CN101830653B - 一种污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥及其制备方法，该碱激发水泥以高钙粉煤灰为主要原料，以热活化污泥为矿物外加剂，以氢氧化钠和液体状的钠水玻璃制得的溶液为复合化学外加剂，并在一定的养护环境中使得该体系具有较好的性能。该发明利用的是工业废弃物高钙粉煤灰和污泥，减轻了环境的负担，也降低了成本，减少了资源消耗，而且这种新型碱激发水泥仅有少量温室气体的排放，是一种低碳排放的绿色环保型的胶凝材料，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，涉及以高钙粉煤灰作为硅铝源原材料，以热活化污泥为矿物外加剂，以钠水玻璃和氢氧化钠配制所得溶液为复合化学外加剂制备得到的一种新型低碳排放的碱激发水泥及其制备方法。
背景技术
水泥是一种传统的胶凝材料，为人类经济发展与社会进步做出了巨大贡献，然而硅酸盐水泥的原材料的紧缺已是全球必须面对的十分紧迫的实际问题，在本世纪中叶就将耗尽。加之，硅酸盐水泥不仅高能源消耗，而且其生产过程是一个高碳排放的过程，生产1吨水泥将排放约1吨的温室气体。因此，各国纷纷出台相应的措施限制水泥工业规模的发展，同时由于国家经济建设迫切需要，各国也相继发展新型的绿色胶凝材料，以取代这种传统的胶凝材料水泥，使胶凝材料在为人类造福的同时不至于给环境造成严重的负担。
污泥是一种主要的城市废弃物，随着人们环境意识的加强和水质量指标的日趋严格，水和污水处理过程所产生的污泥已成为水污染治理工艺不可避免的特殊废弃物。我国城市污水处理厂每年排放的污泥量巨大，尤其是在我国大城市，污泥出路问题已经十分突出。这些污泥目前只能占地填埋或单独焚烧处理，尚无合理的处理办法。而粉煤灰是火力发电厂排放出来的一种以硅、铝为主要成分的工业副产品。普通粉煤灰是烟煤作为动力燃料而排放出来的氧化钙含量很低的低钙粉煤灰，而高钙粉煤灰则是褐煤、亚烟煤或次烟煤作为动力燃料而排放出来的，其(SiO2+Al2O3+Fe2O3)的质量百分含量≥50％，CaO的质量百分含量≥10％。随着电力工业的飞速发展和煤炭资源的耗竭，具有高挥发分的褐煤、亚烟煤或次烟煤也常常被用作动力燃料，导致越来越多的高钙粉煤灰的大量排出，并由于其游离氧化钙含量高而难以在水泥基材料中得到有效利用并堆积形成新的污染源，亟需加以处置利用。相对于低钙粉煤灰，高钙粉煤灰中除含有大量的硅铝质成分外，还含有一定的钙质成分。
地聚合物是碱激发水泥中的一种。地聚合物是以硅铝质材料为原料通过矿物聚缩反应而生成的一种低能耗、长寿命、无CO2排放的高性能无机聚合物。随着人类对环境保护意识的加强，利用固体废弃物研制新型碱激发水泥前景可观。
发明内容
本发明以高钙粉煤灰为主要原料，以热活化污泥为矿物外加剂，以钠水玻璃和氢氧化钠制得的溶液为复合化学外加剂，确定污泥处置方式和复合化学外加剂的的模数和掺量，并在一定的养护环境中使该体系具有较好的性能，在一定范围内能部分取代或优于水泥使用。
高钙粉煤灰中大部分是细小的玻璃质球状颗粒，当高钙粉煤灰被复合化学外加剂激发时，部分铝硅相从高钙粉煤灰的球壳溶出并发生地聚合反应，这与碱激发低钙粉煤灰类似。风干污泥经热活化处理后其主要物相组成为CaO、MgO和SiO2，当热活化污泥掺入到高钙粉煤灰中，其含有的硅铝质矿物成分，可以用其作为地聚合物材料的硅铝源先驱相，而大量钙质成分以及碱性物质K2O和Na2O，可以作为地聚合反应的碱性激发剂，为地聚合反应提供更高的碱性环境，增大热活化污泥-高钙粉煤灰地聚合物反应体系的碱度，有利于高钙粉煤灰硅铝相的解聚以及解聚的硅铝配合物的溶出和扩散，加速碱激发水泥的形成。
该发明利用的是工业废弃物高钙粉煤灰和污泥，首先给废弃物的利用提供了途径，减轻了环境的负担，也降低了成本，减少了资源消耗，符合节能减排且满足我国国情的要求；同时它是一种无熟料水泥，节约了能源消耗；同时这种新型碱激发水泥仅有少量温室气体的排放，是一种低碳排放的环保型的胶凝材料。另外，它在一定程度上可以取代水泥，可以减少水泥的生产，也就是减少了水泥生产过程中的高资源、能源消耗，高碳排放，也减少了其对环境造成的巨大压力。所以，这种低碳排放的碱激发水泥是一种绿色环保型的胶凝材料，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。
本发明的技术方案如下：
本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥的原料包括高钙粉煤灰、热活化污泥和复合化学外加剂，其中：热活化污泥为风干污泥在800℃～900℃的温度下煅烧0.5h～1.5h而得；复合化学外加剂由氢氧化钠和液体状的钠水玻璃配制而成，复合化学外加剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0；该三种原料之间的量比关系为：高钙粉煤灰与热活化污泥的质量比为9∶1；由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰和热活化污泥质量之和的10％～15％。
本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥的制备方法按以下步骤进行：
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0，制成复合化学外加剂备用。
b、将风干污泥升温至800℃～900℃的温度下煅烧0.5h～1.5h，制得热活化污泥，冷却后备用。
c、将高钙粉煤灰与热活化污泥以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热活化污泥质量之和的10％～15％，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h或室温下养护3d～28d，即得到本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
本制备方法也可按照步骤b、a、c、d的顺序进行。
进一步，步骤a中所得复合化学外加剂陈化24h后备用，可进一步提高复合化学外加剂的活性。
进一步，步骤b中在将风干污泥升温至800℃～900℃煅烧的过程中，控制升温速率为10℃/min，升至设定温度后煅烧0.5h～1.5h。
进一步，步骤b中将制得的热活化污泥通过45μm筛，以提高其细度和活性，备用。
进一步，步骤c中控制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4。
由上述制备方法制备所得的污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥的各项性能指标满足《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175-1999)中普通硅酸盐水泥强度等级42.5R的性能要求，在一定范围内能够取代普通硅酸盐水泥运用于实际工程，尤其是对早期强度有较高要求的工程。
具体实施方式
本发明六个实施例的主要原材料风干污泥为某水处理厂野外堆放自然风干污泥，高钙粉煤灰取自某电厂，比表面积为385m2/kg，风干污泥和高钙粉煤灰的主要化学成分及质量百分含量(wt.％)见表1。所用氢氧化钠为含99.2％NaOH的化学试剂；市售的液体状的钠水玻璃固含量38.3％，含有9.1％Na2O，29.2％SiO2和61.7％的水。
表1本发明用风干污泥和高钙粉煤灰的主要化学成分及含量(wt.％)
实施例①
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h，备用。
b、控制升温速率为10℃/min，将风干污泥升温至800℃的温度下煅烧1h，制得热活化污泥，冷却后备用。
c、将高钙粉煤灰与热活化污泥以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热活化污泥质量之和的10％，控制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得到本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
实施例②其余条件和步骤均与实施例①相同，不同之处在于步骤d为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
实施例③
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h，备用。
b、控制升温速率为10℃/min，将风干污泥升温至900℃的温度下煅烧1h，制得热活化污泥，冷却后备用。
c、将高钙粉煤灰与热活化污泥以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热活化污泥质量之和的10％，控制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得到本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
实施例④其余条件和步骤均与实施例③相同，不同之处在于步骤d为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
实施例⑤
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h，备用。
b、控制升温速率为10℃/min，将风干污泥升温至900℃的温度下煅烧1h，制得热活化污泥，冷却后过45μm筛，备用。
c、将高钙粉煤灰与热活化污泥以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热活化污泥质量之和的10％，控制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得到本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
实施例⑥其余条件和步骤均与实施例⑤相同，不同之处在于步骤d为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
由以上六个实施例制备的污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥的基本性能见表2
表2污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥的基本性能
由上述实施例可知，在室温下养护的污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥各项性能优良，抗压强度性能指标满足《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175-1999)中42.5R等级普通硅酸盐水泥的要求，并且在提高养护温度时，还可以显著提高其早期强度。因此，该污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥在一定范围内能够取代普通硅酸盐水泥运用于实际工程，尤其是对早期强度有较高要求的工程。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥，其特征在于：该碱激发水泥的原料包括高钙粉煤灰、热活化污泥和复合化学外加剂，其中：热活化污泥为风干污泥在800℃～900℃的温度下煅烧0.5h～1.5h而得；复合化学外加剂由氢氧化钠和液体状的钠水玻璃配制而成，复合化学外加剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0；该三种原料之间的量比关系为：高钙粉煤灰与热活化污泥的质量比为9∶1；由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热活化污泥质量之和的10％～15％。
2.权利要求1所述的碱激发水泥的制备方法，按以下步骤进行：
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0，制成复合化学外加剂备用；
b、将风干污泥升温至800℃～900℃的温度下煅烧0.5h～1.5h，制得热活化污泥，冷却后备用；
c、将高钙粉煤灰与热活化污泥以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热活化污泥质量之和的10％～15％，即得试样；
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h或室温下养护3d～28d，即得到污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
3.权利要求1所述的碱激发水泥的制备方法，按以下步骤进行：
a、将风干污泥升温至800℃～900℃的温度下煅烧0.5h～1.5h，制得热活化污泥，冷却后备用；
b、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0，制成复合化学外加剂备用；
c、将高钙粉煤灰与热活化污泥以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热活化污泥质量之和的10％～15％，即得试样；
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h或室温下养护3d～28d，即得到污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所得复合化学外加剂陈化24h后备用。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：在将风干污泥升温至800℃～900℃煅烧的过程中，控制升温速率为10℃/min，升至设定温度后煅烧0.5h～1.5h。
6.根据权利要求4中所述的制备方法，其特征在于：在将风干污泥升温至800℃～900℃煅烧的过程中，控制升温速率为10℃/min，升至设定温度后煅烧0.5h～1.5h。
7.根据权利要求2、3或6中任一所述的制备方法，其特征在于：将制得的热活化污泥冷却后通过45μm筛，备用。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：将制得的热活化污泥冷却后通过45μm筛，备用。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：将制得的热活化污泥冷却后通过45μm筛，备用。
10.根据权利要求2、3、6、8或9中任一所述的制备方法，其特征在于：步骤c中控 制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4。
11.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤c中控制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4。
12.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤c中控制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4。
13.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤c中控制高钙粉煤灰、热活化污泥以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120822 Termination date: 20150423 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |