CN102826818A - 一种底泥砖的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种底泥砖的制备方法，以河道底泥为原料，将所述河道底泥、植物秸秆、废玻璃粉、粘结剂按比例混合，添加钢渣混合均匀；调节含水率至20-40%，搅拌均匀捶打均质化，用制砖模具加压压制成型；干燥调节含水率至1-5％；经马弗炉高温煅烧，制成所述底泥砖。本发明制备的底泥砖强度大、透水性好、孔隙多、耗能少、重金属溶出小、生物毒性低，本发明利用重污染河道的底泥，实现了污染底泥中重金属的固化，减少底泥对环境的危害，同时实现了底泥的资源化再利用。

Description

一种底泥砖的制备方法

技术领域

本发明属于环境工程与技术领域，涉及一种新型环保建材及其制备方法，具体涉及一种底泥砖的制备方法。

背景技术

底泥是江河、湖泊、水库等水体底部长期积存的沉积物，是水体多相生态系统的重要组成部分，是环境污染物在广泛空间和长期时间内的聚集处。随着截污工程的引入，底泥的二次污染问题成为影响底泥疏浚工程技术的广泛应用的问题，因此对河道底泥的处理和处置成为普遍关注的问题。

建筑业是消耗能源、资源的一大产业，与资源、环境有着不可分割的联系和作用，建筑与生态环境的协调关系的处理对社会发展起着及其重大影响。因此，在建筑业中，大力发展节土利废、节约能源、节省资源的新型环保材料显得尤为重要。因此，根据地域资源、建筑结构和建筑节能的要求，大力发展新型建筑材料，以期符合“依据环境再生、协调共生、持续自然的原则，尽量减少自然资源的消耗，尽可能对废弃物的再利用和净化，保护生态环境以确保人类社会的可持续发展”的战略发针。

现有制砖技术中以粘土为主要原料烧结制砖，所采用的原材料为粘土大量有限资源，不符合可持续发展战略要求；目前底泥处置技术中，疏浚底泥主要采用堆放、吹填、海洋抛泥等方法带来很多污染问题。本发明创新地提出利用重污染河道的底泥，实现了污染底泥中重金属的固化，减少底泥对环境的危害，同时实现了底泥的资源化再利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的环保的底泥砖的制备方法。本发明具有环境友好、成本低、耗能少、溶出少、生物毒性低、抗压强度高、多孔隙、对雨水径流等有净化作用、节约资源、废物再利用的优点，可作为建筑工程材料及用于铺设人行道、硬质化护岸，同时对城市径流中氮磷等营养盐有一定的吸附效果。

本发明提供了一种底泥砖的制备方法，包括如下步骤：

（1）以河道底泥为原料，经脱水干燥粉碎后，将所述河道底泥、植物秸秆、废玻璃粉、粘结剂按比例70-90：0.1-3：5-15：0.1-10混合，添加以上混合组分总重量5%的钢渣，混合均匀，加水使含水率调节至20-40%，搅拌均匀捶打均质化，用制砖模具加压压制成型；

（2）自然条件下干燥12-48小时后，于80-100℃烘箱烘干，使其含水率调节至1-5％；

（3）经马弗炉高温煅烧，冷却后制成所述底泥砖。

本发明底泥砖的制备方法，其原料配比为：75-95%河道底泥、0.1-3%植物秸秆、5-15%废玻璃粉、0.1-10%粘结剂，另添加钢渣为以上混合组分总重量的5%。

其中，所述河道底泥是受污染河道底层硬质泥层以上的各层底泥，包括表层底泥和浅层底泥；所述河道底泥的含水率为40-60%。

所述植物秸秆是纤维长度为0.65－2.17mm，宽度为21－28μm的甘蔗渣。本发明中，甘蔗渣是指甘蔗经过榨糖之后剩下的废渣，其纤维形态较好。优选地，可采用制糖厂废弃甘蔗渣经过植物粉碎机粉碎成0.5-1cm长的甘蔗渣。

所述废玻璃粉是将废玻璃渣粉碎后制成的50-100目玻璃纤维。

所述粘结剂是水玻璃，其主要化学成分是硅酸钠。

所述钢渣的微粉粒径为0.4um。本发明采用的钢渣可以是工业固体废物，包括钙、 铁、 硅、镁和少量铝、锰、磷等氧化物。

其中，所述高温煅烧是在200℃保温1h，450℃保温1h，600℃保温1h，800℃保温1h，950℃保温1h，950℃煅烧1h，1010℃煅烧10min的升温程序下进行。

本发明中，马弗炉逐渐升温，升温程序根据组成成分及实际情况（包含内燃性物质-植物秸秆所需热能减少）进行了优化。

本发明环保底泥砖以底泥、碎玻璃、粘结剂、钢渣粉、植物碎屑为原料经预处理、混合、加水混匀、捶打均质化后，压制成型，经干燥、焙烧而得。

本发明制备得到的底泥砖，其抗压强度大于15MPa。

本发明有益效果在于：（1）环境友好，成本低，耗能少。原材料为河道污染底泥（温瑞塘河底泥）、工业副产物（钢渣微粉）和植物秸秆（甘蔗渣），应用中不会对环境造成危害。特别是，植物秸秆具有一定的燃烧热值，在材料焙烧过程中具有助燃作用，达到降低成本和以废治废的目的，且有助于解决农村中大量富余秸秆。（2）重金属溶出少。经过高温煅烧后底泥中有机物烧失，底泥中的无机硅酸盐矿物会熔融，将重金属等污染物包裹在底泥砖的玻璃基质中，底泥砖的重金属浸出率在规定限值内，生物毒性低。利用热带爪蟾胚胎暴露在本发明制得底泥砖的浸出液中，结果发现胚胎致畸形率显著低于原料底泥的浸出液，分析表明本发明透水砖生物毒性低，达到并超过行业标准，不会造成对环境的危害。（3）抗压强度高。底泥、碎玻璃、粘结剂、钢渣粉混合物经高温烧结后，达到较高的强度，符合建筑材料用砖标准，特别添加回收利用的碎玻璃粉末，废玻璃粉中主要成分为氧化硅能与其他材料组分反应（如氢氧化钙），增加材料强度。（4）孔隙结构。焙烧过程植物秸秆烧失的造孔作用。（5）净化作用。本发明底泥砖中添加钢渣微粉和植物秸秆的纤维状炭化或灰化产物及其产生的孔隙对雨水、城市径流中氮、磷等污染物能够起到净化作用；（6）节约资源、废物再利用。本方法所使用的温瑞塘河底泥是富含大量有机物、营养盐、重金属等有害物质的污染河道底泥，把它用于制备环保底泥砖，既可以减缓建材制造业与农争土，又可以解决城市河道水环境中污染底泥对水体的二次污染问题，是河道底泥处理处置、资源化再利用的出路之一。

本发明采用污染河道底泥代替传统使用的粘土为主要原料制砖，一方面减缓制砖行业与农业争夺土地资源的现象，另一方面解决污染河道疏浚底泥填埋弃置等处置方法对周围环境的污染，通过烧结过程对重金属等的固定从根本上降低底泥的危害；原料中采用玻璃粉增强材料强度，添加植物秸秆内燃物减少耗能的同时使砖产生孔隙，使得底泥砖容重低于普通粘土烧结砖。本发明中的升温程序能达到较好的强度效果，针对不同组分燃烧条件不同，不同保温时间制得的材料强度有所区别。

本发明利用废弃温瑞塘主塘河污染底泥，添加废玻璃粉、粘结剂、钢渣粉、甘蔗渣等材料按一定配方来烧结制成新型环保底泥砖。本发明是应用于建筑材料及用于铺设人行道、硬质化护岸的新型材料。本发明经高温煅烧，污染低泥中的有机物得到去除，重金属得以固定，不仅大大降低了污染底泥对环境的危害，还使得废弃的有害底泥得到资源化利用，减轻制砖行业对粘土资源的需求，符合资源节约型社会需求。本发明工艺过程简单，且制备的底泥砖，颜色均匀、强度高、透水性、重金属溶出及生物毒性低等均达到并超过行业标准。

本发明底泥砖抗压强度大于15MPa。本发明底泥砖试样外观质量、泛霜、石灰爆裂、冻融性能均符合国家标准《烧结普通砖》（GB5101-2003）中一等平要求。并且对雨水、城市径流中氮、磷等污染物能够起到净化作用，实验室小试净化效果明显，对水中氨氮的去除效果最高达到95.8%，总磷的去除效果达到60%，化学需氧量CODcr的去除效果达到50%。

附图说明

图1为本发明底泥砖与原料底泥浸出液对热带爪蟾胚胎畸形率的影响。

图2a、图2b为本发明底泥砖抗压强度测定的示意图；图2a为测试前的本发明制备的底泥砖，图2b为按国标方法砌成的制样。

图3a 、图3b、图3c为本发明底泥砖碎块断面在不同放大倍数下的电镜扫描图，图3a是放大500倍；图3b是放大1000倍；图3c是放大5000倍。

图4是利用本发明底泥砖净化水中污染物的示意图。

图5是利用本发明底泥砖净化水中污染物，图5a、图5b、图5c分别为水中总磷浓度、氨氮浓度、及CODcr浓度随时间变化曲线图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。 

实施例1 制备底泥砖

本实施例中底泥砖的制备方法，包括如下步骤：

首先，以河道底泥为原料，经脱水干燥粉碎后，将底泥、植物秸秆、废玻璃粉、粘结剂按比例70：1：5：1混合，再加入比例为5%的钢渣，充分混合均匀，加水使含水率调节至20%，搅拌均匀捶打均质化，用制砖模具加压压制成型。本发明中适宜的混合比例为，底泥：植物秸秆：废玻璃粉：粘结剂为70-90：0.1-3：5-15：0.1-10，且加入钢渣，钢渣占前述混合组分总重量的5%。含水率可调节在20-40%范围内。

所采用的河道底泥，是用受污染河道底层硬质泥以上的表层底泥和浅层底泥；河道底泥的含水率调节至40%。所采用的植物秸秆是甘蔗渣，即甘蔗经过榨糖之后剩下的废渣。甘蔗渣的纤维长度为2.17mm，宽度是21μm。适宜地，甘蔗渣的纤维长度是0.65－2.17mm，宽度是21－28μm。所采用的废玻璃粉是由废玻璃渣粉碎制成的50-100目玻璃纤维。所采用的粘结剂是水玻璃，其主要化学成分是硅酸钠。所采用的钢渣的微粉粒径为0.4um。优选地，钢渣是工业固体废物，包括钙、 铁、 硅、镁和少量铝、锰、磷等氧化物。

然后，在自然条件下干燥12小时后，80℃烘箱烘干，含水率调节至1％。本发明中，适宜的干燥时间为12-48小时，适宜的烘干温度为80-100℃，适宜的含水率为1-5％。

最后，经马弗炉高温煅烧，冷却后制成底泥砖。

在马弗炉中的高温煅烧条件是：200℃保温1h，450℃保温1h，600℃保温1h，800℃保温1h，950℃保温1h，950℃煅烧1h，1010℃煅烧10min的升温程序下进行。具体实施中，马弗炉的逐渐升温程序可以根据各组成成分的实际情况（例如，内燃性物质-植物秸秆所需热能减少）进行优化。

利用以上制备方法得到的底泥砖抗压强度大于15MPa,本发明底泥砖试样外观质量、泛霜、石灰爆裂、冻融性能均符合国家标准《烧结普通砖》（GB5101-2003）中一等平要求。制备得到的底泥砖外形为直角六面体，其长240mm、宽115mm、高53mm。

实施例2 底泥砖的重金属浸出测定

将按实施例1方法制备得到的本发明底泥砖用在建筑材料铺路，经过雨水冲刷浸泡不会溶出重金属等有害物，不会造成水体污染，不会危害人类健康。实验结果如表1，表明本发明底泥砖的重金属浸出率在规定限值内。

本实施例中，采用两种不同浸提液翻转震荡浸提，分别是硫酸与硝酸按体积比3：2制得的pH=3.2的溶液和pH=4.93的醋酸缓冲溶液（参照标准HJT299-2007和标准HJT300-2007）。由表1可见，本发明底泥砖的重金属浸出浓度均未超过GB5085.3-2007中浸出毒性鉴别标准值。

实施例3　底泥砖浸出液的毒性分析

用充分曝气的蒸馏水按1:4固液比震荡提取，将热带爪蟾胚胎暴露于本发明底泥砖及原料底泥的提取液中48h,观测其发育状况，（如图1所示的样品编号S-1到S-9为在本发明所给配比范围内所值得砖样品，样品编号S-10为原料底泥），实验结果表明的曝露于原料底泥提取液的胚胎畸形率明显高于曝露于本发明砖样，暴露于原料底泥的提取液的胚胎畸形率高达90%，而暴露于本发明底泥砖的胚胎畸形率低于20%。可见，通过本发明资源化利用底泥，大大降低了底泥的生物毒性。本发明底泥砖的生物毒性低，达到并超过行业标准，不会造成对环境的危害。

实施例4 抗压强度的测定

对按实施例1方法制得的底泥砖进行抗压强度测定，图2a为制得的底泥砖，图2b 为按照国标方法砌成的制样。实验结果表明，本发明底泥砖的抗压强度平均值为19MPa。达到MU15砖标准。抗压强度测定方法是依照GB/T2542-2003砌墙砖试验方法中的抗压强度测定方法。

实施例5  孔隙结构及烧结过程底泥砖中的矿物晶格变化

图3a、图3b、图3c为不同放大倍数下底泥砖碎块断面的扫描图。图3a所示，在放大倍数为500倍下观察发现底泥砖断面均匀密实，分布着很多不规则网状连通孔道，且这些内部的孔道与底泥砖表面相通。如图3b所示，将样品放大至1000倍，可见底泥砖原料颗粒在高温下烧结到一起，由于底泥中有机物的燃烧，植物秸杆的燃烧产生气体的外逸及废玻璃粉颗粒在高温状态下的体积收缩，导致底泥砖坯中形成大小不一，形状各异的孔隙。如图3c所示，将样品放大至5000倍，可见底泥砖原料在焙烧过程中经过复杂的物理、化学以及矿物学变化形成了新的晶相，从图中部分熔融物中可以看出。                                                          

实施例6 底泥砖对水中污染物的去除效果。

使用如图4所示的底泥砖净化水中污染物的装置，所用水取自上海市普陀区桃浦路工业河黑臭河水。图5所示为净化过程水中总磷、氨氮及CODcr浓度随时间变化曲线图，实验结果表明在净化过程中，本发明底泥砖对水中氨氮的去除效果最高达到95.8%，总磷的去除效果达到60%，化学需氧量CODcr的去除效果达到50%。应为本发明底泥砖中添加钢渣微粉和植物秸秆的纤维状炭化或灰化产物及其产生的孔隙对水中氮、磷等污染物能够起到净化作用。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (8)

1.一种底泥砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）以河道底泥为原料，经脱水干燥粉碎后，将所述河道底泥、植物秸秆、废玻璃粉、粘结剂按比例70-90：0.1-3：5-15：0.1-10混合，添加钢渣混合均匀，钢渣用量为前述混合组分总重量的5%；加水使含水率调节至20-40%，搅拌均匀捶打均质化，用制砖模具加压压制成型；

（2）自然条件下干燥12-48小时后，于80-100℃烘箱烘干，使其含水率调节至1-5％；

（3）经马弗炉高温煅烧，冷却后制成所述底泥砖。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述河道底泥是受污染河道底层硬质泥层以上的表层底泥和浅层底泥；其含水率为40-60%。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述植物秸秆是纤维长度为0.65－2.17mm，宽度为21－28μm的甘蔗渣。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述废玻璃粉是将废玻璃渣粉碎后制成的50-100目玻璃纤维。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂是水玻璃。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢渣的微粉粒径为0.4um。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温煅烧是在200℃保温1h，450℃保温1h，600℃保温1h，800℃保温1h，950℃保温1h，950℃煅烧1h，1010℃煅烧10min的升温程序下进行。

8.一种如权利要求1所述方法制备的底泥砖，其特征在于，所述底泥砖的抗压强度大于15MPa。

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