固體廢棄物作為多孔陶瓷造孔劑的研究進(jìn)展*

劉俊榮

(佛山歐神諾陶瓷有限公司 廣東 佛山 528138)

固體廢棄物按其來源,可分為工業(yè)固體廢物、礦業(yè)固體廢物、城市固體廢物(城市垃圾)、農(nóng)業(yè)固體廢物和放射性固體廢物5類。近年來我國一般工業(yè)固廢產(chǎn)生量基本在30億t左右,2017年的工業(yè)固廢產(chǎn)生量為33.16億t,到2020年增至36.75億t,2021年工業(yè)固廢產(chǎn)生量超38億t。工業(yè)固體廢物污染防治關(guān)乎生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,基于此,國家相關(guān)部門出臺了一系列政策。2021年3月發(fā)布的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》,要求到2025年,煤矸石、粉煤灰、尾礦(共伴生礦)、冶煉渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏、建筑垃圾、農(nóng)作物秸稈等大宗固廢的綜合利用能力顯著提升,利用規(guī)模不斷擴(kuò)大,新增大宗固廢綜合利用率達(dá)到60%。

在固體廢棄物中,粉煤灰、稻殼灰、高爐渣、拋光磚廢料、污泥和赤泥等廢料,由于具有與陶瓷原材料相似的化學(xué)成分,已被用于陶瓷生產(chǎn)[1～6]。筆者主要介紹將食品、農(nóng)業(yè)和工業(yè)固體廢棄物作為多孔陶瓷造孔劑的研究進(jìn)展。

1 固體廢棄物的性質(zhì)

固體廢棄物原料的元素組成見表1。

從表1可以看出,粘土的有機(jī)質(zhì)含量較低,而有機(jī)廢棄物中含有大量的碳和氫。由于化學(xué)降解和相應(yīng)的氣體釋放,這些成分可以促進(jìn)陶瓷在燒制或燒結(jié)過程中形成孔隙。此外,確定固體廢棄物原料中的揮發(fā)性元素成分(例如氯和硫)至關(guān)重要,因為這些揮發(fā)性元素會影響工藝的穩(wěn)定性,甚至腐蝕陶瓷窯爐。一般來說,硫的含量應(yīng)低于0.09%,以避免損壞陶瓷窯爐。

固體廢棄物原料的化學(xué)成分見表2。原料中的主要氧化物二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)之間的反應(yīng)可形成穩(wěn)定的莫來石晶相(3Al2O3·2SiO2)和硅線石晶相(Al2O3·SiO2),當(dāng)固體廢棄物原料中含有較高的SiO2含量時,也能提高多孔陶瓷產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度。其他氧化物如Na2O、Fe2O3、CaO 和Mg O 可作為配方中的助熔劑,降低配方中粘土原料的熔點。

粘土原料和固體廢棄物原料之間的另一個區(qū)別是它們的燒失量數(shù)值。粘土原料的燒失量為4.8%,而鋸末的燒失量高達(dá)99%。高燒失量表明有機(jī)成分含量很高,這有助于提高陶瓷的孔隙率。除此之外,有些污泥、堆肥灰等廢棄物的燒失量雖然很低,但是與不添加任何固體廢棄物的陶瓷磚產(chǎn)品相比,添加了污泥、堆肥灰等廢棄物能夠增加孔隙的形成。

2 固體廢棄物對多孔陶瓷性能的影響

固體廢棄物制備多孔陶瓷工藝流程,如圖1所示。

圖1 固體廢棄物制備多孔陶瓷的工藝流程圖

多孔陶瓷的產(chǎn)品性能主要決定于產(chǎn)品中孔的形狀,以及加入造孔劑的粒度。添加不同類型、含量和形狀的固體廢棄物原料會影響多孔陶瓷中孔隙的形成。多孔陶瓷中的孔隙有開孔和閉孔兩種。這兩種孔隙都會直接增加多孔陶瓷產(chǎn)品的吸水率。

開孔也稱為互連孔,它會降低多孔陶瓷產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度,并且增加產(chǎn)品隔熱性能;閉孔也稱為孤立孔隙,可以提高磚的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。固體廢棄物的另一個重要特性是粒度分布,固體廢棄物的粒度分布會影響多孔陶瓷產(chǎn)品的孔隙率,以及多孔陶瓷產(chǎn)品的燒結(jié)溫度。

固體廢棄物制備多孔陶瓷的產(chǎn)品性能見表3。

表3 固體廢棄物制備多孔陶瓷的產(chǎn)品性能

一般來說,廢料的添加增加了陶瓷孔隙率并減輕其重量,從而提高了陶瓷的隔熱性能。固體廢棄物原料的利用,節(jié)約了生產(chǎn)成本,但是增加了固體廢棄物預(yù)處理的成本、能源消耗以及設(shè)備成本,但是總體來說,固體廢棄物制備多孔陶瓷可以實現(xiàn)食品、農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢物零排放,減輕環(huán)境負(fù)擔(dān),固體廢棄物作為造孔劑的多孔陶瓷具有較大的應(yīng)用前景和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>