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CN111875332A - 一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法 - Google Patents

一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法：将150～300份电石渣，75～150份水湿磨，实现电石渣颗粒的细化和液相高碱度化；用120～200份湿磨电石渣浆体、10～35份石膏、50～120份矿渣充当胶凝材料、加入420～865份细骨料、0～18份水充分搅匀，将搅匀后的原料压制成型，在碳化室中养护，即得到湿磨电石渣碳化砖。采用本方法可固化气体二氧化碳，减少工业废气对环境的污染；利用湿磨电石渣易碳化的优点，更易与二氧化碳反应形成碳酸钙，沉淀、结晶生长具有内聚力；制备出的砖块强度高，养护龄期短，提高生产效率，可有效替代建设的普通砖块。

Description

一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法
技术领域
本发明涉及资源综合利用技术领域，具体涉及一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法。
背景技术
电石渣是由电石加水生成乙炔气的副产品。它的化学反应式为：
CaC2+2H2O＝C2H2+Ca(OH)2+127kJ
根据计算,每使用1t标准电石产生乙炔气(C2H2),大约要生成1.16t的电石渣。据资料介绍,我国每年用于合成乙炔的电石量约135t,将生成150万t的电石渣,这使得企业和环保部门忧心忡忡,都在寻求合理解决电石渣的存放、使用等问题。如果将这么多的电石渣加以利用,会收到明显的社会效益和经济效益。
电石渣为灰色的细粉状物，主要成分为氢氧化钙，但是以晶体形式存在，且相对粗大，还与其它物质相互包裹，难以发挥像熟石灰与空气中的二氧化碳反应形成碳酸钙来形成胶凝特性，因此采用湿磨处置激发其活性，实现电石渣颗粒细化和液相高碱度化，增大电石渣的可碳化性。所制备的碳化砖强度高，耐久性好，还可以做为碳化板材、人工鱼礁、砌块等多种形式，可以取代目前的某些建材，应用广泛。
发明专利CN107879704A公开了一种复合钢渣碳化砖的制备方法，以钢渣为主要原料制备碳化砖方法。其特征在于：将钢渣、煤油和助磨剂混合球磨后点燃，并冷却，得燃烧渣，再将所得燃烧渣粉碎，过筛，得预处理钢渣粉，再将骨料、预处理钢渣粉、熟石灰和分散液搅拌混合后，浇筑成型，恒温恒湿静置，得砖坯，随后将砖坯进行蒸压养护，并用食醋熏蒸，制得熏蒸砖坯，再将熏蒸砖坯转入碳化箱中，恒温恒湿碳化，出料，即得复合钢渣碳化砖。该技术虽然能够消纳钢渣，但是工艺流程复杂，效率低，还需要食醋、煤油、助磨剂等化学药剂，不利于节能减排和降低成本；另外工艺流程还规定需要蒸汽常压养护或蒸压养护，也造成了生产条件要求苛刻，基建和维护成本过高。
发明专利CN201510377931.8公开了一种矿渣直接碳化制备建筑用砖的方法。将矿渣磨细过筛，加入适量的水充分搅匀，将混匀后的原料装入模具中成型，制备出砖块坯体。将制备好的坯体放入反应釜中，反应釜通入不同压力的二氧化碳养护(养护条件为湿度80％～95％，温度30～150℃)，养护龄期为12～168小时，制备出一种硬化砖体。采用本方法能够很好的固结气体二氧化碳，减少工业废气对环境的污染，消纳矿渣，促进工业固废利用。早期抗压强度小，需要用到反应釜，步骤繁琐，无法大规模生产应用。
全球变暖主要取决于CO2的累积排放，到2019年底，全球燃烧化石燃料产生的CO2排放量将高达368亿吨。(来源于美国《科学新闻》网站2019年12月4日报道)。我国是水泥生产大国，在煅烧熟料过程中，按照1吨CO2/1吨水泥熟料估算，每年CO2排放总量约17亿吨，占全球总排放量的7％。
若将尚未被有效利用的电石渣，通过碳化，制得有用材料，不仅是变废为宝之举，并且可以减少水泥的用量，较少水泥生产过程中CO2的排放，碳化砖生产的过程中可固化二氧化碳，亦可防止环境污染。
因此，本发明拟提供一种利用湿磨电石渣制备碳化砖的方法，旨在解决工业固废电石渣利用率低，环境污染问题，变废为宝，缓解了温室效应；同时解决类似碳化制品难以得到工业化利用以及制备成本高、效率低等技术难题，同时还能够提高产品附加值。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将150～300份电石渣，加入电石渣质量份数的1/2的水，0.5～3份助磨剂，加入湿搅拌磨中湿磨，湿磨时间0.5～1h，转速400r/min，研磨介质陶瓷球配比为1.2mm:0.8mm:0.6mm＝2:4:4，得到中值粒径D(50)＝0.9～3μm的湿磨电石渣浆体；
步骤2、取步骤1中120～200份湿磨的电石渣浆体，5～35份石膏、50～120份矿渣、420～865份细骨料、0～18份水，混合搅拌90～180s，得到混合砂浆；
步骤3、称取步骤2得到的混合砂浆并放入成型模具中进行压制成型，压制成型的成型压强为2～35MPa，保压时间30-60s，成型后即刻脱模；
步骤4、将步骤3中成型后脱模的试块放入恒温恒湿的碳化室中进行碳化养护，碳化室中CO2压力范围在35～250Pa，CO2体积浓度为17％～23％，得到碳化砖。
所述步骤1中电石渣包括氢氧化钙、二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁等，电石渣中氢氧化钙质量含量在60％～75％；
所述步骤1中助磨剂为聚羧酸减水剂、木质素磺酸钙减水剂、脂肪族高效减水剂的一种或者多种混合溶液。
所述步骤2中石膏为电厂或钢铁厂产生的脱硫石膏或天然石膏；
所述步骤2中的细骨料为铁尾矿、河沙、沉积沙、尾矿砂、建筑垃圾制成的砂中的一种或多种。
所述步骤4碳化养护的养护温度为20～40℃，养护相对湿度为60％～100％，养护时间2～6h，之后放在露天环境中存放。
所述步骤4中碳化室内养护气体CO2来源于工厂排放的富含二氧化碳的废气，其中二氧化碳体积分数占17～30％。
本发明的反应原理如下：
电石渣的碳化过程实质是：粒状氢氧化钙在合适水分下吸收二氧化碳气体生成碳酸钙,进而形成结晶体(主要是方解石)。这些结晶体在间隙中生长发育，不仅能填充孔隙，还能彼此搭建或者与骨料搭建形成网状结构最后形成强度，这就使得电石渣碳化后制碳化砖的目的得以实现。
当然,这一碳化过程的反应机理绝非是如此简单,它牵涉到一系列物理吸附和扩散过程。多数人接受的是气-液-固相反应理论,即在水分合适时，气态二氧化碳通过电石渣内部的毛细管进行扩散,溶于毛细管壁的水生成H2CO3，它遵循下式反应:
CO2+H2O＝H2CO3
生成的碳酸极不稳定,进而有部分碳酸按下式解离：
Figure BDA0002616782500000041
粒状的氢氧化钙溶解于毛细管和电石渣表面水膜，生成溶液并按下式解离：
Ca(OH)2＝Ca2++2OH-
水溶液中这四种离子碰到一起立即按下式进行反应：
Ca2++H++2OH-+HCO3-＝CaCO3↓+2H2O
反应过程通过气相-液相-固相界面，主要在液相中完成，沉淀下来的碳酸钙在温湿条件下慢慢结晶,结晶生长具有内聚力。
本发明具有如下优点：
1.本发明利用的原料电石渣是工业废弃物，原料成本较低，工艺设备简单，有利于工业化生产。
2.本发明制备的矿渣碳化砖抗压强度高，1d抗压强度17MPa，3d抗压强度>30Mpa，体积安定性良好，可有效替代普通砖。
3.本发明是在二氧化碳气氛中碳化，能够永久地固化温室气体二氧化碳，缓解温室效应，极大地减少水泥的用量，保护环境。
4.由于原始电石渣活性较低，氢氧化钙晶体相对粗大，还与其它物质相互包裹，难以发挥与熟石灰相当的胶凝特性。因此采用湿磨处置激发其活性，改变氢氧化钙的晶体形貌，促进Ca2+和OH-离子的溶出，细化与高碱度化电石渣颗粒，可加速水化速率，生成更加致密的碳酸钙晶体。沉淀、结晶生长形成空间网络结构，赋予碳酸钙很大的强度，满足日常设计要求。
5.掺加一定量的工业副产石膏、矿渣可加快水化和碳化进程，研究表明，石膏在体系中起到催化作用，少量石膏即可促进试块强度的发展，矿渣具有潜在火山灰活性，有利于碳化砖块的强度发展。
6.由于电石渣耐久性差，通过掺加细骨料可节省成本和降低建材的密度，当细骨料为超基性岩的铁尾矿时，其作用还包括协同固碳。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
实施例1：
步骤1、将150份电石渣，加入75份的水，0.5～3份助磨剂，加入湿搅拌磨中湿磨，湿磨时间0.5，转速400r/min，研磨介质陶瓷球配比为1.2mm:0.8mm:0.6mm＝2:4:4，得到中值粒径D(50)＝3μm的湿磨电石渣浆体；
步骤2、取步骤1中120份湿磨的电石渣浆体，5份脱硫石膏、50份矿渣、420份河沙、铁尾矿混合细骨料，混合搅拌90s，得到混合砂浆；
步骤3、称取步骤2得到的混合砂浆并放入成型模具中进行压制成型，压制成型的成型压强为2MPa，保压时间30s，成型后即刻脱模；
步骤4、将步骤3中成型后脱模的试块放入恒温恒湿的碳化室中进行碳化养护，碳化室中CO2压力范围在35Pa，CO2体积浓度为17％，养护时间2h，得到碳化砖。
实施例2
步骤1、将175份电石渣，加入87.5份水，2份聚羧酸减水剂、脂肪族高效减水剂混合溶液，加入湿搅拌磨中湿磨，湿磨时间0.8h，转速400r/min，研磨介质陶瓷球配比为1.2mm:0.8mm:0.6mm＝2:4:4，得到中值粒径D(50)＝2.3μm的湿磨电石渣浆体；
步骤2、取步骤1中150份湿磨的电石渣浆体，15份磷石膏、85份矿渣、600份河沙、沉积沙混合细骨料、10份水，混合搅拌90～180s，得到混合砂浆；
步骤3、称取步骤2得到的混合砂浆并放入成型模具中进行压制成型，压制成型的成型压强为2～35MPa，保压时间30-60s，成型后即刻脱模；
步骤4、将步骤3中成型后脱模的试块放入恒温恒湿的碳化室中进行碳化养护，碳化室中CO2压力范围在35～250Pa，CO2体积浓度为17％～23％，养护时间4h，得到碳化砖。
实施例3
步骤1、将225份电石渣，加入112.5份的水，2份聚羧酸减水剂、木质素磺酸钙减水剂混合溶液，加入湿搅拌磨中湿磨，湿磨时间1h，转速400r/min，研磨介质陶瓷球配比为1.2mm:0.8mm:0.6mm＝2:4:4，得到中值粒径D(50)＝0.9μm的湿磨电石渣浆体；
步骤2、取步骤1中175份湿磨的电石渣浆体，27份脱硫石膏和磷石膏的混合物、100份矿渣、731份河沙、尾矿砂混合细骨料、14份水，混合搅拌120s，得到混合砂浆；
步骤3、称取步骤2得到的混合砂浆并放入成型模具中进行压制成型，压制成型的成型压强为30MPa，保压时间45s，成型后即刻脱模；
步骤4、将步骤3中中成型后脱模的试块放入恒温恒湿的碳化室中进行碳化养护，碳化室中CO2压力范围在200Pa，CO2体积浓度为19％，养护时间5h，得到碳化砖。
实施例4
步骤1、将300份电石渣，加入150份水，3份脂肪族高效减水剂，加入湿搅拌磨中湿磨，湿磨时间1h，转速400r/min，研磨介质陶瓷球配比为1.2mm:0.8mm:0.6mm＝2:4:4，得到中值粒径D(50)＝1.8μm的湿磨电石渣浆体；
步骤2、取步骤1中200份湿磨的电石渣浆体，35份钛石膏、120份矿渣、865份河沙、建筑垃圾制成的砂细混合细骨料、18份水，混合搅拌180s，得到混合砂浆；
步骤3、称取步骤2得到的混合砂浆并放入成型模具中进行压制成型，压制成型的成型压强为35MPa，保压时间60s，成型后即刻脱模；
步骤4、将步骤3中成型后脱模的试块放入恒温恒湿的碳化室中进行碳化养护，碳化室中CO2压力范围在250Pa，CO2体积浓度为23％，养护时间6h，得到碳化砖。
表1为实施例1-4制得的碳化砖的抗压强度数值
Figure BDA0002616782500000081
从碳化砖的抗压强度数值表可以看出，实施例3早期和后期抗压强度，都是最优的。1d抗压强度就可以达到15.3MPa，满足施工要求，并且后期强度没有出现倒缩。这可能与湿磨电石渣浆体的粒径有关，湿磨电石渣粒径越小，对电石渣活性激发越强，早期强度就越高。从反应机理分析，原始电石渣活性较低，氢氧化钙晶体相对粗大，还与其它物质相互包裹，难以发挥比较好的胶凝特性，而湿磨处置激发电石渣活性，改变电石渣中主要成分氢氧化钙的晶体形貌，促进Ca2+和OH-离子的溶出，细化与高碱度化电石渣颗粒，可加速水化速率，沉淀、结晶生长形成更加致密的碳酸钙空间网络结构，赋予碳酸钙很大的强度，满足日常设计要求。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将150～300份电石渣，加入电石渣质量份数的1/2的水，0.5～3份助磨剂，加入湿搅拌磨中湿磨，湿磨时间0.5～1h，转速400r/min，研磨介质陶瓷球配比为1.2mm:0.8mm:0.6mm＝2:4:4，得到中值粒径D(50)＝0.9～3μm的湿磨电石渣浆体；
步骤2、取步骤1中120～200份湿磨的电石渣浆体，5～35份石膏、50～120份矿渣、420～865份细骨料、0～18份水，混合搅拌90～180s，得到混合砂浆；
步骤3、称取步骤2得到的混合砂浆并放入成型模具中进行压制成型，压制成型的成型压强为2～35MPa，保压时间30-60s，成型后即刻脱模；
步骤4、将步骤3中成型后脱模的试块放入恒温恒湿的碳化室中进行碳化养护，碳化室中CO2压力范围在35～250Pa，CO2体积浓度为17％～23％，得到碳化砖。
2.如权利要求1所述的一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于：所述步骤1中电石渣中氢氧化钙质量含量在60％～75％。
3.如权利要求1所述的一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于：所述步骤1中助磨剂为聚羧酸减水剂、木质素磺酸钙减水剂、脂肪族高效减水剂的一种或者多种混合溶液。
4.如权利要求1所述的一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于：所述步骤2中石膏为电厂或钢铁厂产生的脱硫石膏或天然石膏。
5.如权利要求1所述的一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于：所述步骤2中的细骨料为铁尾矿、河沙、沉积沙、尾矿砂、建筑垃圾制成的砂中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于：所述步骤4碳化养护的养护温度为20～40℃，养护相对湿度为60％～100％，养护时间2～6h，之后放在露天环境中存放。
7.如权利要求1所述的一种湿磨电石渣制备碳化砖的方法，其特征在于：所述步骤4中碳化室内养护气体CO2来源于工厂排放的富含二氧化碳的废气，其中二氧化碳体积分数占17～30％。
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