CN106631113A - 一种轻质多孔生物陶粒及其制备方法和应用 - Google Patents

一种轻质多孔生物陶粒及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质多孔生物陶粒，所述轻质多孔陶粒包括粒芯和覆于粒芯外的包衣，所述粒芯由生物质材料制备而成，所述包衣包含如下重量百分比的组分：凹凸棒土粉末60％～100％、生物质材料0％～40％，其中，所述陶粒的粒径为7～9mm，粒芯的粒径为3～4mm。本发明制得生物轻质多孔陶粒以生物质替代传统的原材料粉料作粒芯，不仅增加了生物质材料使用率，节约了原料成本，提升了孔隙率，而且使得所制陶粒大幅度降低了表观密度，在其作为滤料，填料实际运用中减少了反冲洗的能耗，节省了运营成本，具有比表面积大，孔隙率高、微生物亲和性好等优点。本发明的陶粒可应用做吸附材料、生物滤池、反硝化滤池的填料。

Description

一种轻质多孔生物陶粒及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及陶粒制备方法，特别是涉及利用回收固体废弃物制作陶粒的制备方法。
背景技术
近年来，世界能源资源日益紧缺，生物质材料利用越来越收到重视。我国是农业大国，而我国的水稻产量约占全国粮食总产量的1/2，拥有丰富的生物质材料，传统的生物质处理方法是加工厂外运焚烧，这种处理方式会对大气环境造成严重的污染，在生态环境恶化的现状下必然被淘汰，国家出台了农业废弃物禁烧的政策就是最好的证明。能让稻壳粉等生物质得到妥善处理的方法就是让人们认识到生物质材料是可加工利用的资源能源，目前国内对生物质处理的方式主要包括制作畜禽饲料、制沼气、制有机肥。这些方式对稻壳的利用率过低，而且难以推广普及。
专利文献CN 102225870 A公开凹凸棒土粘土多孔陶粒及其制备方法和用途，其是以凹凸棒土为主要原料，添加生物质、粘结剂等组分通过造粒煅烧工艺制得，该工艺方法主要存在以下不足：(1)所需粘结剂水玻璃本身就是工业原料，价格昂贵，而且添加量大，不仅消耗资源，极大程度上抬高了制作成本，其环保效应也大打折扣，不宜生物质陶粒的推广应用；(2)所制陶粒表观密度大，在作为微生物载体应用方面，要求高水力强度反冲洗，提升了运营成本，不宜生物质陶粒的推广应用。
发明内容
发明目的：为克服以上技术的不足，本发明提出一种制作成本低廉，表观密度小，制备方法简便，用途广泛的轻质多孔生物陶粒及其制备方法和应用。
技术方案：为实现上述技术方案，本发明提出了一种轻质多孔生物陶粒，其包括粒芯和包衣，所述轻质多孔陶粒包括粒芯和覆于粒芯外的包衣，所述粒芯由生物质材料制备而成，所述包衣包含如下重量百分比的组分：凹凸棒土粉末60％～100％、生物质材料0％～40％，其中，所述陶粒的粒径为7～9mm，粒芯的粒径为3～4mm。
其中，所述的生物质材料为农业植物类废弃物粉碎粉料。
优选地，所述的农业废弃物材料为稻壳粉、核桃壳、板栗壳、秸秆和木屑中的任意一种。
所述的凹凸棒土为200～400目凹凸棒土。优选地，所述的凹凸棒土可以为市售的320目凹凸棒土，其组分质量百分比经送样检测结果如下：
本发明进一步提出了上述轻质多孔生物陶粒的制备方法，包含如下步骤：
(1)原料准备：
a.将粗细度达200目以上凹凸棒土粉料放于烘箱，烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将粗细度达100目以上生物质材料放于烘箱，烘干2小时以上得生物质材料粉末；
(2)搅拌：
将步骤(1)获得的凹粉粉末、生物质材料粉末按配比混合，搅拌均匀，优选地，经过搅拌机搅拌0.5h以上，得到用于包衣的混合粉料；
(3)加水制粒：
A、将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱烘干，得到生物质粒芯；
B、将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将步骤(2)得到的混合粉料投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱中烘干，得到未烧陶粒；
(4)煅烧：将未烧陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中600℃～900℃煅烧0.5～3小时得到低密度、高孔隙率的轻质多孔生物陶粒。
优选地，步骤(3)中，烘干的条件为，在100℃～110℃条件下烘干2h以上。
其中，所述的生物质材料为农业植物类废弃物粉碎粉料。
所述的农业废弃物材料为稻壳粉、核桃壳、板栗壳、秸秆和木屑中的任意一种。
本发明进一步提出了轻质多孔生物陶粒在反硝化生物滤池中作为反硝化菌群的生物体载体中的应用。
有益效果：与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
(1)本发明使用的凹凸棒土来自天然矿石，来源广泛，价格低廉，拓展了凹凸棒土的应用；
(2)本发明使用的生物质都来自农业固体废弃物，使固体废弃物资源化，环保效益最大化，同时降低了陶粒的制作成本；
(3)本发明与已有陶粒发明技术相比表观密度降低0.8g/cm3以上，可控制在1g/cm3以下，在作为微生物载体滤料的应用方面，降低了反冲洗水力条件要求，减少能耗，降低了运营成本，有利于轻质多孔生物陶粒的推广应用；
(4)现有市场上出售的陶粒孔隙率在40％～50％之间，本发明在达到40N抗压强度的前提上，孔隙率稳定在50％～60％，孔隙率得到了约10％的提升，有利于生物挂膜，增加颗粒挂膜微生物量，提升其作用效果。
附图说明
图1为本发明制备的轻质多孔生物陶粒的SEM照片，其中图a、图b是陶粒外表面的SEM照片，图中陶粒空隙密集，空隙深度较深；
图2为本发明制备的轻质多孔生物陶粒的稻壳粉粒芯，呈现黄褐色。
图3为本发明制备的轻质多孔生物陶粒煅烧前和煅烧后的照片，颗粒在煅烧前呈现灰白色，在煅烧后呈现灰黑色。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。其中，下述实施例中使用的凹凸棒土为市售320目凹凸棒土，其组分质量百分比经送样检测结果如下：
实施例1：
(1)原料准备：
a.将市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将生物质材料过100目筛后，放于烘箱烘干2小时以上得生物质材料粉末；(2)搅拌：
将所述粉料按凹凸棒土∶木屑＝6∶4的质量百分比混合，经过搅拌机搅拌0.5h以上搅拌均匀。
(3)加水制粒：
1)将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到生物质粒芯；
2)将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将混合粉料投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到未烧陶粒；
(4)煅烧：
将烘干陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中850℃煅烧1.5小时得到凹凸棒土复合生物质材料陶粒。制备陶粒的平均抗压强度为35.8N，平均孔隙率为59％，表观密度为0.88g/cm3。
实施例2：
(1)原料准备：
a.将市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将生物质材料过100目筛后，放于烘箱烘干2小时以上得生物质材料粉末；
(2)搅拌：
将所述粉料按凹凸棒土∶稻壳粉＝7∶3的质量百分比混合，经过搅拌机搅拌0.5h以上搅拌均匀。
(3)加水制粒：
1)将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到生物质粒芯；
2)将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将混合粉料投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到未烧陶粒；
(4)煅烧：
将烘干陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中800℃煅烧1小时得到凹凸棒土复合生物质材料陶粒。制备陶粒的平均抗压强度为48.6N，平均孔隙率为55.4％，表观密度为0.95g/cm3。
实施例3：
(1)原料准备：
a.将市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将生物质材料过100目筛后，放于烘箱烘干2小时以上得生物质材料粉末；
(2)搅拌：
将所述粉料按凹凸棒土∶稻壳粉＝8∶2的质量百分比混合，经过搅拌机搅拌0.5h以上搅拌均匀。
(3)加水制粒：
1.将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到生物质粒芯；
2.将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将混合粉料投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到未烧陶粒；
(4)煅烧：
将烘干陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中800℃煅烧1小时得到凹凸棒土复合生物质材料陶粒。制备陶粒的平均抗压强度为59N，平均孔隙率为51.3％，表观密度为1.06g/cm3。
实施例4：
(1)原料准备：
a.将市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将生物质材料过100目筛后，放于烘箱烘干2小时以上得生物质材料粉末；
(2)搅拌：
将所述粉料按凹凸棒土∶稻壳粉＝9∶1的质量百分比混合，经过搅拌机搅拌0.5h以上搅拌均匀。
(3)加水制粒：
1)将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到生物质粒芯；
2)将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将混合粉料投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到未烧陶粒；
(4)煅烧：
将烘干陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中700℃煅烧3小时得到凹凸棒土复合生物质材料陶粒。制备陶粒的平均抗压强度为48.7N，平均孔隙率为54.9％，表观密度为1.16g/cm3。
实施例5：
(1)原料准备：
a.将市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将生物质材料过100目筛后，放于烘箱烘干2小时以上得生物质材料粉末；
(2)搅拌：
将所述粉料按凹凸棒土∶板栗壳粉＝7∶3的质量百分比混合，经过搅拌机搅拌0.5h以上搅拌均匀。
(3)加水制粒：
1)将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到生物质粒芯；
2)将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将混合粉料投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到未烧陶粒；
(4)煅烧：
将烘干陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中800℃煅烧2.5小时得到凹凸棒土复合生物质材料陶粒。制备陶粒的平均抗压强度为50.3N，平均孔隙率为57％，表观密度为0.98g/cm3。
实施例6：
(1)原料准备：
a.将市售320目凹凸棒土放于烘箱烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将生物质材料过100目筛后，放于烘箱烘干2小时以上得生物质材料粉末；
(2)加水制粒：
1)将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到生物质粒芯；
2)将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将100％凹凸棒粉投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱，在100℃～110℃条件下烘干2h以上，得到未烧陶粒；
(3)煅烧：
将烘干陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中600℃煅烧2.5小时得到凹凸棒土复合生物质材料陶粒。制备陶粒的平均抗压强度为43.4N，平均孔隙率为52.3％，表观密度为1.28g/cm3。
实施例7：
取实施例2里面制备得到的陶粒作为轻质多孔生物陶粒作为反硝化反应器1号中的微生物载体，采用常州市生产的一种在售陶粒(孔隙率为40％～45％)作为反硝化反应器2号中的微生物载体作为对照组。考察对比两种陶粒的挂膜时间和处理NO3 --N、NO2 --N的去除效率。
试验地点在河海大学实验室，试验采用人工接种，接种取自江宁开发区污水厂二沉池。分第一阶段闷曝：将原水与接种污泥按照7∶3的比例混合注入滤柱，保证滤料层以上水位30mm，以20ml/s的曝气量连续闷曝24h，闷曝结束后将滤柱中一半的污水排出，并再次注入新鲜污水，此阶段运行6天。
第二阶段连续进水：将排空滤柱，停止曝气，进水配水水质：COD 120mg/L，NH3-N5mg/L，NO3 --N 15mg/L，NO2 --N0.3mg/L，两滤柱以2.4m/h的滤速连续进水。1号反应器连续运行12天后，进水NO3 --N和NO2 --N总和平均约为15mg/L，反应器出水NO3 --N和NO2 --N总和平均约为3.2mg/L，反硝化对NO3 --N和NO2 --N总去除率稳定在78.6％左右；2号反应器连续运行14天后，尾水进水与1号反应器相同，反应器出水NO3 --N和NO2 --N总和平均为4.6mg/L，对NO3 --N和NO2 --N总去除率稳定在69.3％左右，说明本发明负载的微生物繁殖较为迅速，且根据孔隙率较2号反应器陶粒高9.3％，反硝化效果处理效率较好。

Claims (10)

1.一种轻质多孔生物陶粒，其特征在于，所述轻质多孔陶粒包括粒芯和覆于粒芯外的包衣，所述粒芯由生物质材料制备而成，所述包衣包含如下重量百分比的组分：凹凸棒土粉末60％～100％、生物质材料0％～40％，其中，所述陶粒的粒径为7～9mm，粒芯的粒径为3～4mm。
2.根据权利要求1所述的轻质多孔生物陶粒，其特征在于，所述的生物质材料为农业植物类废弃物粉碎粉料，粗细度达100目以上。
3.根据权利要求2所述的轻质多孔生物陶粒，其特征在于，所述的农业废弃物材料为稻壳粉、核桃壳、板栗壳、秸秆和木屑中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的轻质多孔生物陶粒，其特征在于，所述的凹凸棒土为200～400目凹凸棒土。
5.权利要求1所述的轻质多孔生物陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)原料准备：
a.将粗细度为200目以上凹凸棒土粉料放于烘箱，烘干2小时以上得凹粉粉末；
b.将粗细度为100目以上生物质材料放于烘箱，烘干2小时以上得生物质材料粉末；
(2)搅拌：
将步骤(1)获得的凹粉粉末、生物质材料粉末按配比混合，搅拌均匀，得到用于包衣的混合粉料；
(3)加水制粒：
A、将生物质材料投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，边喷边投，最终制成3～4mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱烘干，得到生物质粒芯；
B、将生物质粒芯投入造粒机，由喷雾器将水喷入造粒机，将步骤(2)得到的混合粉料投入造粒机，边喷边投，最终制成7～8mm圆球状颗粒，随后放置于烘箱烘干，得到未烧陶粒；
(4)煅烧：
将未烧陶粒放置于马弗炉里，在空气氛围中600℃～900℃煅烧0.5～3小时得到低密度、高孔隙率的轻质多孔生物陶粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，烘干的条件为，在100℃～110℃条件下烘干2h以上。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的生物质材料为农业植物类废弃物粉碎粉料，粗细度大于100目以上。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的农业废弃物材料为稻壳粉、核桃壳、板栗壳、秸秆和木屑中的任意一种。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的凹凸棒土为200～400目凹凸棒土。
10.权利要求1所述的轻质多孔生物陶粒在反硝化生物滤池中作为反硝化菌群的生物体载体中的应用。
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