CN105418042A

CN105418042A - 一种利用造纸污泥灰制备建筑材料的方法

Info

Publication number: CN105418042A
Application number: CN201510788901.6A
Authority: CN
Inventors: 苗嘉俊; 景镇子; 阚文杰; 范俊杰; 章毅
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-03-23

Abstract

本发明涉及一种利用造纸污泥灰制备建筑材料的方法。先将造纸污泥灰球磨并过100目筛，烘干，量取烘干的造纸污泥灰粉末：氧化硅：氧化钙＝65％～90％：0％～10％：0％～25％质量百分比，混合均匀得到混合物，然后加水，水的加入质量是混合物质量的15％，搅拌混合均匀，在25MPa的成型压力下压制成块状样品，脱模，最后，将块状样品放入水热反应釜中，在120℃～240℃下水热反应2h～48h，制得块状建筑材料，经过检测发现其力学性能符合用于非承重砌块墙体的国家建筑材料强度要求，可作为新型建筑材料进行应用。本发明方法制得的建筑材料不仅有较好的力学性能，而且工艺简单、节能环保，实现了对造纸污泥等废物的循环再利用。

Description

一种利用造纸污泥灰制备建筑材料的方法

技术领域

本发明涉及一种利用造纸污泥灰制备建筑材料的方法。属于造纸污泥资源化技术领域。

背景技术

纸制品已经融入人类生产生活的各个层面，纸制品的大量制造必然产生相应的数目庞大的废水，处理这些废水后形成的污泥即被称为造纸污泥。每生产一吨再生纸，就产生含水量约65％的污泥700kg，产量是同等规模市政污水处理厂的5～10倍，含水量高且成分复杂。

造纸污泥属于污泥的一类。早前，其处理方式十分简单，即堆放、填埋或者投海，这些方法严重破坏环境，威胁生态安全。随着各类污泥产量的与日俱增，同时人们对环境问题的关注不断加强，很多国家和地区都加大了对污泥的无害化、资源化利用的投入。目前较为规范的工业处理与利用污泥主要以4个步骤来进行：(1)减量化；(2)稳定化；(3)无害化；(4)资源化。在国外，污泥的最终处置方式主要为资源化且所占比例逐年提高，其方式包括农用、工业发电、生产造纸填料、建筑材料等。而我国造纸污泥的处置以卫生填埋为主，不仅占用大量土地，也是对资源的浪费。目前，我国对造纸污泥无害化处理的专利报道较多，如中国专利《一种造纸污泥资源化处理方法》(公开号CN103102053A)、中国专利《一种造纸污泥环保化处理方法》(公开号CN104211272A)都成功对造纸污泥进行了无害化处理。而造纸污泥具体的资源化问题，在以上的专利中均没有得到解决。虽然，在这个问题上，国内亦提出了一些将之利用在建筑材料中的发明，如中国专利《一种利用造纸污泥制造建筑节能砖的方法》(公开号CN1724451)在成型后进行900～1050℃的烧结、中国专利《造纸污泥制砖工艺方法》(公开号CN102503369A)在成型后进行600-700℃的烧结。总之，现有的高温将造纸污泥制造建筑材料的方法存在能耗大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用水热固化方法将造纸污泥灰制备为建筑材料的方法，由于该方法使用的水热固化所需温度低于300℃，所以更加环保，节能。

为了达到上述目的，本发明采用如下工艺进行：

先将造纸污泥灰球磨并过100目筛，将筛下的造纸污泥灰粉末烘干，量取烘干的造纸污泥灰粉末：氧化硅：氧化钙＝65％～90％：0％～10％：0％～25％质量百分比，混合均匀得到混合物，然后加水，水的加入质量是混合物质量的15％，搅拌混合均匀，在25MPa的成型压力下压制成块状样品，脱模，最后，将块状样品放入水热反应釜中，在120℃～240℃下水热反应2h～48h，制得块状建筑材料，经过检测发现其力学性能符合用于非承重砌块墙体的国家建筑材料强度要求；

上述氧化硅是二氧化硅或石英；

上述氧化钙选自消石灰(氢氧化钙)、石灰石、生石灰、白云石、钙长石中的一种或按任意比例混合的2～5种。

本发明的优点和效果是：

1，由于本发明用水热固化技术将造纸污泥灰制成建筑材料，与现有的高温烧结法制造建筑材料的方法相比，显著降低了制备过程中的能耗，且工艺简单环保。

2，由于本发明采用造纸污泥灰中添加氧化硅和氧化钙，所以水热固化得到的建筑型材具有较好的力学性能，可作为新型建筑材料进行应用。

附图说明

图1为本发明的流程示意图

图2为实施例1中不同Ca(OH)₂添加量的样品的抗折强度

图3为实施例1中不同Ca(OH)₂添加量的样品的XRD图谱

图4为实施例2中不同水热固化温度样品的抗折强度

图5为实施例2中不同水热固化温度样品的XRD图谱

图6为实施例3中不同水热固化时间样品的抗折强度

图7为实施例3中不同水热固化时间样品的XRD图谱

图8为本发明中造纸污泥灰的SEM照片

图9为实施例3中固化9h样品的SEM照片

具体实施方式

请看图1～图9。

实施例1

请看图1。以市售工业级氢氧化钙的添加量为变量，从而观察不同氢氧化钙添加量条件下固化样品的抗折强度变化，并进行分析。首先，将不同质量百分比的氢氧化钙(0％～25％)以及10％二氧化硅分别加入到造纸污泥灰粉末(90％～65％)中，再掺入占其总质量15％的去离子水，在研钵中混合均匀，每次称取一定质量的混合料，在FY-15型台式粉末压片机下单轴压制成型，成型压力25MPa。脱模后的块状样品放入高压反应釜内进行水热固化，水热温度200℃,水热时间9h。固化后的样品(40mm×15mm×6mm)在80℃烘箱中干燥24h，制得该系列的块状建筑材料样品。

对上述样品进行抗折强度测试结果如图2所示，可以看出，当不添加Ca(OH)₂时，固化得到的样品抗折强度很低，不足2MPa(抗压强度约为10MPa)，是符合非承重砌块墙体的强度要求的。随着Ca(OH)₂含量的增加，固化样品的抗折强度逐步提高，且当添加量为20％时，其强度达到最大。当Ca(OH)₂添加量进一步增加时，抗折强度则出现小幅度的下降。而对这些样品进行XRD分析(图3)可知其强度得到提高的主要原因是由于托勃莫来石晶相的生成，且这种改变在Ca(OH)₂添加量为20％时达到最佳。过量的Ca(OH)₂会对样品的强度起到破坏作用。

通过实施例1可知，氢氧化钙的添加量在20％时，煅烧造纸污泥的水热固化强度最好。

实施例2

该实施例2以水热固化温度为变量，从而观察不同水热固化温度条件对固化样品的抗折强度的影响，并进行分析。首先，将质量分数为20％氢氧化钙以及10％二氧化硅分别加入到煅烧造纸污泥粉末60％，再掺入占其总质量15％的去离子水，在研钵中混合均匀，每次称取一定质量的混合料，在FY-15型台式粉末压片机下单轴压制成型，成型压力25MPa。脱模后的样品放入高压反应釜内进行水热固化，在不同的水热固化温度条件下(25℃～240℃)进行水热固化,水热时间9h。固化后的样品(40mm×15mm×6mm)在80℃烘箱中干燥24h，制得该系列的样品。

在图4所示的抗折强度变化中可以看到，在常温下进行水热固化时其抗折强度为2MPa左右，随着固化温度由80℃提升至160℃的过程中，样品的抗折强度逐步增强，当固化温度为200℃时达到最高。当进一步提高温度时，抗折强度又有所下降。

结合XRD分析(图5)可知，在常温下，固化样品中物相为原料物相和羟钙石，即添加的氢氧化钙和二氧化硅未与原料进行反应。随着温度的升高，羟钙石、石英衍射峰强度减弱，而当固化温度达到200℃时，样品中生成了托勃莫来石，这些尖针状的晶体相互交织，使样品中的空隙得到填充，变得致密，从而达到最高的固化强度；继续提高固化温度到240℃时，尽管XRD分析证明仍有可观的托勃莫来石生成，且与200℃的XRD分析没有明显差异，样品的固化强度却出现一定程度的下降。这可能是由于在较高的固化温度(≥240℃)时，托勃莫来石晶体过度生长破坏了原来致密的空隙，因而强度降低。通过实施例2可知，水热固化温度在200℃为宜。

实施例3

该实施例3以水热固化时间为变量，从而观察不同水热固化时间条件下固化样品的抗折强度的变化，并进行分析。首先，将质量分数为20％氢氧化钙以及10％二氧化硅分别加入到煅烧造纸污泥粉末60％，再掺入占其总质量15％的去离子水，在研钵中混合均匀，每次称取一定质量的混合料，在FY-15型台式粉末压片机下单轴压制成型，成型压力25MPa。脱模后的样品放入高压反应釜内进行水热固化，在不同的水热固化时间条件下(0h～48h)进行水热固化,水热温度为200℃。固化后的样品(40mm×15mm×6mm)在80℃烘箱中干燥24h，制得该系列的样品。

由图6可以看到，在固化0h时其抗折强度为2MPa左右，随着固化时间的延长，样品的抗折强度逐步增强，当固化时间为9h时达到最高。当进一步延长固化时间时，抗折强度又有所下降。结合XRD分析(图7)可知，3h以上的固化时间是该固化样品中托勃莫来石生成必要条件，通过消耗添加的Ca(OH)₂和石英形成托勃莫来石，将原料、石英颗粒之间的缝隙填充起来，从而提高了固化体的抗折强度。而过长时间的固化会对其强度有负面影响。

为进行更加直接的分析和观察，对造纸污泥灰和9h固化样品进行SEM照相，结果如图8和图9。对比图8和图9可以看出，图8中有许多颗粒以及大量的空隙，而进行水热固化9h后的图9，样品中生成致密的、尖针状的托勃莫来石，这些新相填充了原料中的空隙，使颗粒相互链接，使样品变得致密，从而提高了强度。而长时间固化后的样品强度略有下降，主要是因为其中的托勃莫来石晶体的过度生长而使原来填充致密的缝隙变得疏松。通过实施例3可知，水热固化时间在9h为宜。

通过以上实施例的介绍可以知道，本发明所使用的煅烧造纸污泥在进行水热固化时，Ca(OH)₂的添加量为20％，SiO₂添加量为10％，固化时间为9h，固化温度为200℃。固化体的抗折强度达13MPa(抗折强度1MPa≈抗压强度5MPa)。而使固化样品强度提高的主要原因是由于托勃莫来石晶体生成后，对煅烧造纸污泥的颗粒缝隙间进行填充造成的。

以上对本发明进行了详细的介绍，文中应用了具体的实例对本发明进行阐述和说明，这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，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。同时也欢迎对该发明进行改进和再创造，让本发明为造纸污泥的循环再利用做出更多的贡献。

Claims

1.一种利用造纸污泥灰制备建筑材料的方法，其特征是：先将造纸污泥灰球磨并过100目筛，将筛下的造纸污泥灰粉末烘干，量取烘干的造纸污泥灰粉末：氧化硅：氧化钙＝65％～90％：10％：0％～25％质量百分比，混合均匀得到混合物，然后加水，水的加入质量是混合物质量的15％，搅拌混合均匀，在25MPa的成型压力下压制成块状样品，脱模，最后，将块状样品放入水热反应釜中，在120℃～240℃下水热反应2h～48h，制得块状建筑材料，经过检测发现其力学性能符合用于非承重砌块墙体的国家建筑材料强度要求；

上述氧化硅是二氧化硅或石英；

上述氧化钙选自消石灰、石灰石、生石灰、白云石、钙长石中的一种或按任意比例混合的2～5种。

2.根据权利要求1所述的利用造纸污泥灰制备建筑材料的方法，其特征在于添加含有氧化钙或者氧化硅的辅助原料，辅助原料分别为总质量的0％～25％，10％。

3.根据权利要求1所述的一种利用造纸污泥灰制备建筑材料的方法，其特征是：硅质原料选自二氧化硅或石英。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于辅助原料所用钙质原料选自消石灰、石灰石、生石灰、白云石、钙长石中的一种或按任意比例混合的2～5种。