CN105130391A - 利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结轻质陶粒的方法，包括有以下步骤：1)按照以下组分及含量取料，重量百分比计：湖泊底泥50％-60％，城市污泥38％-48％，碳酸氢钠0.8％-1.2％，氧化铁1％-2％；2)将各组分混合均匀后采用压制成型法在成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa-12Mpa，成型后在空气气氛中干燥，放入干燥烘箱中烘干，然后将试样放入蒸压釜中在≥0.8Mpa压力氛围下进行蒸压养护，最后将经蒸压处理过的试样放入微波烧结炉中，烧结即可。本发明中原材料体系的固体废弃物利用率较高，综合固体废弃物利用率可以达到97％以上，具有良好的社会经济效益。

Description

利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法

技术领域

本发明属于建筑材料类，提供一种利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结轻质陶粒的方法。

背景技术

近年来，随着我国建筑水平的整体发展和社会节能意识的增强，轻骨料混凝土由于轻质、高强和保温隔热等性能优异得到的越来越多的关注，并且得到了大面积的推广应用。陶粒混凝土是轻骨料混凝土施工应用的主要类型，而作为陶粒混凝土中主要集料，研制生产出不同种类、不同级配且性能优良陶粒不仅决定了陶粒混凝土的性能水平，更在一定程度上影响到了整个轻骨料混凝土行业。

在我国，尤其是江南地区，由于地势平坦且常年雨水充足，形成了众多河湖，使我们获益颇丰的同时也带来了一定的难点。据统计，我国大约90％的城市的河湖水体受到了严重污染，每年抛入海洋的淤泥量接近2亿m³，其中仅珠江三角洲地区每年产生的疏浚淤泥量就达8000万m³，河道、湖泊底泥的清理处理已成为一项艰巨的任务。除此之外，城市污泥处理量随着这些年来城市建设的发展也是节节攀升，据估计，到2020年，我国的城市污泥排放量(干重)将达到6000万吨。如何高效合理的利用这些废弃物，实现废物的合理化资源化利用，已经成为目前的当务之急。

另一方面，我国陶粒行业目前的烧结方式还一直还停留在普通回转窑烧结阶段，这也在一定程度上限制了陶粒性能的突破。近些年来，在材料烧结领域微波烧结由于其烧结能耗低，相比传统烧结能耗节能80％左右；烧结时间短，仅为传统烧结时长的十分之一左右；烧结温度低且烧结效率高等一系列优点而逐步得到了推广应用。因而将微波烧结与陶粒生产过程相结合，必将得到更好的经济技术效果。

如何高效的利用城市污泥、湖泊底泥这类固体废弃物制备高强轻质陶粒，研究现有的文献，已经有了一定量的报道，但在应用微波烧结的研究方面，则鲜有这方面的研究，已有关于微波烧结的研究也主要集中微波烧结陶瓷上。综合已有的文献资料，主要包括以下内容：

1、关于利用城市污泥、湖泊底泥烧结制备陶粒：在现有的研究中，主要是把污泥或湖泊底泥作为掺合料加入到页岩或黏土为主要原料的原材料体系中，且掺入量不高，这不但造成了土地资源的浪费而且固废利用效率不高。而少有的高掺量利用污泥、湖泊底泥的分析研究中，结果出现产品性能不稳定，实际应用性不强等缺点。因而如何高效的利用城市污泥和湖泊底泥制备烧结陶粒一直是研究突破的重点方向。

2、关于陶粒成孔的问题：在现有的研究资料中，常规做法是调节烧结温度和烧结保温时间，或在原料体系中加入一定的造孔剂来实现，但陶粒的烧胀与烧结温度、烧结保温时间、生料中造孔剂的气体释放过程以及液相粘度等有一定关联性，只能在合适的烧结温度制度下，配置合适的原料配比才能获得较好的烧胀陶粒。因而在陶粒烧胀问题上也需进行更深入的研究。

3、关于微波烧结方面，现有的微波烧结绝大多数应用在陶瓷烧结上，主要集中于利用微波烧结氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、功能陶瓷、电子陶瓷、光学陶瓷和生物陶瓷等，探究不同原料成分、不同烧结制度下利用微波烧结出陶瓷的性能。但在关于微波烧结陶粒方面，现有的研究资料鲜有提及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有提出一种利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，解决了利用高掺量湖泊底泥和城市淤泥，并利用蒸压和微波烧结方法制备性能优良的陶粒的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，包括有以下步骤：

1)按照以下组分及含量取料，重量百分比计：湖泊底泥50％-60％，城市污泥38％-48％，碳酸氢钠0.8％-1.2％，氧化铁1％-2％；

2)将各组分混合均匀后采用压制成型法在成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa-12Mpa，成型后在空气气氛中干燥，放入干燥烘箱中烘干，然后将试样放入蒸压釜中在≥0.8Mpa压力氛围下进行蒸压养护，最后将经蒸压处理过的试样放入微波烧结炉中，烧结即可。

按上述方案，所述的湖泊底泥为经过自然晾晒、烘干工艺处理至恒重状态，然后球磨至粒径为≤0.1mm；所述的污泥为污水处理厂处理过的脱水污泥，再加入占其质量0.3％的微生物发酵剂密封发酵7d。

按上述方案，碳酸氢钠为市售分析纯无水碳酸氢钠，纯度≥99.0％；氧化铁为市售三氧化二铁，纯度≥99.0％。

按上述方案，所述的干燥时间为12h，烘箱中的烘干温度为100℃±5℃，烘干时间为5h。

按上述方案，所述的蒸压养护温度为180℃-200℃，升压时间1.5h-2h，稳压时间2h-3h，卸压1.5h-2h。

按上述方案，烧结制度为以6KW的微波功率升温至550℃-600℃，在该温度制度下保温10min-20min，最后再以9-12KW的微波功率升温至1150℃-1175℃，保温时间为10min-20min后缓慢降温即可。

采用上述原材料和方法制备性能良好的陶粒的技术原理主要如下：

1、关于微波烧结轻质陶粒的原料要求：首先，无论是陶粒生料球或是烧成试样，其性能较大程度上都决定于陶粒原材料配比。其中陶粒生料球的性能要求主要是指原料的塑性要求，塑性是指泥料在外力作用下的连续变形的能力。原料的塑性取决于原料当中粘土矿物的含量，而绝大部分的淤泥属于粘土类原料，主要是由石英、黏土类矿物、长石类矿物组成，另外含有少量的硫酸盐、碳酸盐和有机物。因而淤泥一般具有较好的塑性，另外本次发明的原料体系中引入的污泥为脱水湿基污泥，其物料本身颗粒粒径较小，毛细管半径较小，毛细管张力就较大，能够提高一定的塑性。且污泥中还含有较多的有机物，其易形成粘稠的高分子化合物并以丝絮的形式缠绕包裹在固体颗粒的表面，从而增强原料体系的塑性。其次是原料的化学成分控制问题，由于城市污泥其化学成分较复杂，易受外界各种影响因素的影响，从而易造成原料体系的化学成分不稳定，不能稳定提供烧结陶粒所需一定量的化学成分SiO₂和Al₂O₃，而SiO₂和Al₂O₃可在高温下形成熔融态矿物，这是提供烧结陶粒强度的物质基础。因此，在本次发明原材料体系中，引入的湿基污泥质量占比并不高，除去其中自由水和结合水的质量比，剩余干基污泥约为9％-15％，因而对原料体系的成分影响并不大。而淤泥从化学成分上看其主要成分为SiO₂(约40％-70％)、Al₂O₃(约10％-20％)、Fe₂O₃(约5％左右)、CaO、MgO和一定量的烧失有机物，与黏土类似，因而可以稳定提供烧结液相所需的化学成分。除此之外，本次发明的原材料体系中，引入微量的碳酸氢钠，主要作用是作为造孔剂和助熔剂使用，碳酸氢钠在温度大于50℃会缓慢分解为碳酸钠、二氧化碳和水，二氧化碳和水蒸气都可以作为造孔气体，而碳酸钠熔点为851℃，分解温度为744℃，高温状态下仍可以分解，生成氧化钠和二氧化碳，氧化钠做为一价碱金属氧化物具有较好的助熔作用，生成的二氧化碳在高温状态下膨胀扩大孔隙。原料体系中还引入了一定量的氧化铁，这是由于微波烧结是一种选择性烧结方式，而该原料体系中污泥与淤泥介电损耗较小，产生的耗散功率较低，因而利用微波加热的热效应不好，故在原料中加入氧化铁是为了利用微波烧结的选择性特点，更好的吸收微波能量，从而实现稳定的烧结扩散性能。

2、关于陶粒孔隙的要求：常规高温烧结陶粒需要俩个条件，其一是坯体能够熔化生成一定粘度的液相，其二是坯体内部能够生成足够的气体在粘度合适的液相包裹下产生膨胀。但本次发明由于采用微波烧结方式，其烧结原理不同于传统的高温烧结方式。微波烧结是指利用微波电磁场中某些材料的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现烧结过程。利用材料本身吸收微波转化成材料内部的能量，由于内部能量的增加，降低了烧结所需的活化能，从而可以实现低温快速烧结。故与传统的高温烧结相比，其较难生成粘度合适的液相对内部气体进行包裹。因而微波烧结陶粒的条件有所不同：其一是能够生成密实度较高的孔壁结构；其二是内部有足够多的造孔组分能够生成大量的微孔结构。针对条件一，本发明先将陶粒进行蒸压加热处理，由于所选原料为湖泊底泥和湿基污泥，在高温高压下坯体内部的某些有机物质会发生复杂的物理化学反应生成一定量的气体，且原料内部加入了一定量的碳酸氢钠，在50℃以上开始逐渐分解生成碳酸钠、二氧化碳和水。由于试样处于高温高压状态下，在内部高温生成气体与外界高压环境共同作用下，使得坯体内部孔壁密实度更高。其次由于微波烧结过程中材料坯体内外可以实现均匀加热，从而消除了常温烧结时试样内部所存在的温度梯度，也就消除了试样由于温度梯度的存在产生开裂或在内部形成热应力，实现了内部固体颗粒的均匀性和致密性。针对条件二，由于本次发明中所采用的原材料为湖泊底泥和湿基污泥，这俩种材料中含有较多的有机类杂质，能够在一定温度下高温燃烧分解产生气体，且本次发明中还引入了碳酸氢钠，一方面碳酸氢钠在高温情况下会熔融分解产生水蒸气和CO₂气体，另一方面是作为助熔剂加入。除此之外，坯体内部气体来源还有较少自由水和结合水的蒸发以及原料中某些盐类的分解，因而在孔壁结构足够密实的情况下，原料体系能够为坯体内部提供足够的微孔结构生成条件。

3、关于加热条件的要求：本次发明中加热条件设定为将试样放入蒸压釜中在≥0.8Mpa压力氛围下进行蒸压养护，养护温度为180℃-200℃，升压时间1.5h-2h，稳压时间2h-3h，卸压1.5h-2h。这是由于微波烧结本身一种致密化的烧结过程，这在一定程度上限制了内部孔结构的发展，因而可以提前在蒸压条件下创造出足够多的孔隙。且由于本次原料体系采用的是干化湖泊底泥和湿基污泥，俩者混合均匀成型后虽经烘干，但内部仍然含有一定量的水分，在该条件下保温稳压2h其一方面是为了让内部物质有一定的时间生成足够多的孔隙，另一方面是为防止内部水分的过快蒸发而破坏了原有固体颗粒间的相互作用力而形成裂纹等缺陷，最终破坏了孔壁的致密性。最后进行微波烧结以6KW的微波功率升至550℃-600℃，在该温度制度下保温10min-20min，这是由于湖泊底泥和脱水城市污泥中都含有较多的有机杂质，其在该温度左右会产生一定量的气体，如若升温速度过快会在成陶粒坯体出现裂纹甚至爆裂。最后再以9KW的微波功率升温至1150℃-1175℃，保温时间为10min-20min后缓慢降温，这是由于在最终加热阶段，提升加热功率，提升加热速度能够改善陶粒孔壁致密，并且如若加热时间越长，其内部的微孔就越容易结合生成连通宏孔，从而会破坏了陶粒内部良好的微观结构。故而最终确定该温度制度。

采用上述原材料和方法制备微波烧结轻质陶粒，具有良好的技术经济效果，具体表现为本次发明中原材料体系的固体废弃物利用率较高，综合固体废弃物利用率可以达到97％以上，具有良好的社会经济效益；其次选择微波烧结相比于传统的加热方式，能够节省烧结能耗80％左右，节能经济效果明显；再次，由于采用的是微波烧结方式，因而烧结效率更高，物料内部各种物质反应更加完全，生成的有害气体更少，从而带来的环保经济效益更好。综上所述，微波烧结陶粒具有良好的经济技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例1所得产物微观扫描图；

图2为本发明实施例2所得产物微观扫描图；

图3为本发明实施例3所得产物微观扫描图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本申请之发明，但实施例不应视作对本发明权利的限定。

本发明所述的湖泊底泥为经过自然晾晒、烘干工艺处理至恒重状态，然后球磨至粒径为≤0.1mm；所述的污泥为污水处理厂处理过的脱水污泥，再加入占其质量0.3％的微生物发酵剂密封发酵7d，碳酸氢钠为市售分析纯无水碳酸氢钠，纯度≥99.0％；氧化铁为市售三氧化二铁，纯度≥99.0％。

实施例1：

一种利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结轻质陶粒的方法，所采用的原材料为：湖泊底泥、城市污泥(湿基)、碳酸氢钠、氧化铁。各原材料的配比为：湖泊底泥50％，城市污泥为48％，碳酸钠1％，氧化铁1％。制备过程为：将各种原材料按照要求预处理后分别计量，按照比例混合均匀后采用压制成型法在相应的成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa，成型后在空气气氛中干燥12h，放入干燥烘箱中设定温度为100℃，在该条件下烘干24h。最后将试样放入蒸压釜中在0.8Mpa压力氛围下进行蒸压养护，养护温度为180℃，升压时间2h，稳压时间2h，卸压1.5h至常温，再用微波烧结炉以6KW的微波功率升至550℃，在该温度制度下保温10min，最后再以12KW的微波功率升温至1150℃，保温时间为10min后缓慢降温即可。所得到的陶粒堆积密度为685.2kg/m³，体积密度为1480kg/m³，吸水率为27.41％，筒压强度为2.8Mpa。微观测试图如图1所示。

实施例2：

一种利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结轻质陶粒的方法，所采用的原材料为：湖泊底泥、城市污泥(湿基)、碳酸氢钠、氧化铁。各原材料的配比为：湖泊底泥60％，城市污泥为38％，碳酸氢钠1％，氧化铁1％。制备过程为：将各种原材料按照要求预处理后分别计量，按照比例混合均匀后采用压制成型法在相应的成球模具中压制成型，成型压力为12Mpa，成型后在空气气氛中干燥12h，放入干燥烘箱中设定温度为105℃，在该条件下烘干24h。最后将试样放入蒸压釜中在1Mpa压力氛围下进行蒸压养护，养护温度为200℃，升压时间2h，稳压时间2h，卸压1.5h至常温，再用微波烧结炉以6KW的微波功率升至600℃，在该温度制度下保温10min，最后再以9KW的微波功率升温至1165℃，保温时间为15min后缓慢降温即可。所得到的陶粒堆积密度为656.4kg/m³，体积密度为1328.3kg/m³，吸水率为25.7％，筒压强度为3.1Mpa。微观测试图如图2所示。

实施例3：

一种利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结轻质陶粒的方法，所采用的原材料为：湖泊底泥、城市污泥(湿基)、碳酸氢钠、氧化铁。各原材料的配比为：湖泊底泥55％，城市污泥为42.8％，碳酸氢钠1.2％，氧化铁2％。制备过程为：将各种原材料按照要求预处理后分别计量，按照比例混合均匀后采用压制成型法在相应的成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa-12Mpa，成型后在空气气氛中干燥12h，放入干燥烘箱中设定温度为100℃，在该条件下烘干24h。最后将试样放入蒸压釜中在1Mpa压力氛围下进行蒸压养护，养护温度为180℃，升压时间2h，稳压时间2h，卸压1.5h至常温，再用微波烧结炉以6KW的微波功率升至600℃，在该温度制度下保温10min，最后再以12KW的微波功率升温至1175℃，保温时间为20min后缓慢降温即可。所得到的陶粒堆积密度为632.4kg/m³，体积密度为1288.7kg/m³，吸水率为23,1％，筒压强度为3.2Mpa。微观测试图如图3所示。

Claims (6)

1.利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，包括有以下步骤：

1)按照以下组分及含量取料，重量百分比计：湖泊底泥50％-60％，城市污泥38％-48％，碳酸氢钠0.8％-1.2％，氧化铁1％-2％；

2)将各组分混合均匀后采用压制成型法在成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa-12Mpa，成型后在空气气氛中干燥，放入干燥烘箱中烘干，然后将试样放入蒸压釜中在≥0.8Mpa压力氛围下进行蒸压养护，最后将经蒸压处理过的试样放入微波烧结炉中，烧结即可。

2.根据权利要求1所述的利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，其特征在于所述的湖泊底泥为经过自然晾晒、烘干工艺处理至恒重状态，然后球磨至粒径为≤0.1mm；所述的污泥为污水处理厂处理过的脱水污泥，再加入占其质量0.3％的微生物发酵剂密封发酵7d。

3.根据权利要求1所述的利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，其特征在于碳酸氢钠为市售分析纯无水碳酸氢钠，纯度≥99.0％；氧化铁为市售三氧化二铁，纯度≥99.0％。

4.根据权利要求1所述的利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，其特征在于所述的干燥时间为12h，烘箱中的烘干温度为100℃±5℃，烘干时间为5h。

5.根据权利要求1所述的利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，其特征在于所述的蒸压养护温度为180℃-200℃，升压时间1.5h-2h，稳压时间2h-3h，卸压1.5h-2h。

6.根据权利要求1所述的利用湖泊底泥和城市污泥微波烧结制备轻质陶粒的方法，其特征在于烧结制度为以6KW的微波功率升温至550℃-600℃，在该温度制度下保温10min-20min，最后再以9-12KW的微波功率升温至1150℃-1175℃，保温时间为10min-20min后缓慢降温即可。