CN105236874B - 一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒、制备方法及其应用 - Google Patents

一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒及其制备方法，该陶粒按照造纸白泥：粉煤灰：木屑：高岭土＝(36‑55)：(24‑53)：(1‑10)：(1‑20)的质量百分比进行混合，按照水固比为0.02‑0.10加水搅拌，经造粒成所需粒径，然后自然养护、烘干，最后进行煅烧得到。该法原料易得，制备工艺简单，生产成本低，产量高，有效地解决了造纸白泥的资源化再利用问题，且所制陶粒具有供碱、释钙、多孔的特征，能够持续高效吸附除磷、除铜，适用于市政污水和工业废水的处理系统。

Description

一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种具有供碱释钙能力并对水体的磷酸盐和铜离子有化学吸附作用的多功能陶粒及其制备方法，属于无机固体废弃物资源化利用和环境工程水处理的技术领域。
背景技术
造纸厂在碱回收过程中经苛化反应会产生大量的副产物——造纸白泥。其成分以碳酸钙CaCO3为主，伴随少量氢氧化钙Ca(OH)2和未消解的石灰CaO，以及由于原材料不同而引入的微量钾、钠、硅、铁、锰等矿物元素，含水率高，pH值在9.7-13.5，因此被归为有毒工业废弃物。据估计，1吨的纸浆大约可以产生0.5吨的造纸白泥。2011年，中国的造纸白泥产量就达到了1000万吨，并且随着纸业需求的不断增长，该产量还在不断增加中。国外造纸以木浆为主，而我国则以非木浆(稻草、麦草、龙须草、芦苇等为原料)为主。非木浆造纸得到的造纸白泥中杂质硅(以SiO2形式存在)含量高，当将其煅烧成石灰在碱回收过程的苛化反应中循环使用时，硅会与碱金属氧化物形成水玻璃物质，造成物料胶粘、设备腐蚀、管道堵塞等问题。因此，我国的非木浆造纸白泥大多被随地堆放或填埋处理，造成严重的环境污染和资源浪费。
农业废水、工业废水以及城市生活污水是水体中磷的主要来源。典型的富营养化水体中总磷含量为0.02-0.5mg/L(以磷计)；典型的生活污水中总磷含量在3-15mg/L(以磷计)。在碱性水中(pH＝9.6-10.8)，以CaHPO4为主体的磷酸盐是最活跃的组分。根据磷酸根离子化学性质，在碱性氛围和提供足够钙离子浓度的条件下可以实现陶粒的高效吸附除磷。铜锌矿的开采和冶炼、金属加工、机械制造、钢铁生产等都会引起铜污染。典型的铜矿山废水中铜含量在100mg/L左右(以Cu2+计)；典型的微蚀工序产生的废水中铜含量为100-1000mg/L(以Cu2+计)。当铜含量达0.1mg/L时，水中的生化耗氧过程明显受到抑制；当铜含量为0.1-0.2mg/L时，鱼类即可死亡。中和沉淀法是处理含磷或含铜离子废水最普遍、最简单的方法之一，它通过投加碱性药剂将废水的pH值调整至使磷酸根、铜离子具有最小溶解度的范围，使其沉淀下来，但是该方法产生的污泥会带来二次污染问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有供碱释钙和吸附截留能力的多功能陶粒及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒，所述的多功能陶粒是以钙长石和钙铝黄长石为主要矿物相，以硅灰石为次要矿物相的多孔复相陶瓷，其中，活性氧化钙质量含量在0.6％以内。
上述多功能陶粒的具体制备步骤是：
第一步，将木屑和高岭土分别粉磨成粒径在100目以上的粉体；
第二步，按照造纸白泥：粉煤灰：木屑：高岭土＝(36-55)：(24-53)：(1-10)：(1-20)的质量百分比进行称重，先将造纸白泥放入搅拌机中搅拌均匀，然后加入剩余原料按水固比为0.02-0.10加水搅拌至均匀；
第三步，将制备的混合物造粒制成料球；
第四步，将料球在室温下进行自然养护；
第五步，将自然养护后的料球进行干燥，先于55±5℃下干燥1-2小时，然后再于75±5℃下干燥1-2小时，最后于105±5℃下干燥10-12小时；
第六步，将干燥后的料球进行煅烧，煅烧温度为950-1100℃，升温速率是先以10℃/min从室温升到750-850℃，保温30-60分钟，然后以5℃/min继续升至950-1100℃，保温0.5-2小时后随炉冷却得到多功能陶粒。
第二步中，造纸白泥中总的CaO质量含量在44-52％范围内。
第三步中，造粒的粒径控制在0.5-20mm内。
第四步中，自然养护的时间不少于24小时。
一种供碱释钙能力的多功能陶粒在处理含磷或含铜离子废水中应用。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明以工业废弃物造纸白泥为原料生产附加值高的环保产品，掺量大，利用率高，解决了造纸白泥带来的污染问题；(2)本发明原料价格低廉，制备工艺简单，生产设备成熟，运行成本低，适合大规模推广应用；(3)本发明制备出的陶粒具有释放Ca2+和OH-的能力，使水体达到碱性氛围并可控，避免了碱性药剂直接投放带来的出水pH值超标、二次污泥污染等问题；(4)本发明制备出的陶粒除磷效果好，出水水质可达城镇污水处理厂综合排放一级A标准，适用于市政污水、工业废水的除磷系统；(5)本发明制备出的陶粒除铜效果好、速度快，出水水质达到污水综合排放标准中的三级标准，适合工业废水的除铜系统。
附图说明
图1是利用造纸白泥制备具有供碱释钙能力的多功能陶粒的工艺流程图。
图2是利用造纸白泥制备的具有供碱释钙能力的多功能陶粒的XRD图谱。
图3是利用造纸白泥制备的具有供碱释钙能力的多功能陶粒的光学显微镜照片(放大150倍)。
具体实施方式
下面结合实例进一步说明本发明的制备和应用过程。
本发明的原理是：(1)陶粒多孔性的获得。800℃左右造纸白泥中的碳酸钙受热分解，见式(a)，产生大量的CO2气体并不断逸出，在陶粒内部形成5-15μm范围的连通孔隙，原料中的有机物木屑在煅烧过程中燃尽则使陶粒中形成100-200μm范围的大孔，陶粒中的孔径呈双峰分布。(2)陶粒的低温煅烧机制。造纸白泥、粉煤灰等原料的混合物属于CaO-Al2O3-SiO2体系，经过950-1100℃的煅烧，可形成钙长石(CaAl2Si2O8)、钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7)、硅灰石(CaSiO3)等矿物相，具体固相反应过程见式(b)-(d)。首先，粉煤灰等原料中的莫来石(Al6Si2O13)、石英(SiO2)与造纸白泥受热分解得到的活性氧化钙CaO反应，生成钙铝黄长石，见式(b)。钙铝黄长石继续结合莫来石、石英，生成钙长石，见式(c)。若提高原料中造纸白泥含量，分解得到的活性氧化钙含量增加，陶粒中可反应得到更多的钙铝黄长石和硅灰石，见式(d)。造纸白泥属于化学沉积碳酸钙，颗粒细小(中位径D50＝17.58μm)，且其含有Si、Na等杂质，使得造纸白泥在陶粒中的分解温度降低(780℃左右)，矿物相合成的固相反应在1100℃前即可完成。(3)陶粒的供碱释钙性能。由于低温煅烧及Si、Na等元素掺杂使陶粒中生成的钙长石和钙铝黄长石晶体结构产生部分缺陷，获得一定的水解能力，即接触水溶液后，Ca2+和OH-可从陶粒中不断溶出，见式(e)和(f)。本发明的陶粒在与水接触12小时后，可释放145-321mg/L的Ca2+，pH范围保持在9.7-10.9。在碱性氛围下，Ca2+与PO4 3-或者OH-与Cu2+结合形成沉淀并被陶粒吸附截留，见式(g)和(h)，达到良好的除磷除铜效果，同时材料本身环境友好，不会产生二次污染问题。
CaCO3＝CaO+CO2↑ (a)
Al6Si2O13+6CaO+SiO2＝3Ca2Al2SiO7 (b)
3Ca2Al2SiO7+Al6Si2O13+7SiO2＝6CaAl2Si2O8 (c)
Al6Si2O13+(n+6)CaO+(n+1)SiO2＝3Ca2Al2SiO7+nCaSiO3 (d)
CaAl2Si2O8+3H2O＝Ca2++2OH-+Al2[Si2O5][OH]4 (e)
2Ca2Al2SiO7+9H2O＝4Ca2++6OH-+2Al[OH]4 -+Al2[Si2O5][OH]4 (f)
Ca2++HPO4 2-＝CaHPO4 (g)
Cu2++2OH-＝Cu(OH)2 (h)
本发明的原料造纸白泥取自江苏徐州，粉煤灰取自江苏南京，高岭土取自浙江宁波，具体化学成分见表1。造纸白泥总的CaO质量含量为45.18wt％，在44-52％范围内。
表1制备具有供碱释钙能力的多功能陶粒的原料的化学成分含量(wt％)
实施例1：结合图1，本发明一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备与应用为：
将粉磨好的原料按照造纸白泥：粉煤灰：木屑：高岭土＝36：53：10：1的质量百分比进行称重后搅拌，水固比为0.1；将搅拌均匀的混合物放入成球盘中造粒，制成粒径为2-5mm的料球；将料球在室温下放置24小时进行自然养护；将自然养护后的料球放入预热窑中进行干燥；将干燥后的料球放入焙烧窑中进行煅烧，煅烧温度为1100℃，升温速率是先以10℃/min从室温升到800℃，保温1小时后以5℃/min继续升至1100℃，保温0.5小时后随炉冷却。
该陶粒的堆积密度为884kg/m3，表观密度为1.368g/cm3，筒压强度为8.6MPa，24小时吸水率为31％，显气孔率为43％，活性氧化钙含量为0.1％，耐酸度90％，耐碱度99.9％。与水接触12小时后，释放Ca2+浓度为145mg/L，溶液pH值为9.7。在长×宽×高为1000×1000×2000mm的滤池中装填本发明制备的多功能陶粒，填装高度1000mm，采用上向流方式进水，滤池水力停留时间设置为120min。以城市污水为进水水源，进水中总磷平均浓度为3.79mg/L，处理后出水中总磷平均浓度为0.48mg/L，总磷去除率达到87.3％，低于城镇污水处理厂综合排放一级A标准中总磷指标0.5mg/L。以微蚀工序产生的工业废水为进水水源，进水中总铜平均浓度为99.28mg/L(以铜离子计)，处理后出水中铜离子平均浓度为1.96mg/L，铜离子去除率达到98.0％，低于污水综合排放标准中的三级标准的总铜指标2.0mg/L。
实施例2：结合图1，本发明一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备与应用为：
将粉磨好的原料按照造纸白泥：粉煤灰：木屑：高岭土＝42：44：7：7的质量百分比进行称重后搅拌，水固比为0.07；将搅拌均匀的混合物放入成球盘中造粒，制成粒径为2-5mm的料球；将料球在室温下放置24小时进行自然养护；将自然养护后的料球放入预热窑中进行干燥；将干燥后的料球放入焙烧窑中进行煅烧，煅烧温度为1050℃，升温速率是先以10℃/min从室温升到800℃，保温1小时后以5℃/min继续升至1050℃，保温1小时后随炉冷却。
该陶粒的堆积密度为647kg/m3，表观密度为1.271g/cm3，筒压强度为4.5MPa，24小时吸水率为38％，显气孔率为49％，活性氧化钙含量为0.3％，耐酸度88％，耐碱度99.7％。与水接触12小时后，释放Ca2+浓度为239mg/L，溶液pH值为10.2。在长×宽×高为1000×1000×2000mm的滤池中装填本发明制备的多功能陶粒，填装高度1000mm，采用上向流方式进水，滤池水力停留时间设置为120min。以城市污水为进水水源，进水中总磷平均浓度为3.79mg/L，处理后出水中总磷平均浓度为0.31mg/L，总磷去除率达到91.8％，远低于城镇污水处理厂综合排放一级A标准中总磷指标0.5mg/L。以微蚀工序产生的工业废水为进水水源，进水中总铜平均浓度为99.28mg/L(以铜离子计)，处理后出水中铜离子平均浓度为1.91mg/L，铜离子去除率达到98.1％，低于污水综合排放标准中的三级标准的总铜指标2.0mg/L。
实施例3：结合图1，本发明一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备与应用为：
将粉磨好的原料按照造纸白泥：粉煤灰：木屑：高岭土＝48：35：4：13的质量百分比进行称重后搅拌，水固比为0.04；将搅拌均匀的混合物放入成球盘中造粒，制成粒径为2-5mm的料球；将料球在室温下放置24小时进行自然养护；将自然养护后的料球放入预热窑中进行干燥；将干燥后的料球放入焙烧窑中进行煅烧，煅烧温度为1000℃，升温速率是先以10℃/min从室温升到800℃，保温1小时后以5℃/min继续升至1000℃，保温1.5小时后随炉冷却。
该陶粒的堆积密度为594kg/m3，表观密度为1.038g/cm3，筒压强度为2.4MPa，24小时吸水率为47％，显气孔率为57％，活性氧化钙含量为0.5％，耐酸度82％，耐碱度99.0％。如图2所示，该陶粒以钙长石和钙铝黄长石为主要矿物相，硅灰石为次要矿物相。如图3所示，该陶粒内部存在不同尺寸大小的空隙。与水接触12小时后，释放Ca2+浓度为321mg/L，溶液pH值为10.9。在长×宽×高为1000×1000×2000mm的滤池中装填本发明制备的多功能陶粒，填装高度1000mm，采用上向流方式进水，滤池水力停留时间设置为120min。以城市污水为进水水源，进水中总磷平均浓度为3.79mg/L，处理后出水中总磷平均浓度为0.21mg/L，总磷去除率达到94.5％，远低于城镇污水处理厂综合排放一级A标准中总磷指标0.5mg/L。以微蚀工序产生的工业废水为进水水源，进水中总铜平均浓度为99.28mg/L(以铜离子计)，处理后出水中铜离子平均浓度为1.73mg/L，铜离子去除率达到98.3％，低于污水综合排放标准中的三级标准的总铜指标2.0mg/L。
实施例4：结合图1，本发明一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备与应用为：
将粉磨好的原料按照造纸白泥：粉煤灰：木屑：高岭土＝55：24：1：20的质量百分比进行称重后搅拌，水固比为0.02；将搅拌均匀的混合物放入成球盘中造粒，制成粒径为2-5mm的料球；将料球在室温下放置24小时进行自然养护；将自然养护后的料球放入预热窑中进行干燥；将干燥后的料球放入焙烧窑中进行煅烧，煅烧温度为950℃，升温速率是先以10℃/min从室温升到800℃，保温1小时后以5℃/min继续升至950℃，保温2小时后随炉冷却得到多功能陶粒。
该陶粒的堆积密度为623kg/m3，表观密度为1.189g/cm3，筒压强度为3.7MPa，24小时吸水率为41％，显气孔率为53％，活性氧化钙含量为0.6％，耐酸度84％，耐碱度99.3％。与水接触12小时后，释放Ca2+浓度为287mg/L，溶液pH值为10.5。在长×宽×高为1000×1000×2000mm的滤池中装填本发明制备的多功能陶粒，填装高度1000mm，采用上向流方式进水，滤池水力停留时间设置为120min。以城市污水为进水水源，进水中总磷平均浓度为3.79mg/L，处理后出水中总磷平均浓度为0.25mg/L，总磷去除率达到93.4％，远低于城镇污水处理厂综合排放一级A标准中总磷指标0.5mg/L。以微蚀工序产生的工业废水为进水水源，进水中总铜平均浓度为99.28mg/L(以铜离子计)，处理后出水中铜离子平均浓度为1.87mg/L，铜离子去除率达到98.1％，低于污水综合排放标准中的三级标准的总铜指标2.0mg/L。

Claims (6)

1.一种具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将木屑和高岭土分别粉磨成粒径在100目以上的粉体；
第二步，按照造纸白泥：粉煤灰：木屑：高岭土＝(36-55)：(24-53)：(1-10)：(1-20)的质量百分比进行称重，先将造纸白泥放入搅拌机中搅拌均匀，然后加入剩余原料按水固比为0.02-0.10加水搅拌至均匀；
第三步，将制备的混合物造粒制成料球；
第四步，将料球在室温下进行自然养护；
第五步，将自然养护后的料球进行干燥，先于55±5℃下干燥1-2小时，然后再于75±5℃下干燥1-2小时，最后于105±5℃下干燥10-12小时；
第六步，将干燥后的料球进行煅烧，煅烧温度为950-1100℃，升温速率是先以10℃/min从室温升到750-850℃，保温30-60分钟，然后以5℃/min继续升至950-1100℃，保温0.5-2小时后随炉冷却得到多功能陶粒。
2.如权利要求1所述的具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备方法，其特征在于，第二步中，造纸白泥中总的CaO质量含量在44-52％范围内。
3.如权利要求1所述的具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备方法，其特征在于，第三步中，造粒的粒径控制在0.5-20mm内。
4.如权利要求1所述的具有供碱释钙能力的多功能陶粒的制备方法，其特征在于，第四步中，自然养护的时间不少于24小时。
5.如权利要求1-4任一所述的方法制得的多功能陶粒，其特征在于，所述的多功能陶粒是以钙长石和钙铝黄长石为主要矿物相，以硅灰石为次要矿物相的多孔复相陶瓷，其中，活性氧化钙质量含量在0.6％以内。
6.如权利要求5所述的多功能陶粒在处理含磷或含铜离子废水中应用。
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