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CN113480323A - 一种渣土-拜耳法赤泥基陶粒及其制备方法 - Google Patents

一种渣土-拜耳法赤泥基陶粒及其制备方法 Download PDF

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CN113480323A CN202110905653.4A CN202110905653A CN113480323A CN 113480323 A CN113480323 A CN 113480323A CN 202110905653 A CN202110905653 A CN 202110905653A CN 113480323 A CN113480323 A CN 113480323A
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Abstract

本发明属于陶粒制品的技术领域，具体涉及一种渣土‑拜耳法赤泥基陶粒及其制备方法。本发明的渣土‑拜耳法赤泥基陶粒由以下质量百分含量的原料烧结而成：盾构渣土70～90％、拜耳法赤泥10～30％；其中，盾构渣土为风化地层的渣土，烧结为微波烧结。本发明利用渣土、拜耳法赤泥等制得陶粒生料球，并采用智能微波烧结技术制备轻质渣土‑拜耳法赤泥基陶粒，有效利用了固体废弃物，减少环境污染，节约资源，同时烧结方式降低能耗、绿色环保、节省时间成本。

Description

一种渣土-拜耳法赤泥基陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于陶粒制品的技术领域，具体涉及一种渣土-拜耳法赤泥基陶粒及其制备方法。
背景技术
陶粒作为一种人造轻骨料，具有颗粒密度小、抗压强度高、保温隔热、耐腐蚀、隔水保气等优点。陶粒最初被应用于建筑领域，作为一种轻集料代替混凝土中掺加的粗骨料碎石和卵石。随着不同陶粒的研究及其性能认识的深入，逐渐扩大了陶粒的应用领域，主要有环保、冶金、化工、石油、农业、园艺等行业，同时也带动了陶粒的迅速发展。
渣土是修建地铁产生的弃土，一些堆置在郊区，占用大量的空间，而且会造成环境污染，目前大部分地铁渣土用于填埋，运输成本高。拜耳法赤泥是氧化铝生产过程中排放的固体废渣，属强碱性有害废弃残渣，含多种有害物质，在长期堆存过程中，大量碱液和有害物质会渗入附近土地，造成土壤碱化，地表水和地下水也会受到污染。拜耳法赤泥无害化处理及综合利用，是各国面临的难题。目前，拜耳法赤泥资源化利用途径主要分为三方面：一是作为建材的原料，加工利用；二是回收拜耳法赤泥中的金属组分；三是在环保领域中应用，以废治废。环保领域以废治废的典型应用为，将拜耳法赤泥作为基础材料制备成吸附废水中污染物的水处理用拜耳法赤泥基吸附材料，包括粉末状吸附剂、颗粒状吸附剂及吸附轻质陶粒、多孔陶粒等。
目前现有的专利文献中公开的陶粒较多以污泥、粉煤灰等固体废弃物为主要原料烧结制备，例如以下专利文献中公开的：(1)一种利用污泥制作的陶粒及制作方法，专利申请号：202010557096.7；(2)一种利用城市污泥和渣土烧结成的陶粒，专利申请号：201620079807.3；(3)制造粉煤灰陶粒的方法，专利申请号：200810203786.1；(4)烧结方式采用传统、立窑的方式烧结，如专利名称为“一种城市渣土污泥综合利用陶粒生产装置”，专利申请号：201820161998.7；(5)粉煤灰陶粒烧结生产线，专利号：200920158304.5。
现有技术中陶粒制备的方法繁多，但是对固体废弃物的利用还不够充分。
并且，现有陶粒的制备方法一般采用传统的回转窑等加热方法，该方法是依靠发热体将热能通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温度，热量从外向内传输，烧结时间长，很难得到细晶，且在加热过程中由于受热不均匀容易在陶粒内部产生微裂缝，从而影响陶粒的强度，属于高耗能的外部加热。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种渣土-拜耳法赤泥基陶粒及其制备方法，以充分利用渣土这类废弃资源，并结合微波烧结技术降低陶粒制备的能耗。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种渣土-拜耳法赤泥基陶粒，所述渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备原料由以下质量百分含量的组分组成：盾构渣土70～90％、拜耳法赤泥10～30％；所述盾构渣土为风化地层的渣土；所述烧结为微波烧结。
优选地，所述盾构渣土为深六米处风化地层在盾构掘进时产生的固体废弃物。
优选地，所述盾构渣土在使用前进行除杂处理，所述盾构渣土的粒径为200目以上。
优选地，所述拜耳法赤泥为氧化铝生产过程中排放的固体废渣。
上述渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将盾构渣土和拜耳法赤泥混合均匀，得配合料；
(2)向所述配合料中加水后制球，得生料球；
(3)将所述生料球干燥后进行微波烧结；
(4)烧结后冷却，即得所述渣土-拜耳法赤泥基陶粒。
在上述制备方法中，优选地，步骤(2)中，所述水的加入量为所述配合料质量的30％。
在上述制备方法中，优选地，步骤(2)中，所述生料球的粒径为5～10mm。
在上述制备方法中，优选地，步骤(3)中，所述干燥为在105℃下干燥4h。
在上述制备方法中，优选地，步骤(3)中，所述微波烧结的烧结温度为1075～1125℃，保温时间为10～20min。
在上述制备方法中，优选地，所述微波烧结为先预热至一定温度保温后，再升温至所述烧结温度。
在上述制备方法中，优选地，所述一定温度为425～500℃。
在上述制备方法中，优选地，所述升温地速率为7～9℃/min。
在上述制备方法中，优选地，步骤(4)中，所述冷却为在微波烧结炉中自然冷却至室温。
有益效果：
本发明利用盾构渣土、拜耳法赤泥等制得陶粒生料球，并采用智能微波烧结技术制备轻质渣土-拜耳法赤泥基陶粒，有效利用了固体废弃物，减少环境污染，节约资源，同时烧结方式降低能耗，绿色环保，节省时间成本。并且：
1)盾构渣土和拜耳法赤泥中铁、碳氧化物以及有机物能在烧结过程中分解产生气体，形成多孔结构，降低陶粒的密度；含有的碱金属和碱土金属的盐类和矿物能降低陶粒的烧结温度；含有的铁氧化物和水分能够吸收微波能量，使温度上升；
2)在盾构渣土和拜耳法赤泥中含有大量的钠、钾元素能够使陶粒在高温阶段形成熔融态，使陶粒表面产生釉质层，在陶粒内部产生结晶物使陶粒具有较高的强度；
3)智能微波烧结过程控制及时，节能环保，并在加热过程中使陶粒生料球受热均匀不易产生开裂。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例不同拜耳法赤泥掺量所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的XRD图；
图2是本发明实施例不同烧结时间所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的XRD图；
图3是本发明实施例不同烧结温度所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的XRD图；
图4是本发明实施例1所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图；
图5是本发明实施例2所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图；
图6是本发明实施例3所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图；
图7是本发明实施例4所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图；
图8是本发明实施例5所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图；
图9是本发明实施例6所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图；
图10是本发明实施例7所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图。
其中，图4～10中，左图的放大倍数为1000，右图的放大倍数为200。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明采用的微波加热技术，具有外场、整体加热的特点。微波加热是将材料自身吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和热能的过程，加热材料的热量是从材料的内部产生，而不是来自于其它发热体。在这种加热方式中，电磁波是以波的形式渗透到介质内部引起介电损耗而发热。这样，材料就被整体加热，所以是均匀加热。于是材料内部的温度梯度很小，即被加热体的内部与表面之间的温度差很小，这一特性对于提高所制备材料的微观、亚微观均匀性都是非常有利的。微波加热技术所制备材料中的“晶粒较为均匀”。一般来说，在用微波加热技术制备的材料当中，晶粒较为均匀，这对于本次所要合成的材料来说尤为重要，因为均匀的晶粒能够保证无机材料的活性大大提高。
因此，本发明的利用微波烧结制备的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，具有绿色、环保、节能等优异特点，可广泛用于混凝土、环保、冶金、化工、石油、农业、园艺等行业。
本发明的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，其制备原料由以下质量百分含量的组分组成：盾构渣土70～90％(例如70％、72％、74％、76％、78％、80％、82％、84％、86％、88％、90％)、拜耳法赤泥10～30％(例如10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％、30％)。
盾构渣土为风化地层的渣土，具体的，盾构渣土为深六米处风化地层在盾构掘进时产生的固体废弃物，更具体的，在以下实施例中所用的盾构渣土为郑州某地铁深六米处风化地层在盾构掘进时所产生的固体废弃物。盾构渣土是将地铁盾构渣土中的石子等杂质筛除后，用球磨机磨至粒径小于200目筛的筛孔(即粒径在200目以上)，制得渣土生料球(过筛的细粉)。
拜耳法赤泥为氧化铝生产过程中排放的固体废渣。
本发明的渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将盾构渣土和拜耳法赤泥混合均匀，得配合料；
(2)向所述配合料中加入一定量的水后混合均匀并制球，采用手工成球的方法制得粒径为5～10mm(例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm)的生料球；其中，水的加入量以能够手工成球为宜，一般为配合料质量的30％；
(3)将所述生料球在105℃下干燥4h后进行微波烧结，具体的，将干燥后的生料球放入微波烧结炉专用保温棉中，并一起放入微波加热腔体中进行烧结：微波烧结条件为：微波频率为2.45GHz，烧结温度为1075～1125℃(例如1075℃、1085℃、1095℃、1105℃、1115℃、1125℃)，保温时间为10～20min(例如10min、12min、14min、16min、18min、20min)；微波烧结时，优选在425～500℃(例如425℃、450℃、475℃、500℃)预热一定时间后(例如15min、20min、25min)，再升温至前述烧结温度进行烧结，升温速率为7～9℃/min(例如7℃/min、9℃/min、11℃/min)；
(4)烧结后的物料在微波烧结炉内自然冷却至室温，即得本发明的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，是一种高品质轻质陶粒。
以下结合具体的实施例对本发明进行进一步的描述。
实施例1
本实施例的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，原料中盾构渣土的质量百分含量占70％、拜耳法赤泥的质量百分含量占30％。
本实施例的渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备包括如下步骤：将盾构掘进时所得的固体废弃物磨至粒径小于200目筛的筛孔，再与拜耳法赤泥混合均匀得到配合料，在配合料中加入少许的水使其能够成球(水的质量约为配合料质量的30％)，采用手工成球的方式制备生料球，生料球的粒径在5～10mm之间，将生料球放在105℃的干燥箱中干燥4h，再放入微波烧结炉中开始烧结，先在450℃保温20min进行预热，再以9℃/min升至1075℃，保温10min，自然冷却至室温后取出。本实施例的渣土-拜耳法赤泥基陶粒的微观形貌图如图4所示。
实施例2
本实施例的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，原料中盾构渣土的质量百分含量占70％、拜耳法赤泥的质量百分含量占30％。
本实施例的渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备包括如下步骤：将盾构掘进时所得的固体废弃物磨至粒径小于200目筛的筛孔，再与拜耳法赤泥混合均匀得到配合料，在配合料中加入少许的水使其能够成球(水的质量约为配合料质量的30％)，采用手工成球的方式制备生料球，生料球的粒径在5～10mm之间，将生料球放在105℃的干燥箱中干燥4h，再放入微波烧结炉中开始烧结，先在450℃保温20min进行预热，再以9℃/min升至1100℃，保温10min，自然冷却至室温后取出。本实施例所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图如图5所示。
实施例3
本实施例的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，原料中盾构渣土的质量百分含量占70％、拜耳法赤泥的质量百分含量占30％。
本实施例的渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备包括如下步骤：将盾构掘进时所得的固体废弃物磨至粒径小于200目筛的筛孔，再与拜耳法赤泥混合均匀得到配合料，在配合料中加入少许的水使其能够成球(水的质量约为配合料质量的30％)，采用手工成球的方式制备生料球，生料球的粒径在5～10mm之间，将生料球放在105℃的干燥箱中干燥4h，再放入微波烧结炉中开始烧结，先在450℃保温20min进行预热，再以9℃/min升至1125℃，保温10min，自然冷却至室温后取出。本实施例所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图如图6所示。
实施例4～7
实施例4～7中的渣土-拜耳法赤泥基陶粒在不同烧结温度或不同烧结时间或不同拜耳法赤泥质量百分含量(即拜耳法赤泥掺量)下进行烧结，具体实验参数如下表1所示，其他未列出的实验参数与实施例1中的相同，不再赘述。实施例4～7所得渣土-拜耳法赤泥基陶粒的SEM图如图7～10所示。
表1实施例1～7的实验参数
Figure BDA0003198879360000071
对比例1
本对比例的陶粒，与实施例1的区别在于：不进行预热，其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例2
本对比例的陶粒，与实施例2的区别在于：将其拜耳法赤泥掺量更改为40％，渣土的掺量更改为60％，其他参数均与实施例2中的相同，不再赘述。
对比例3
本对比例的陶粒，与实施例3的区别在于：将其烧结温度更改为1050℃，其他参数均与实施例3中的相同，不再赘述。
对比例4
本对比例的陶粒，与实施例4的区别在于：预热温度更改为550℃，其他参数均与实施例4中的相同，不再赘述。
对比例5
本对比例的陶粒，与实施例5的区别在于：将其升温速率更改为13℃/min，其他参数均与实施例5中的相同，不再赘述。
对比例6
本对比例的陶粒，与实施例6的区别在于：将其烧结时间更改为25min，其他参数均与实施例6中的相同，不再赘述。
实验例
对实施例1～7及对比例1～6中的渣土-拜耳法赤泥基陶粒分别进行性能检测，具体测试吸水率、孔隙率、体积密度，测得的具体数据如下表2所示。性能检测指标按照《GB/T17431-2010轻集料及其实验方法》、《JC487-1992超轻陶粒和陶砂》。
表2实施例及对比例中的渣土-拜耳法赤泥基陶粒的性能数据
1h吸水率(％) 孔隙率(％) 体积密度(g/cm<sup>3</sup>)
实施例1 0.2486 1.81 2.21
实施例2 0.3680 0.32 2.13
实施例3 0.3580 0.25 1.87
实施例4 0.0670 0.27 2.15
实施例5 0.2543 0.26 2.06
实施例6 0.1514 0.50 1.94
实施例7 0.3767 0.94 2.12
对比例1 0.0005 0 1.93
对比例2 0.0016 0 1.67
对比例3 0.0755 0.13 1.77
对比例4 0.0006 0 1.95
对比例5 0.0105 0.02 1.60
对比例6 0.0040 0.01 1.83
从表2中可以得出：实施例1、2、3组中，拜耳法赤泥掺量相同，烧结时间相同，不同的烧结温度中可以看出，1h吸水率先增加后有略微的减小，孔隙率和体积密度是减小的；实施例4、5、6组中，拜耳法赤泥的掺量相同，烧结温度相同，不同的烧结时间中可以看出，1h吸水率是先增大随后又略微的减小，孔隙率是增加，体积密度是减小；实施例2、4、7组中，不同的拜耳法赤泥掺量，烧结温度相同，烧结时间相同中可以看出，1h吸水率是先减小后增加，孔隙率先减小随后有略微的增加，体积密度是先增加后减小。
对实施例2、4、7中的渣土-拜耳法赤泥基陶粒分别进行XRD测试，结果如图1所示。从图1中可以得出，在陶粒的烧结温度为1100℃，烧结时间为10min时，掺量不同时渣土-拜耳法赤泥基陶粒的晶相为石英、赤铁矿、中长石、拉长石、钠长石。拜耳法赤泥掺量在10％的时候主要晶相为石英、中长石、拉长石；随着拜耳法赤泥的掺量增加，赤铁矿、中长石、拉长石、钠长石相应增多，石英减少，原因是拜耳法赤泥中含有钠、铁、铝的氧化物较多，硅的氧化物含量较少；当拜耳法赤泥掺量增加到30％的时候，石英的参与结晶量明显增多。可以看出，随着拜耳法赤泥掺量的增多，陶粒XRD衍射峰降低、变亮，相应的陶粒中的玻璃相增多，晶相减少。
对实施例4、5、6中的渣土-拜耳法赤泥基陶粒分别进行XRD测试，结果如图2所示。从图2中可以得出，在拜耳法赤泥掺量为20％，烧结温度为1100℃一定时，烧结时间不同时渣土-拜耳法赤泥基陶粒的主要晶相为石英，次要晶相为赤铁矿、中长石、拉长石、钠长石。延长烧结时间几乎不会改变陶粒的晶相，会改变晶相的含量。时间越长，陶粒的晶相含量越低，相对应的陶粒中玻璃相的含量增加。
对实施例1、2、3中的渣土-拜耳法赤泥基陶粒分别进行XRD测试，结果如图3所示。从图3中可以得出，在拜耳法赤泥掺量为30％，烧结温度为10min时，烧结温度不同时渣土-拜耳法赤泥基陶粒的主要晶相为石英、中长石、拉长石，次要晶相为赤铁矿、透辉石、辉石。在1075℃时，可以看出陶粒主要的晶相为石英和中长石，但随着温度的增加，陶粒中含有Ca、Mg、K、Na等元素溶解参与反应，Ca、Mg、K、Na等化合物分解，石英的含量明显降低，这也就意味着更多的石英参与晶相的形成，同时也造成了玻璃相增多。
综上，本发明制备的渣土-拜耳法赤泥基陶粒质轻，并且吸水率、气孔率较偏高，适宜用于混凝土、环保、冶金、化工、石油、农业、园艺等行业。本发明利用智能微波技术制备渣土-拜耳法赤泥基陶粒充分体现了微波技术节能环保的特点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种渣土-拜耳法赤泥基陶粒，其特征在于，所述渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备原料由以下质量百分含量的组分组成：盾构渣土70～90％、拜耳法赤泥10～30％；
所述盾构渣土为风化地层的渣土；
所述烧结为微波烧结。
2.根据权利要求1所述的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，其特征在于，所述盾构渣土为深六米处风化地层在盾构掘进时产生的固体废弃物。
3.根据权利要求1所述的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，其特征在于，所述盾构渣土在使用前进行除杂处理，所述盾构渣土的粒径为200目以上。
4.根据权利要求1所述的渣土-拜耳法赤泥基陶粒，其特征在于，所述拜耳法赤泥为氧化铝生产过程中排放的固体废渣。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述的渣土-拜耳法赤泥基陶粒的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将盾构渣土和拜耳法赤泥混合均匀，得配合料；
(2)向所述配合料中加水后制球，得生料球；
(3)将所述生料球干燥后进行微波烧结；
(4)烧结后冷却，即得所述渣土-拜耳法赤泥基陶粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水的加入量为所述配合料质量的30％；
优选地，步骤(2)中，所述生料球的粒径为5～10mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述干燥为在105℃下干燥4h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述微波烧结的烧结温度为1075～1125℃，保温时间为10～20min。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述微波烧结为先预热至一定温度保温后，再升温至所述烧结温度；
优选地，所述一定温度为425～500℃；
优选地，所述升温地速率为7～9℃/min。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述冷却为在微波烧结炉中自然冷却至室温。
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