CN112125543A - 一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，包括以下重量份的原料：铁尾矿40‑50份、高炉渣5‑10份、粉煤灰10‑20份、脱硫灰20‑30份、电石渣20‑30份、活化剂0.05‑0.14份。本发明能够大量消耗工业大宗固废，不仅可以减少环境污染，节约大片良田粘土，变废为宝，实现高效率利用工业大宗固废；而且复合凝胶材料生产工艺简单、成本低、品质高。

Description

一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料及其制备方法

技术领域

本发明属于固废资源化技术领域，特别是涉及一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料及其制备方法。

背景技术

近年来，针对充填胶凝材料单一、充填成本高的现状，诸多学者展开了一系列研究。卢前明等以造纸污泥灰、硫铝酸盐水泥熟料配制煤矿充填胶凝材料，研究悬浮增稠剂、激发剂、料浆水固比对胶凝材料强度、保水性、流动性的影响，并利用X 射线衍射、扫描电镜和能谱分析表征手段对水化产物进行微观分析，所制备充填胶凝材料可同时满足泵送及强度要求；李高鲁等将粉煤灰和电石渣作为主要原料制成矿用充填胶凝材料，并开展了对胶凝材料凝结时间和强度的研究，研究发现凝结时间随着粉煤灰和电石渣掺量的增加而降低；王贻明等对不同磷石膏、碱性激发剂添加量及料浆浓度进行配比，确定半水磷石膏基充填材料最优配比，并利用SEM 和石膏水化理论对半水磷石膏基充填体进行分析。研究结果表明：在磷石膏添加量为50%，碱性激发剂添加量为1.5%，充填料浆浓度为69%时，半水磷石膏基充填料的3、7、28d 强度分别为3.0、3.8、3.8 MPa，满足当地矿山充填采矿的要求；Ferdi Cihangir等采用高炉矿渣，利用激发剂激发其胶凝活性应用于井下充填，360天抗压强度可达到4MPa，满足充填体的强度要求；Yuan Yao等采用煤燃烧的副产物制备充填胶凝材料，研究结果发现所制备的胶凝材料具有较好的流动性以及较低的泌水率，360天抗压强度可达到7MPa，各项性能满足充填要求。虽然近年来在新型胶凝材料的研究方面取得了一定的进展，然后在采用超细铁尾砂制备充填胶凝材料方面鲜有报道。

通过一些学者对铁尾矿的理化性能检测与长期的研究，发现铁尾矿的成分与炉渣成分有相似之处，主要是以SiO₂-CaO-Al₂O₃成分为主的硅酸盐矿物，作为原料成功制备了辅助胶凝材料或地质聚合物，理论上具备将超细铁尾矿制备成胶凝材料的基础，但铁尾矿的活性相对于炉渣要低，因此研究如何高效提高铁尾矿的活性，是项目研究的关键和重点。因此，若能利用超细铁尾矿通过激发活性制备成一种胶凝材料，实现矿山胶凝材料的自给自足，不仅可以解决矿山尾矿大量堆存，处置难的问题，可以大幅度降低充填采矿的成本，真正实现绿色矿山建设，矿业可持续发展。

欧美等发达国家固体废物处理领域制度建设始于20世纪70年代。随着欧美日等西方发达国家经济的迅速发展，大量城市垃圾和工业废弃物随之产生，造成了严重环境污染以及资源日趋稀缺，各国政府相继颁布引导和规范固体废物处理行业法律法规，从而带来固体废物处理行业的蓬勃发展。

我国2005年颁布《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，对固废进行明确规定，固废在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值但被抛弃或者放弃的固态物质。《中华人民共和国环境保护税法》在2018年1月1日正式实施。2018年5月15日，《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》正式实施。同样在2018年5月15日《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》也落地实施。我国的固废资源化利用起步较晚，与发达国家相比，工业化固废资源化利用率仍然很低，急需相关的法律、法规与技术支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，采用工业大宗固废为原料，生产工艺简单，实现了高效率利用工业大宗固废，有效降低成本并提高材料品质。

为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案如下：

一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，包括以下重量份的原料：

铁尾矿 40-50份、高炉渣5-10份、粉煤灰10-20份、脱硫灰20-30份、电石渣20-30份、活化剂0.05-0.14份。

所述活化剂包括以下重量份的原料：

碱渣15-20份、钡渣20-30份、硫磺渣10-15份、有机化合物10-15份。

所述有机化合物是二乙醇胺、三乙醇胺、环烷酸的一种或多种。

一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

①将铁尾矿、高炉渣、粉煤灰、脱硫灰、电石渣分别进行粗磨，经过粗磨后物料的最大粒径小于10mm；

②将步骤①粗磨后的物料分别进行超细磨，经超细粉磨后物料达到颗粒级配1-30μm＞98%以上，然后加入活化剂，

③将步骤②的物料进行混合均匀，配成胶凝材料成品。

本发明所具有的优点及有益效果是：

本发明以大宗固废为原料，能够大量消耗工业大宗固废，不仅可以减少环境污染，节约大片良田粘土，变废为宝，实现高效率利用工业大宗固废；而且生产工艺简单、成本低、品质高。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，包括以下重量份的原料：

铁尾矿 45份、高炉渣8份、粉煤灰15份、脱硫灰25份、电石渣25份、活化剂0.1份。所述铁尾矿、粉煤灰、高炉渣、脱硫灰、电石渣均为大宗固废，在本实施例中所述铁尾矿中二氧化硅含量72.6%、氧化铝含量7.3%、氧化铁含量12.1%。所述粉煤灰中二氧化硅含量47.6%、氧化铝含量22.3%、氧化铁含量10.2%、氧化钙含量7.5%。所述高炉渣中二氧化硅含量33.9%、氧化铝含量13.6%、氧化钙含量39.3%。所述脱硫灰中二氧化硅含量17.1%、氧化铝含量13.2%、氧化铁含量 4.3%、氧化钙含量49.2%。所述电石渣中二氧化硅含量3.5%、氧化铝含量1.8%、氧化铁含量0.7%、氧化钙含量47.5%。

本实施例中所述活化剂包括以下重量份的原料：碱渣17份、钡渣25份、硫磺渣12份、有机化合物12份。

本实施例中所述有机化合物是二乙醇胺和三乙醇胺混合物，二乙醇胺和三乙醇胺可以按照任意比例混合，在本实施例中二乙醇胺和三乙醇胺是按照重量份数比为1：1混合的。

本实施例所述的一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

① 所述重量份的铁尾矿、高炉渣、粉煤灰、脱硫灰、电石渣分别进行粗磨，经过粗磨后物料的最大粒径小于10mm；

② 步骤①粗磨后的物料分别进行超细磨，经超细粉磨后物料达到颗粒级配1-30μm＞98%以上，然后加入所述重量份的活化剂，；

③将步骤②的物料进行混合均匀，配成胶凝材料成品。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例1中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm×40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20±1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1.26MPa；7d为1.45MPa；28d为1.99MPa；

抗压强度：3d为2.75MPa；7d为6.79MPa；28d为16.73MPa。

实施例2：

本实施例一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，包括以下重量份的原料：

铁尾矿 40份、高炉渣10份、粉煤灰20份、脱硫灰30份、电石渣30份、活化剂0.14份。

本实施例中所述铁尾矿中二氧化硅含量70%、氧化铝含量10%、氧化铁含量15%。所述粉煤灰中二氧化硅含量40%、氧化铝含量35%、氧化铁含量15%、氧化钙含量10%。所述高炉渣中二氧化硅含量32 %、氧化铝含量16%、氧化钙含量42%。所述脱硫灰中二氧化硅含量10%、氧化铝含量20%、氧化铁含量7%、氧化钙含量60%。所述电石渣二氧化硅含量3%、氧化铝含量3%、氧化铁含量1%、氧化钙含量60%。

所述活化剂包括以下重量份的原料：

碱渣15份、钡渣30份、硫磺渣15份、有机化合物15份。

所述有机化合物是二乙醇胺、三乙醇胺、环烷酸的混合物，二乙醇胺、三乙醇胺和环烷酸可以按照任意比例混合，在本实施例中二乙醇胺、三乙醇胺、环烷酸是按照重量份数比为1：1：2混合的。

本实施例所述的一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料的制备方法，与实施例1的制备方法相同。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例2中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm×40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20±1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1.29MPa；7d为1.48MPa；28d为2.01MPa；

抗压强度：3d为2.78MPa；7d为6.82MPa；28d为16.74MPa。

实施例3：

本发明一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，包括以下重量份的原料：

铁尾矿50份、高炉渣5份、粉煤灰10份、脱硫灰20份、电石渣20份、活化剂0.05份。

所述铁尾矿二氧化硅含量75%、氧化铝含量5%、氧化铁含量10%。所述粉煤灰二氧化硅含量60%、氧化铝含量15%%、氧化铁含量5%、氧化钙含量5%。所述高炉渣二氧化硅含量35%、氧化铝含量11%、氧化钙含量38%。所述脱硫灰二氧化硅含量30%、氧化铝含量10%、氧化铁含量 2%、氧化钙含量30%。所述电石渣二氧化硅含量5%、氧化铝含量1%、氧化铁含量0.1%、氧化钙含量40%。

所述活化剂包括以下重量份的原料：碱渣20份、钡渣20份、硫磺渣10份、有机化合物10份。

所述有机化合物是二乙醇胺。

本实施例所述的一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料的制备方法，与实施例1的制备方法相同。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例1中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm×40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20±1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1.22MPa；7d为1.41MPa；28d为1.96MPa；

抗压强度：3d为2.71MPa；7d为6.74MPa；28d为16.69MPa。

实施例4：

本实施例与实施例2的区别仅在于所使用的有机化合物不同，本实施例中所述有机化合物是三乙醇胺。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例1中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm×40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20±1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1.26MPa；7d为1.47MPa；28d为2,01MPa；

抗压强度：3d为2.77MPa；7d为6.82MPa；28d为16.78MPa。

实施例5：

本实施例与实施例3的区别仅在于所使用的有机化合物不同，本实施例中

所述有机化合物是环烷酸。

根据国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(IOS法)，将实施例1中制备的胶凝材料按照规定的水灰比与IOS标准砂搅拌成型，加水搅拌后，制备成40mm×40mm×160mm的试块，试块放在标准养护箱内养护48小时拆模，拆模后试块放置于20±1℃养护箱内水养，检测复合胶凝材料3d、7d、28d的抗折强度和单轴抗压强度，得到复合胶凝材料抗折强度及抗压强度的试验结果为：

抗折强度：3d为1.29MPa；7d为1.51MPa；28d为2.03MPa；

抗压强度：3d为2.79MPa；7d为6.85MPa；28d为16.89MPa。

本发明克服了高硅型铁尾矿粉本身胶凝活性不足的问题，具有实际使用价值。因此，本发明利用铁尾矿、粉煤灰、高炉渣、脱硫灰、电石渣制备复合胶凝材料，显著提高了大幅提高大宗固废的的利用率，具有显著的经济效益和社会效益。

Claims (4)

1.一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，其特征在于包括以下重量份的原料：

铁尾矿 40-50份、高炉渣5-10份、粉煤灰10-20份、脱硫灰20-30份、电石渣20-30份、活化剂0.05-0.14份。

2.根据权利要求1所述的一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，其特征在于所述活化剂包括以下重量份的原料：

碱渣15-20份、钡渣20-30份、硫磺渣10-15份、有机化合物10-15份。

3.根据权利要求2所述的一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料，其特征在于所述有机化合物是二乙醇胺、三乙醇胺、环烷酸的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种以大宗固废为原料的复合凝胶材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

①将铁尾矿、高炉渣、粉煤灰、脱硫灰、电石渣分别进行粗磨，经过粗磨后物料的最大粒径小于10mm；

②将步骤①粗磨后的物料分别进行超细磨，经超细粉磨后物料达到颗粒级配1-30μm＞98%以上，然后加入活化剂，

③将步骤②的物料混合均匀，配成胶凝材料成品。