污泥和石英砂尾礦制備建材陶粒燒結(jié)時(shí)間的研究*

郭夙琛，阮德明，鄒輝煌，王 強(qiáng)，閆 淑，賀玲玲，王湘英

湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412008

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污泥和石英砂尾礦制備建材陶粒燒結(jié)時(shí)間的研究*

郭夙琛，阮德明，鄒輝煌，王 強(qiáng)，閆 淑，賀玲玲，王湘英

湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412008

以城市污水處理廠的污泥與石英尾砂為主要原料，添加適當(dāng)助劑如河道底泥、礦山浮選脫硫廢渣，可制備建材陶粒.在原料配比m(石英尾砂)∶m(污泥)∶m(粘合劑)∶m(河道底泥)=4∶4∶3∶3、進(jìn)料溫度400 ℃、預(yù)熱時(shí)間20 min、焙燒溫度1100 ℃、焙燒時(shí)間25 min的條件下，制備的陶粒強(qiáng)度為5.11 MPa，吸水率為11.7%，堆積密度為913 kg/m3.

污泥；石英砂尾礦；陶粒

我國年生產(chǎn)工業(yè)用石英砂約5000萬t，每年石英砂尾礦排量約1000萬t[1]，大量的石英砂尾礦，占用耕地、淤塞河道且產(chǎn)生大量揚(yáng)塵直接造成嚴(yán)重的環(huán)境污染.隨著大規(guī)模污水處理設(shè)施的興建，產(chǎn)生的污泥量越來越大.每年全國城鎮(zhèn)污水處理量約340億立方米，產(chǎn)生脫水污泥量接近2200萬t[2].污泥中含有大量重金屬、病毒、寄生蟲卵等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的危害.因此，為了保護(hù)環(huán)境和充分利用礦產(chǎn)資源，污泥和石英尾砂的綜合利用已迫在眉睫.陶粒作為一種建筑用輕質(zhì)材料,以其質(zhì)輕、高強(qiáng)、保溫等特性受到人們的極大重視.本研究的目的是考察以污泥為主要原料，配合石英尾砂和其他輔料通過焙燒制成陶粒，為污泥與石英尾砂制備陶粒提供技術(shù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)儀器原料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用污泥樣品為某污水處理廠的機(jī)械脫水污泥，含水率為80.6%，有機(jī)質(zhì)(干基)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，容重為1.07 g/cm3.其重金屬分析列于表1.石英尾砂取自某石英礦山，其化學(xué)成分列于表2.河道底泥取自某城市污水港清淤底泥，其重金屬分析列于表3.粘結(jié)劑取自某礦山浮選脫硫廢渣，含高嶺土、長石、云母等礦物，主要成分為Al2O3，并含有SiO2和Fe2O3等雜質(zhì).

表1 污泥樣品的重金屬分析結(jié)果

表2 石英尾砂的化學(xué)成分

表3 河道底泥樣品的重金屬分析結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

型號(hào)ZDXS4-8馬弗爐(深圳中達(dá)電爐廠生產(chǎn))； TDHW恒溫電熱烘箱(臺(tái)達(dá)烘箱制造有限公司生產(chǎn)).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

強(qiáng)度的測(cè)定：測(cè)單個(gè)陶粒在壓力機(jī)上受壓至破裂時(shí)承受的壓力，取十顆陶粒承壓的平均值作為陶粒的強(qiáng)度.

吸水率的測(cè)定：干燥后的陶粒在水中浸泡1 h，取出擦干表面水分，稱重，按式(1)計(jì)算吸水率.

(1)

式(1)中：wa—陶粒1 h 吸水率，%；m1—吸水后試樣質(zhì)量，g；m0—烘干試樣質(zhì)量，g.

堆積密度的測(cè)定：將試樣放入量筒，在自然狀態(tài)下物料表面與量筒口平齊，稱重，按式(2)計(jì)算密度.

(2)

式(2)中：ρ—堆積密度，kg/m3；m1—試樣和量筒的質(zhì)量，kg；m—量筒的質(zhì)量，kg；V—量筒的體積，L.

陶粒的制作方法：取某污水廠的污泥，經(jīng)過去雜、烘干、研磨后，按一定比例與石英尾砂、河道底泥和粘結(jié)劑混合均勻，然后加入適量水，手工捏制成直徑8～12 mm的圓球形陶粒，放入馬弗爐中，在設(shè)定溫度下，燒結(jié)一定時(shí)間，取出后自然冷卻.

2 陶粒的配方

2.1 污泥的含量

污泥主要由有機(jī)質(zhì)組成，可作為一種造氣原料.在高溫下陶粒中的污泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一氧化碳?xì)怏w，使陶粒的體積膨脹，陶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量均勻細(xì)小的氣孔.在焙燒過程中，高溫使坯體變軟，坯體內(nèi)產(chǎn)生的氣體試圖向外逸出，但是由于軟化的坯體具有一定的粘度，對(duì)逸出氣體產(chǎn)生抑制作用，相互作用的結(jié)果是坯體發(fā)生膨脹，最終形成陶粒.不同污泥含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表4.

表4 污泥含量與陶粒性質(zhì)

Table 4 The content of sewage and the feature of the ceramsite

m(污泥)∶m(石英尾砂)∶m(粘結(jié)劑)∶m(河道底泥)陶粒性質(zhì)2∶5∶3∶2質(zhì)硬,內(nèi)部氣孔少,體積膨脹程度小3∶5∶3∶2質(zhì)硬,內(nèi)部氣孔發(fā)達(dá),體積膨脹5∶5∶3∶2質(zhì)硬,內(nèi)部氣孔發(fā)達(dá),體積膨脹6∶5∶3∶2質(zhì)脆,容易碎

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，污泥含量越高，燒制出來的陶粒越脆，硬度越小.如果污泥量過高，陶粒稍微受力就碎，無法成形；如果污泥的含量過低，燒制出的陶粒硬度很大，但是內(nèi)部氣孔很少，單位體積的重量大，不利于起到保溫隔熱作用.因此，污泥含量必須適當(dāng).本實(shí)驗(yàn)中合適的污泥含量為陶粒原料總質(zhì)量的23%～33%.

2.2 石英尾砂的含量

燒制陶粒必不可少的是成骨原料，常用的成骨原料是粉煤灰，但是粉煤灰的開發(fā)利用已經(jīng)很充分，近年來逐漸成為緊俏資源，價(jià)格呈上升趨勢(shì).本研究中不用粉煤灰，選用石英尾砂與河道底泥作為成骨原料.

石英尾砂取自某石英砂礦山尾礦庫，屬于大宗固體廢棄物，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.21%.據(jù)報(bào)道[3]，陶粒坯體中SiO2含量過低成形效果不好，SiO2含量過高會(huì)降低胚體的膨脹性能，只有SiO2含量合適時(shí)，高溫焙燒時(shí)才會(huì)形成合適的膨脹條件.試驗(yàn)表明，石英尾砂含量為陶粒原料總質(zhì)量的30%～50%較合適.

2.3 粘結(jié)劑的含量

粘結(jié)劑取自某礦山浮選脫硫廢渣，其中含高嶺土、長石、云母等礦物，污泥在干燥后的粘聚性很差，和石英尾砂混合后成球困難，所以需要添加一種符合燒制陶粒要求的可以起到粘結(jié)劑作用的材料.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)劑含量為陶粒原料總質(zhì)量的20%～30%較合適.

2.4 河道底泥的含量

河道底泥的化學(xué)成分主要為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O等，其中Fe2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O是陶粒胚體中的易熔成分.易熔成分含量越高，焙燒溫度越低.SiO2和Al2O3是難熔成分，難熔成分與易熔成分的質(zhì)量比值以3.5～10為宜[4].研究發(fā)現(xiàn)，河道底泥含量為陶粒原料總質(zhì)量的20%～30%較合適.

經(jīng)過造粒焙燒后，依據(jù)成型后陶粒的硬度、氣孔數(shù)目、外觀釉層和成形情況，確定陶粒配料合適的質(zhì)量配比為：m(石英尾砂)∶m(污泥)∶m(粘合劑)∶m(河道底泥)=4∶4∶3∶3.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 燒結(jié)時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響

在燒結(jié)溫度1100 ℃、進(jìn)料溫度400 ℃、預(yù)熱時(shí)間20 min的條件下，燒結(jié)時(shí)間對(duì)陶粒強(qiáng)度的影響如圖1所示.由圖1可知，隨著燒結(jié)時(shí)間的延長, 陶粒強(qiáng)度增大.當(dāng)燒結(jié)時(shí)間達(dá)25～30 min時(shí)，陶粒強(qiáng)度保持5.11 MPa左右.當(dāng)燒結(jié)時(shí)間長于30 min后，陶粒強(qiáng)度開始下降.這是由于隨著燒結(jié)時(shí)間延長，陶粒的釉化層更均勻，強(qiáng)度隨之增加.但燒結(jié)時(shí)間過長時(shí)，液相量過多，粘度下降，不能很好地抑制氣體的溢出，內(nèi)部分布均勻的小氣孔合并為大氣孔，大氣孔又使得表面釉化層變薄，強(qiáng)度降低.所以只有燒結(jié)時(shí)間合適，才能制備出強(qiáng)度高的陶粒.本實(shí)驗(yàn)中燒結(jié)時(shí)間為25～30 min時(shí)陶粒強(qiáng)度最高.

圖1 燒結(jié)時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響Fig.1 The influence of sintering time on strength

3.2 燒結(jié)時(shí)間對(duì)吸水率的影響

在燒結(jié)溫度1100 ℃、進(jìn)料溫度400 ℃、預(yù)熱時(shí)間20 min的條件下，燒結(jié)時(shí)間對(duì)吸水率的影響如圖2所示.由圖2可知，隨著燒結(jié)時(shí)間延長，吸水率降低.當(dāng)燒結(jié)時(shí)間達(dá)25 min后繼續(xù)延長燒結(jié)時(shí)間，吸水率保持在11.7%左右.這是由于隨著焙燒時(shí)間的延長, 陶粒中產(chǎn)生大量融熔狀態(tài)的液相物質(zhì),熔融后的石英粘度較小，容易滲透到其它固體顆粒之間,使陶粒表面氣孔率減少,導(dǎo)致吸水率降低；當(dāng)陶粒表面形成致密的釉化層后，吸水率最低，繼續(xù)延長燒結(jié)時(shí)間，吸水率變化不大.本實(shí)驗(yàn)吸水率最低時(shí)，燒結(jié)時(shí)間為25 min.

圖2 燒結(jié)時(shí)間對(duì)吸水率的影響Fig.2 The effect of sinter time on absorption rate

3.3 燒結(jié)時(shí)間對(duì)顆粒堆積密度的影響

在燒結(jié)溫度1100 ℃、進(jìn)料溫度400 ℃、預(yù)熱時(shí)間20 min的條件下，燒結(jié)時(shí)間對(duì)陶粒堆積密度的影響如圖3所示.由圖3可知，隨著燒結(jié)時(shí)間的增加，陶粒堆積密度減小.當(dāng)燒結(jié)時(shí)間達(dá)27 min時(shí)，陶粒堆積密度降至最低，為913 kg/m3.當(dāng)燒結(jié)時(shí)間達(dá)27 min后繼續(xù)延長燒結(jié)時(shí)間，堆積密度增大.當(dāng)達(dá)到一定燒結(jié)時(shí)間后繼續(xù)延長燒結(jié)時(shí)間，陶粒表面液相量增多并在液相表面張力的作用下，固體顆粒相互接近，液相填充到氣孔之中，使胚體致密化，導(dǎo)致筒壓強(qiáng)度和堆積密度增大，降低了膨脹性[5].從堆積密度來講，燒結(jié)時(shí)間為27 min較合適.

圖3 燒結(jié)時(shí)間對(duì)顆粒堆積密度的影響Fig.3 The effect of sinter time on stacking density

4 結(jié) 論

(1) 以城市污水處理廠的污泥與石英砂尾礦為主要原料，添加適當(dāng)助劑如河道底泥、礦山浮選脫硫廢渣，可制備建筑陶粒，其合適的原料配比為m(石英尾砂)∶m(污泥)∶m(粘合劑)∶m(河道底泥)=4∶4∶3∶3.

(2) 在一定溫度范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)時(shí)間增大，陶粒的強(qiáng)度增大，吸水率減小，堆積密度先減后增.在進(jìn)料溫度400 ℃，預(yù)熱時(shí)間20 min，焙燒溫度1100 ℃，焙燒時(shí)間25 min的條件下，陶粒的強(qiáng)度為5.11 MPa，吸水率和堆積密度分別為11.7%和913 kg/m3.

[1] 杜欣,王志玉,王興潤,等.采用污水廠污泥制陶粒的燒結(jié)工藝及配方研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2007,4(24):109-114.

[2] 王興潤,杜欣,聶永豐,等.城市生活污水處理廠污泥燒結(jié)制陶粒技術(shù)可行性研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008，3(7):32-35.

[3] 張明華,張美琴,張子平．煤矸石陶粒的膨化機(jī)理及其研制[J]．吉林建材,1999(4):8-14.

[4] 王征,郭玉順．粉煤灰高強(qiáng)陶粒燒脹規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]．新型建筑材料,2002(2):10-14.

[5] 郭子?jì)?胡甜甜,劉天龍,等．貴陽城市污水處理廠污泥生產(chǎn)輕質(zhì)陶粒的研究[J]．中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2009，10(10):55-57.

Study of the sintering time on the effects of ceramsite made from sewage and quartz tailing

GUO Suchen，RUAN Deming，ZOU Huihuang，WANG Qiang，YAN Shu, HE Lingling，WANG Xiangying

HunanUniversityofTechnology，Zhuzhou412008，China

Based on the municipal sewage sludge and quartz tailing，added appropriate additives such as river sediment and mine flotation desulfurization sludge,the lightweight ceramsite could be prepared for the build materials.The ratio of raw material ism(quartz tailing)∶m(sewage)∶m(adhesive)∶m(river sediment)=4∶4∶3∶3, and feed temperature is 400℃ and preheating time is 20 min and heating time is 25 min and sintering temperature is 1100℃, respectively.The strength of ceramsite is 5.11 MPa, and the water absorption rate is 11.7%, and the density is 913 kg/m3.

municipal sewage sludge；quartz tailing；lightweight ceramsite

2014-11-03

2013年地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201311535004)

郭夙堔(1993-)，女，廣東深圳人，碩士研究生.

1673-9981(2015)02-0130-04

X705

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