合助熔剂的质量分数为10～13％；所述复合助熔剂中，B2O3和V2O5的质量比为7～8：2～3。
复合助熔剂可以降低陶瓷砖的熔融温度，如果不添加复合助熔剂在875-950℃下煅烧会影响陶瓷砖的性能。
作为优选，步骤(1)中，所述飞灰的含水率为9～12％。
飞灰中的水分起到粘结剂和润滑剂的作用，降低颗粒间的摩擦力，促进颗粒位移，进而提高成型体的密度和抗压强度。飞灰中的水分含量过高会对成型体的抗压强度增加产生负面影响，这是因为水分是不可压缩的，过多的水分将颗粒隔开，颗粒间的毛细作用力降低，成型体的抗压强度也会降低。
作为优选，步骤(1)中，所述陶瓷砖的原料中，飞灰、废玻璃粉、粘土的质量分数分别为27.5～34.6％、11.2～14.8％、35.5～40.2％。
主要原料的质量比例会影响所制备陶瓷砖的抗压强度。
作为优选，步骤(1)中，所述陶瓷砖的原料中生物质炭的质量分数为2～6％。
生物质炭添加过多时，不利于陶瓷砖内部莫来石晶相的石化反应，莫来石的晶柱减少，使得粘连面积增加多，导致陶瓷砖断面致密化，不利于形成高孔隙率的内部结构。
作为优选，步骤(1)中，所述粘土为高岭土、膨润土、瓷土中的一种或多种；所述粘土的组成成分中，SiO2和Al2O3的质量比为29.6～35.4：42.8～56.54。所述粘土为高岭土，其质量分数组成为：29.6～35.4％的Al2O3、42.8～56.54％的SiO2、1～3％的Fe2O3、K2O+Na2O的质量分数不超过1％；
通过控制粘土中SiO2和Al2O3的比例，实现控制陶瓷砖烧结组分中SiO2和Al2O3的比例，并且该比例与飞灰、废玻璃粉、粘土等原料组份比例密切相关，影响低温共熔体的形成效果。
作为优选，步骤(1)中，所述添加剂包括粘合剂和催化剂。
作为优选，步骤(1)中，所述粘合剂为环氧树脂；所述陶瓷砖的原料中粘合剂的质量分数为1.1～2.5％；所述催化剂为AlF3·3H2O、HF中的一种；所述陶瓷砖的原料中催化剂的质量分数为0.4～0.6％。
催化剂可以降低陶瓷砖内莫来石的催化生成温度，更优选为AlF3·3H2O。
作为优选，步骤(2)中，所述干压成型的成型压力为10～20MPa，加压速率为1～3kN/s，保压时间为20～30min。
作为优选，步骤(3)中，所述低温烧结中的升温速度为10～15℃/min；所述陶瓷砖的容重不大于1.5g/cm3。
低温烧结中的先烧结温度有利于烧结大部分的有机物，而本发明中后烧结温度存在显著降低，实现低能耗高效资源化处理。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
(1)生物质炭有助于形成三维骨架结构，提高陶瓷砖产品的孔隙率、孔洞均匀度及抗压强度；
(2)生物质炭经烧结后能够分解生成碳单质和弱还原性气体，可以降低飞灰内硫酸盐生成二氧化硫的反应温度，而复合助熔剂含有的V2O5可以作为催化剂催化二氧化硫生成三氧化硫，三氧化硫的生成增加了烧结组分的酸碱比，降低了陶瓷砖的烧结温度；
(3)弱还原性气体氛围可以促使形成各种低温共熔体，增强陶瓷砖的抗压强度，同时使得飞灰制备陶瓷砖的烧结温度显著降低；
(4)飞灰中的重金属在熔融过程中进入矿物质晶格中，三维骨架结构以及同时形成的各种低温共熔体有利于重金属的封存、固化，而复合助熔剂中的V2O5可以稳定飞灰中的重金属，防止部分重金属挥发造成的二次污染。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
1.飞灰再利用高强度轻质陶瓷砖的制备
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括27.5～34.6％的飞灰、11.2～14.8％的废玻璃粉、2～6％的生物质炭(为由秸秆、稻壳、木屑等生物质发生热化学转化得到)、35.5～40.2％的粘土、10～13％的复合助熔剂、1.1～2.5％的粘合剂和0.4～0.6％的催化剂；所述飞灰的含水率为9～12％；所述复合助熔剂包括质量比为7～8：2～3的B2O3和V2O5；所述粘土为高岭土、膨润土中的一种或多种，其组成成分中保持SiO2和Al2O3的质量比为29.6～35.4：42.8～56.54；所述粘合剂为环氧树脂；所述催化剂为AlF3·3H2O、HF中的一种；
(1)预处理：将陶瓷砖的原料各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，过筛网并收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为10～20MPa，加压速率为1～3kN/s，保压时间为20～30min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10～15℃/min的速度升温至600～700℃，保温20～35min，然后以10～15℃/min的速度升温至875～950℃，保温40～55min，之后以10～15℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
2.性能测试
重金属浸出：将陶瓷砖采用HJ557-2010固体废物浸出毒性浸出方法-水平振荡法进行测试；
抗压强度：将陶瓷砖切割成10mm×10mm×10mm的尺寸，取三个平行试样放入测压力机中进行测试，取平均值；
孔隙率：先取陶瓷砖润湿后，采用阿基米德排水法测陶瓷砖体积(V，cm3)并记录；再将其用烘箱烘至恒重，然后放入去离子水中煮沸2h，之后取出放在滤网上，滤水1～2min，用湿毛巾将陶瓷砖表面水擦干(毛巾应先拧干)，然后称重计量，并按照下列公式计算出陶瓷砖的孔隙率：η＝(g1-g2)/(V×100)；式中，g1为浸水煮沸后陶瓷砖的重量(g)，g2为烘干至恒重后陶瓷砖的重量(g)。
实施例1
飞灰再利用高强度轻质陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％；复合助熔剂包括质量比为8：2的B2O3和V2O5；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将复合助熔剂和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10℃/min的速度升温至600℃，保温25min，然后以10℃/min的速度升温至950℃，保温40min，之后以10℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
实施例2
飞灰再利用高强度轻质陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％；复合助熔剂包括质量比为8：2的B2O3和V2O5；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将复合助熔剂和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10℃/min的速度升温至600℃，保温25min，然后以10℃/min的速度升温至925℃，保温40min，之后以10℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
实施例3
飞灰再利用高强度轻质陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％；复合助熔剂包括质量比为8：2的B2O3和V2O5；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将复合助熔剂和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10℃/min的速度升温至600℃，保温25min，然后以10℃/min的速度升温至875℃，保温40min，之后以10℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
实施例4
飞灰再利用高强度轻质陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括32％的飞灰、13.4％的废玻璃粉、5.1％的生物质炭、40.2％的高岭土、12％的复合助熔剂、2.3％的环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为11％；复合助熔剂包括质量比为7：3的B2O3和V2O5；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将复合助熔剂和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以12℃/min的速度升温至650℃，保温20min，然后以12℃/min的速度升温至950℃，保温45min，之后以12℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
对比例1
与实施例1的区别在于：陶瓷砖未经过低温烧结步骤。
陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％；复合助熔剂包括质量比为8：2的B2O3和V2O5；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将复合助熔剂和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体，即未经过低温烧结的陶瓷砖。
对比例2
与实施例1的区别在于：将生物质炭替换为碳黑。
陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％；复合助熔剂包括质量比为8：2的B2O3和V2O5；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、碳黑、高岭土分别过100目筛网，将复合助熔剂和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10℃/min的速度升温至600℃，保温25min，然后以10℃/min的速度升温至950℃，保温40min，之后以10℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
对比例3
与实施例1的区别在于：将复合助熔剂替换为助熔剂B2O3。
陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将B2O3和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10℃/min的速度升温至600℃，保温25min，然后以10℃/min的速度升温至950℃，保温40min，之后以10℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
对比例4
与实施例1的区别在于：将复合助熔剂替换为助熔剂V2O5。
陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将V2O5和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10℃/min的速度升温至600℃，保温25min，然后以10℃/min的速度升温至950℃，保温40min，之后以10℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
对比例5
与实施例1的区别在于：生物质炭的质量分数为10％。
陶瓷砖的制备方法包括如下步骤：
按质量分数计，陶瓷砖的原料包括30.5％的飞灰、12.3％的废玻璃粉、4.6％的生物质炭、38.3％的高岭土、11.7％的复合助熔剂、2.1％的液体环氧树脂和0.5％的AlF3·3H2O。其中，飞灰的含水率为10％；复合助熔剂包括质量比为8：2的B2O3和V2O5；高岭土的质量分数组成为：34.4％的Al2O3、43.5％的SiO2、2％的Fe2O3、0.8％的K2O+Na2O。
(1)预处理：将陶瓷砖的原料中固体各组分分别置于球磨破碎机内研磨，60min后取出，将飞灰、废玻璃粉、生物质炭、高岭土分别过100目筛网，将复合助熔剂和AlF3·3H2O分别过60目筛网，收集筛下物备用；
(2)干压成型：将筛下物和液体环氧树脂按配比混合并投加到搅拌罐中进行搅拌处理，待充分混合后，将磨好的物料倒入压片槽内，设定成型压力为15MPa，加压速率为1kN/s，保压时间为20min，然后启动压片机进行压片，成型后、泄压并取出，得到成型体；
(3)低温烧结：将干压好的成型体，放入电炉中置于电路中，根据设定好的烧结温度及烧结时间进行烧结，先以10℃/min的速度升温至600℃，保温25min，然后以10℃/min的速度升温至950℃，保温40min，之后以10℃/min的速度使炉温缓慢冷却至室温，得到陶瓷砖。
表1陶瓷砖重金属浸出结果(mg/kg)
项目名称 Zn Pb Cd Cr Cu
实施例1 0.804 0.631 ND 0.127 0.421
实施例2 0.796 0.627 ND 0.125 0.403
实施例3 4.235 1.784 0.012 0.947 1.544
实施例4 1.419 0.964 0.007 0.303 0.756
对比例1 12.906 9.426 0.041 4.714 5.875
对比例2 8.375 7.541 0.034 3.028 4.232
对比例3 1.314 1.297 0.005 0.301 0.984
对比例4 5.418 2.972 0.028 1.414 2.421
标准限值 50 3 0.3 10 50
表2陶瓷砖抗压强度和孔隙率检测结果
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结合表1和表2可以得出，本发明中制备方法所得飞灰高强度轻质陶瓷砖不仅能够有效固化飞灰中的重金属，还可以低烧结温度下提高陶瓷砖的抗压强度，实现飞灰的低能耗资源化处置。对比例2表明普通碳制备得到陶瓷砖仍会有较高的贵金属浸出，同时抗压强度和孔隙率均较低，这主要是因为普通碳并不会形成弱还原性气体以及所含孔洞结构较少。对比例3-4表明复合助熔剂的组成对于陶瓷砖的性能尤为重要，其还会影响贵金属的浸出性。对比例5表明生物质炭添加过多时，不利于陶瓷砖内部莫来石晶相的石化反应，莫来石的晶柱减少，使得粘连面积增加多，导致陶瓷砖断面致密化，不利于形成高孔隙率的内部结构。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）预处理：所述陶瓷砖的原料包括飞灰、废玻璃粉、生物质炭、粘土、复合助熔剂和添加剂；所述复合助熔剂包括B2O3和V2O5；将陶瓷砖的原料各组分分别研磨，然后取出并分别过筛，收集筛下物备用；
（2）干压成型：将筛下物混合并搅拌处理，待充分混合后，进行干压成型，得到成型体；
（3）低温烧结：将成型体进行低温烧结，先升温至600~700℃，保温20~35min，然后升温至875～950℃，保温40~55min，之后冷却，得到陶瓷砖；
步骤（1）中，所述陶瓷砖的原料中生物质炭的质量分数为2～6%；所述粘土的组成成分中，SiO2和Al2O3的质量比为29.6～35.4：42.8～56.54；所述添加剂包括粘合剂和催化剂；所述催化剂为AlF3 •3H2O。
2.如权利要求1所述飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述陶瓷砖的原料中复合助熔剂的质量分数为10～13%；所述复合助熔剂中，B2O3和V2O5的质量比为7~8：2~3。
3.如权利要求1所述飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述飞灰的含水率为9~12%。
4.如权利要求1或3所述飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述陶瓷砖的原料中，飞灰、废玻璃粉、粘土的质量分数分别为27.5～34.6%、11.2～14.8%、35.5～40.2%。
5.如权利要求1所述飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述粘土为高岭土、膨润土、瓷土中的一种或多种。
6. 如权利要求1所述飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述粘合剂为环氧树脂；所述陶瓷砖的原料中粘合剂的质量分数为1.1～2.5%；所述陶瓷砖的原料中催化剂的质量分数为0.4～0.6 %。
7. 如权利要求1所述飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述干压成型的成型压力为10~20 MPa，加压速率为1~3 kN/s，保压时间为20~30min。
8.如权利要求1所述飞灰再利用制备高强度轻质陶瓷砖的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述低温烧结中的升温速度为10~15℃/min。
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