CN106241933A

CN106241933A - 一种赤泥复合材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN106241933A
Application number: CN201610621979.3A
Authority: CN
Inventors: 华玉妹; 杨栋; 赵建伟; 刘广龙; 朱端卫
Original assignee: Huazhong Agricultural University
Current assignee: Huazhong Agricultural University
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2036-08-02
Also published as: CN106241933B

Abstract

本发明是一种赤泥复合材料及其制备方法和应用。该材料由以下原料制成：赤泥60～75％，硅灰石10～20％，底泥10～20％，发泡剂5～10％，均为质量百分比。该材料由以下方法制成：按配比将赤泥、硅灰石和底泥混合后，加入发泡剂，再加水0.25mL/g干物质进行搅拌，之后进行造粒，室温下风干24h，并通过焙烧制成。该材料在去除雨水径流中磷的应用。本发明的优点是：利用氧化铝生产过程中产生的废物‑‑赤泥为主要原料，原料成本低；赤泥复合材料中的硅灰石有助于增强复合材料的强度；赤泥复合材料中的底泥经焚烧使材料的孔隙度得以提高；经赤泥复合材料净化后，可降低地表径流和下渗水中的磷含量，从而减少输入到城市排水管道、地表水体和地下水的磷负荷。

Description

一种赤泥复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于面源污染控制领域，具体涉及利用赤泥复合材料对雨水径流中磷进行截留的方法。

背景技术

赤泥是氧化铝生产过程中的废渣。2013年我国赤泥产量为7300万吨，利用率仅为4％，目前我国赤泥的累计堆存量已达3亿多吨。赤泥中铁和铝的含量较高，铁和铝容易与磷发生结合，因此赤泥具有较高的磷吸附潜力，经过研究已确定了其用于水中除磷的可行性，可以得到较高的磷去除效果。在水处理方面，作为水吸附剂处理点源污染的磷，对赤泥的消纳量很少，难以解决赤泥堆存问题；如果能够将赤泥用于面源磷污染的治理，可以大量利用赤泥，则有助于减少赤泥的贮存量。

磷被视为是水体的重要生源要素之一，是面源污染控制的重要污染物目标，对雨水径流中的磷进行截留，对防治水体污染修复具有十分重要的意义。雨水径流中的磷可以通过土壤的渗滤作用得到去除，种植植物也会对磷的去除具有促进作用。目前由于海绵城市建设的需要，城市要不断提高对雨水的渗透、净化等方面的能力，草坪砖的使用可以有利于雨水的下渗，同时，植草格将植草区域变为可承重表面，适用于停车场、人行道和固坡护堤等众多场地。植草格对雨水径流中磷的处理主要靠土壤渗滤和植物吸收，雨水径流中的磷大多都渗入地下水或表流到地表水或者城市下水道，若能强化植草格对磷的处理，则有助于减少流入上述水体及排水管道中的磷负荷。因此，将赤泥复合材料至于草坪砖的植草格中，可以结合土壤、植物和赤泥复合材料3方面进行协同除磷，促进磷的去除而减少雨水径流中磷的污染。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：利用赤泥、硅灰石和底泥进行赤泥复合材料的制备，然后将赤泥复合材料填充于草坪砖的植草格，对雨水径流中磷进行去除，以减少径流中下渗入地下水和流入城市排水管道、地表水体的磷含量。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的赤泥复合材料，由以下原料制成：赤泥60～75％，硅灰石10～20％，底泥10～20％，发泡剂5～10％，均为质量百分比。

所述的赤泥复合材料，优选为可以由以下原料替换制成：赤泥65％，硅灰石15％，底泥15％，发泡剂5％，均为质量百分比，发泡剂采用碳酸氢钠。

所述的发泡剂采用碳酸氢钠。

本发明提供的上述的赤泥复合材料，其在去除雨水径流中磷的应用。

本发明提供的上述的赤泥复合材料，其应用时，可以将赤泥复合材料置于草坪砖的植草格之中，使雨水径流中的磷经赤泥复合材料截留，以减少对地表水体和地下水的磷污染，并减少进入城市雨水管道中的磷负荷。

本发明提供的赤泥复合材料的制备方法，具体是：按质量计，将赤泥60～75％、硅灰石10～20％和底泥10～20％混合后，加入发泡剂5～10％，按每g干物质0.25mL的加水量进行搅拌，之后进行造粒，室温下风干24h，并通过焙烧制成，焙烧工艺为580～610℃下焙烧25～35min，然后980～1000℃下烧结25～35min。

上述方法中，所述赤泥、硅灰石和底泥均过100目筛，混合均匀。

上述方法中，所述赤泥复合材料为球形，粒径为8～15mm，可以用肥料造粒的机械进行制备。

本发明提供的上述方法制备的赤泥复合材料，其在去除雨水径流中磷的应用。

本发明制备的赤泥复合材料，其在去除雨水径流中磷的应用时，是将赤泥复合材料置于草坪砖的植草格之中，使雨水径流中的磷经赤泥复合材料截留，以减少对地表水体和地下水的磷污染，并减少进入城市雨水管道中的磷负荷。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.赤泥为氧化铝产生过程中的废物，湖泊底泥也是疏浚过程中产生的废物，硅灰石是一种天然的矿粉，因此原料的成本低。

2.硅灰石的添加，可以增加赤泥复合材料的牢固度。

3.底泥含有较多的有机质，在焙烧过程中有机质挥发，可以使赤泥复合材料形成多孔的结构，从而增加复合材料的磷吸附能力。

4.草坪砖在城市许多场所广泛使用，赤泥复合材料的使用可以促进草坪砖的除磷能力，减少进入排水管道、地表水体和地下水中的磷负荷。

附图说明

图1为赤泥复合填料制作流程图。

具体实施方式

本发明提供的方法是一种利用赤泥复合材料置于草坪砖的植草格以截留雨水磷的方法，该方法的实施步骤如下：

1.为保证赤泥复合材料具有良好的烧结和膨胀性能，其主要原料组成为赤泥、硅灰石、底泥和发泡剂，其含量质量比例分别为60～75％、10～20％、10～20％和5～10％；优选为其含量质量比例分别为65％、15％、15％和5％，这个优选比例符合SiO₂-Al₂O₃-溶剂三元法原料化学成分Riley三角形。发泡剂采用碳酸氢钠。

2.原材料过100目筛，加入碳酸氢钠混合均匀，加水进行搅拌，之后用颗粒成型机进行造粒，合适的粒径可以使赤泥复合材料具有较大的比表面积，同时具有较好的强度，造粒的粒径范围为8～15mm。

3.造粒后的赤泥复合材料，室温下风干24h，600℃下焙烧30min，1000℃下烧结30min。原料中的吸附水在100℃挥发；超过500℃时，赤泥原料将逐渐失去水化水和结构骨架中的结合水；碳酸盐矿物从700℃开始分解反应并产生CO₂等气体，从而有助于增加复合材料的孔隙度，同时原料中的有机质也在高温下发生灰化，从而进一步增加赤泥复合材料中的空孔位，使具有良好的磷吸附性能。

4.将赤泥复合材料置于草坪砖的植草格之中，使雨水径流中的磷经赤泥复合材料截留，从而降低下渗流或表流中的磷含量。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明，但不限定本发明。

实施例1：

将广西平果铝业有限公司的赤泥、湖北大冶的硅灰石矿粉和经风干预处理的武汉南湖的底泥，研磨过100目筛，与碳酸氢钠按照65:15:15:5的质量比例进行混合，然后加入水搅拌成糊状，制成直径为8～12mm的球形颗粒，室温下风干24h，用马弗炉于600℃下焙烧30min，1000℃下烧结30min。

在武汉6月份降雨时，取雨水径流进行赤泥复合材料去除磷的研究。结果表明，在雨水径流磷为1.9mg L^-1的条件下，赤泥复合材料可以达到以下效果：10、40、80、100、120、180、210和240min的反应时间内，赤泥复合材料对雨水径流中磷的去除率为5.9％、17.0％、18.9％、25.8％、32.5％、33.7％、46.2％和51.1％。初始雨水径流pH为7.16，经240min吸附后，雨水径流的pH为7.09，赤泥对雨水径流pH没有不利影响。

将赤泥、底泥和碳酸氢钠按照80:15:5的质量比例，同样依据上述制备过程获得不加硅灰石的赤泥复合材料，对含硅灰石和不含硅灰石的赤泥复合材料进行水浸实验持续28天，结果发现不含硅灰石的赤泥复合材料经水浸后脱落量为0.033g/kg，而含硅灰石的赤泥复合材料经水浸后脱落量为0.005g/kg，可见硅灰石的添加可以增强赤泥复合材料的牢固度。

实施例2：

将广西平果铝业有限公司的赤泥、湖北大冶的硅灰石矿粉和经风干预处理的武汉南湖的底泥，南湖底泥的有机质含量为29.8g/kg，研磨过100目筛，硅灰石和碳酸氢钠的比例保持不变，分别为15％和5％，赤泥和底泥的质量比例设为4种：60:20、65:15、70:10、75:5和80:0，后续制备方法同实施例1。结果表明，4种赤泥含量不同的复合材料中，对磷吸附量最大的为65％赤泥添加量的复合材料，其吸附量为22.3mg/kg，其它3种赤泥复合材料按磷吸附量大小排序依次为：60％、70％和75％质量比例的赤泥复合材料，最大吸附量分别为20.1、18.9和15.4mg/kg。通过比表面积测定可知，5％、10％、15％和20％的底泥添加量比不添加底泥的赤泥复合材料，比表面积分别增加了6.8％、18.5％、27.9％和29.6％，主要是由于底泥中有机质在高温下的灰化促进了赤泥复合材料的比表面积。

实施例3：

设置20cm高、直径为15cm填充土柱，土柱底部设有出水管。土壤来自武汉市狮子山，按实施例1中的方法制备成赤泥复合材料，加20颗置于土柱层的表面，采用KNO₃、(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄和葡萄糖进行模拟地表径流水质的配制，其中磷的浓度为2.0mg/L。同时以不加赤泥复合材料的土柱作为对照。

用蠕动泵进行径流进水，进水水量为对比2h、6h、12h和24h的磷去除效果可以发现，添加赤泥复合材料的土柱径流出水中磷的平均浓度为0.74mg/L，去除率为63.0％，而未添加赤泥复合材料的对照土柱径流出水中磷的平均浓度为1.19mg/L，去除率为40.5％。

该实施例的填充土柱模拟了草坪砖植草格的赤泥复合材料截留径流磷的情况，因此可以反映出赤泥复合材料的应用，能够有效提高下渗水中磷的去除率，从而减少对地下水等水体的磷负荷输入量。

Claims

1.一种赤泥复合材料，其特征是该材料由以下原料制成：赤泥60～75％，硅灰石10～20％，底泥10～20％，发泡剂5～10％，均为质量百分比。

2.根据权利要求1所述的赤泥复合材料，其特征在于该材料由以下原料替换制成：赤泥65％，硅灰石15％，底泥15％，发泡剂5％，均为质量百分比，发泡剂采用碳酸氢钠。

3.根据权利要求1所述的赤泥复合材料，其特征在于所述的发泡剂采用碳酸氢钠。

4.权利要求1至3中任一所述赤泥复合材料的用途，其特征是在去除雨水径流中磷的应用。

5.根据权利要求4所述的用途，其特征是将赤泥复合材料置于草坪砖的植草格之中，使雨水径流中的磷经赤泥复合材料截留，以减少对地表水体和地下水的磷污染，并减少进入城市雨水管道中的磷负荷。

6.一种赤泥复合材料的制备方法，其特征在于该材料由以下方法制成：按质量计，将赤泥60～75％、硅灰石10～20％和底泥10～20％混合后，加入发泡剂5～10％，加水0.25mL/g干物质进行搅拌，之后进行造粒，室温下风干24h，并通过焙烧制成，焙烧工艺为580～610℃下焙烧25～35min，然后980～1000℃下烧结25～35min。

7.根据权利要求6所述的赤泥复合材料的制备方法，其特征是在该材料的制备过程中，所述赤泥、硅灰石和底泥均过100目筛，混合均匀。

8.根据权利要求6所述的赤泥复合材料的制备方法，其特征在于所述的赤泥复合材料为球形，粒径为8～15mm，用肥料造粒的机械进行制备。

9.权利要求6至8中任一所述方法制备的赤泥复合材料的用途，其特征是该材料在去除雨水径流中磷的应用。

10.根据权利要求9所述的用途，其特征是将赤泥复合材料置于草坪砖的植草格之中，使雨水径流中的磷经赤泥复合材料截留，以减少对地表水体和地下水的磷污染，并减少进入城市雨水管道中的磷负荷。