CN105315007A

CN105315007A - 一种利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法

Info

Publication number: CN105315007A
Application number: CN201510890171.0A
Authority: CN
Inventors: 舒新前; 王泽南; 舒元锋; 董玲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-02-10

Abstract

本发明公开了一种主要利用煤矸石，配合使用市政污泥、河湖淤泥和底泥等大宗型固体废弃物，通过原料准备、配料、混合与成型、干燥、煅烧、冷却、养护、检验等过程，制备轻质多孔材料的工艺技术。制得的轻质多孔材料具有强度较高、容重较小、孔隙度较高等特点，可以作为轻型建筑材料或者吸附过滤材料。

Description

一种利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法

技术领域

本发明涉及一种主要利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法，属于矿山固体废弃物处理与资源化利用领域。

背景技术

轻质多孔材料由于在结构、缓冲、减震、保温、隔热、消音和过滤等方面的优异性能，而受到越来越广泛的重视，发挥着越来越重要的作用，越来越多的应用于日常生活、航空航天、电子信息、石油化工、建筑材料、钢铁冶金、环境保护、太阳能、原子能、光化学、电化学、催化、农业、医学、声学等领域。

制备多孔材料的原料也越来越多样化，不仅广泛利用金属材料，也普遍利用无机非金属材料以及复合材料。利用金属材料制备的多孔功能性材料如粉末冶金法制备的泡沫金属吸声材料、泡沫铝材料等，已经越来越得到广泛的应用；利用无机非金属材料制备的多孔材料，如功能性过滤材料、耐腐蚀材料、除尘材料、抗菌材料、催化材料等多种功能性材料，普遍应用于节能环保、建筑材料、化工冶金、能源等众多部门。

专利[0012331.4]公开了一种新型微孔陶瓷过滤元件，是由硅藻土、煅烧硅藻土助剂、其他无机多孔材料等，加入有机和无机黏合剂，经过搅拌、成型、干燥、煅烧制成。煅烧温度为950～1200℃，煅烧时间为30～50min。该微孔材料可以安装在过滤机械上进行工业过滤，特别是过滤固体杂质含量较少的滤液。具有制备成本较低、过滤效果良好、使用寿命较长等特点。专利[02153293.1]公开了一种多孔无机材料及其制备方法，该材料由MgCl₂溶液，依次加入防水剂、磷酸或磷酸盐、水溶性亚铁盐、水杨酸、酒石酸或马来酸、MgO粉、硅质工业废渣，不断搅拌过程中加入起泡剂，然后经过注模、凝固、硬化以及养护制得，该制品具有质轻、坚固、吸音、隔声、保温、绝热、抗碱、防水、防潮、无毒、防火等性能，可广泛应用于建筑、交通、国防和工农业等领域。专利[200710010081.3]公开了一种介-微孔复合材料及其制备方法，是以沸石分子筛为原料，用偏硅酸钠的水溶液在30～60℃下反应10～300min，使沸石分子筛形成具有微孔结构的细颗粒，然后加入模板剂十六烷基三甲基溴化铵，进一步调节母液的pH值至10～12，老化1～8h后，然后加入高压反应釜中于80～130℃的温度下进行水热合成，反应24～72h后，分离出固体，再经过水洗、干燥，进一步在500～600℃的温度下焙烧5～10h，即可制得具有介孔和微孔复合结构的硅铝多孔材料。该材料经过质子交换后，具有一定的酸性，在吸附和催化领域具有广泛的应用前景。专利[01805269.X]公开了一种多孔吸音陶瓷材料及其制备方法，是一种具有连通气孔的多孔陶瓷体吸音材料。由0.50～2.0mm的珍珠岩、飞灰、耐火泥、硅灰石、炉渣、硅石、火山岩石或粘土矿物中的一种以上的烧结物和无机粘合材料烧结而成，该材料具有优良的吸音性能，对于低音区至高音区的宽音域均显示出优良的吸收性能。

从目前的研发情况看，尽管人们已开发出多种功能性多孔材料，而且也有以矿山废弃物或者下脚料为原料制备多孔材料。但是，主要以煤矸石等大宗工业固体废弃物为原料制备多孔功能性材料的报道还较少。因此，本发明公开了主要以煤矸石和污泥为原料制备轻质多孔材料的方法。

发明内容

众所周知，煤矸石是我国排放量最大的固体废弃物，累计堆存量超过50亿吨，占用大量土地，而且经常引起自燃等环境污染事故。目前，煤矸石的主要利用是进行燃烧、发电、制煤矸石砖、充填等。随着煤炭入洗率的逐步提高，尤其是煤炭洗选技术水平的不断进步，煤矸石的发热量有逐渐下降的趋势，许多煤矸石因为发热量较低而难以得到利用。特别是近年来，随着我国经济结构转型升级以及环保问题的逐渐凸现，煤炭使用整体上有所下降。在这种情况下，煤矸石的使用也受到较大影响。为此，急需开发煤矸石利用的新途径，开展煤矸石的有效利用。有鉴于此，本发明进行了煤矸石制备轻质多孔材料技术的开发。主要利用煤矸石，同时配合市政污泥、河湖淤泥和底泥等大宗型固体废弃物，制备轻质多孔材料，作为轻型建筑材料或者吸附过滤材料。

为了实现利用煤矸石等固体废弃物制备轻质材料，本发明采取的技术路线如附图1所示，制备工艺如下：

(1)原料准备

①将煤矸石破碎细磨至0.5mm以下，其中大于0.5mm的颗粒不大于2％，小于0.27mm的颗粒在50％以上。其中，所用的煤矸石以粘土质煤矸石为主，要求灰成分中SiO₂30～65％，Al₂O₃15～35％，CaO5～15％，MgO2～8％，Fe₂O₃2～6％，NaO₂+K₂O≥2％。

②所用的污泥可以是市政污水厂的污泥，也可以是河湖淤泥和底泥等污泥。首先将污泥干燥至水分50％以下，然后破碎细磨至74μm以下。其中，所用的污泥应以粘土质污泥为主，要求灰成分中SiO₂≥35％，Al₂O₃≤30％，CaO≥7％，MgO≥5％，Fe₂O₃≤5％，NaO₂+K₂O≥2％。

③成孔剂采用轻质发泡塑料的废料，主要是聚苯乙烯、聚氯乙烯、苯乙烯等高聚物泡沫塑料的废料。采用剪切破碎等方式，破碎筛分成四个粒级，即：≤0.3mm以下、0.3mm～0.5mm、0.5mm～1mm、≥1mm，备用。

④粘性土选择塑性指数I_p≥5的粘土质土壤，粉砂质含量不应超过10％，土质成分要求SiO₂≥37％，Al₂O₃≤35％，CaO≥5％，MgO≥3％，Fe₂O₃≤3.5％，NaO₂+K₂O≥3％。使用时，将粘性土破碎细磨至74μm以下。

(2)混合与成型

将粉碎细磨的上述原料，按煤矸石与污泥50～85％∶15～50％的重量百分比混合，然后加入重量百分比为1～15％的成孔剂、1～15％的粘性土、以及5～15％的水，充分搅拌混匀后，进入成型机，在1～30MPa的压力下成型，制成具有不同外形的料坯。

(3)干燥

将制得的料坯在不超过200℃的温度下干燥1～5h，至料坯的水分降至8％以下。

(4)煅烧

将干燥的料坯进入煅烧炉，在空气气氛下，按5℃～35℃/min的升温速率升温至1050～1700℃进行煅烧，并保温3～10h。

(5)冷却

将煅烧过的试样快速进入压力≤1kPa、温度低于-25℃的冷却器内冷却1～5h。

(6)养护

将冷却后的试样置于养护反应器中，在常温下于N₂或者CO₂气氛下养护一昼夜，其中N₂或者CO₂流量为1～10ml/g试样。

(7)检验

制得的多孔轻质材料主要通过测定试样的抗压强度、容重、孔隙率等指标进行表征。

附图说明

附图1是本发明一种利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法的工艺流程图。附图2是不同成型压力下试样的抗压强度随成孔剂添加量的变化。

实施例

将粉碎至0.35mm以下的河北峰峰矿区的煤矸石与粉碎细磨至74μm的圆明园昆明湖干燥底泥(水分含量21.56％)按70％∶30％的比例混合，然后加入重量百分比为10％的粘性土和5.5％的水，在0.3～0.5mm聚苯乙烯泡沫塑料成孔剂加入量分别为3％、5％、7％、9％和11％，成型压力分别为6MPa、8MPa、10MPa的条件下挤压制成Ф30mm、厚度为10mm的圆柱状料坯。接着进入电热鼓风干燥箱中，在150℃的温度下鼓风干燥2h。然后置于高温反应炉，按5％/min的速率升温至1590℃，煅烧保温5.5h。

煅烧后的试样快速进入压力为900Pa、温度为-55℃的冷却反应器内冷却5h。取出后置于养护器内，在25℃的温度和N₂气氛下养护24h，得到轻质多孔材料。进一步测得试样的抗压强度为21.8MPa，容重为0.51g/cm³，孔隙率62.19％。

Claims

1.一种利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法，主要包括原料破碎、细磨、筛分、配比、混合与成型、干燥、煅烧、冷却、养护、检验等过程。

2.根据权利要求书1所述的利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法，其特征在于将破碎细磨的煤矸石、污泥、粘性土和成孔剂，按煤矸石与污泥50～85％：15～50％的重量百分比混合，然后加入重量百分比为1～15％的成孔剂、1～15％的粘性土、以及5～20％的水，充分搅拌混匀后，进入成型机，在1～30MPa的压力下，制成具有不同外形的料坯；接着在低于200℃的温度下干燥1～5h，至料坯水分降至8％以下；然后在空气气氛下煅烧，按5℃～35℃/min的升温速率升温至1050～1700℃并保温3～10h；进一步将煅烧试样快速进入压力≤1kPa、温度为-25℃以下的冷却器内冷却1～5h；进而在室温下，于N₂或者CO₂气氛下养护一昼夜，其中N₂或CO₂的流量为1～10ml/g试样。

3.根据权利要求书1所述的利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法，其特征在于煤矸石破碎细磨至0.5mm以下，其中＞0.5mm的颗粒≤2％，＜0.27mm的颗粒＞50％。所用的煤矸石要求是粘土质煤矸石，灰成分中SiO₂30～65％，Al₂O₃15～35％，CaO5～15％，MgO2～8％，Fe₂O₃2～6％，NaO₂+K₂O≥2％。

4.根据权利要求书1所述的利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法，其特征在于所用的污泥包括市政污泥、河湖底泥和淤泥，使用时将污泥干燥至水分50％以下，然后破碎细磨至74μm以下。所用的污泥应以粘土质污泥为主，要求灰成分中SiO₂≥35％，Al₂O₃≤30％，CaO≥7％，MgO≥5％，Fe₂O₃≤5％，NaO₂+K₂O≥2％。

5.根据权利要求书1所述的利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法，其特征在于所用的成孔剂为轻质发泡塑料的废料，采用剪切破碎等方式，破碎筛分成四个粒级，即：≤0.3mm、0.3mm～0.5mm、0.5mm～1mm、≥1mm备用。

6.根据权利要求书1所述的利用煤矸石制备轻质多孔材料的方法，其特征在于所用的粘性土是指塑性指数Ip≥5的粘土质土壤，粉砂质不得超过10％，粒度74μm以下。土质成分要求SiO₂≥37％，Al₂O₃≤35％，CaO≥5％，MgO≥3％，Fe₂O₃≤3.5％，NaO₂+K₂O≥3％。