CN106866175A - 一种紫砂矿料轻质多孔陶粒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用紫砂矿料为主要原料，配以定量的造孔剂和助熔剂，通过粉碎、过筛、配料、混合、成型、陈腐、干燥、预热和高温焙烧等流程，制备轻质多孔陶粒的方法。本发明包括以下重量份数的物质：紫砂矿料78‑86份，造孔剂12‑16份和助熔剂2‑6份；其中紫砂矿料粒度80‑300目为20份，20‑80目为25份，5‑20目为55份。本发明制备的陶粒具有表观密度较低、孔隙率较高、强度较高、吸附性较强、制备工艺简单等优点，可以用作生活水体净化滤料、曝气生物滤池滤料、养殖业水体净化滤料、建筑材料填料等。
Description
技术领域
本发明属于家用及工业水体净化处理及环境材料技术领域，涉及一种利用紫砂矿料制备轻质多孔陶粒的方法。
背景技术
自上世纪90年代初，基于曝气生物滤池（BAF）的高效生物膜法处理污水工艺先后在世界各地得到广泛应用。在BAF工艺中，多孔生物滤料的性能优劣对于工程效果具有决定性的影响。多孔生物滤料分为有机和无机两大类，前者包括聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等材料，但由于滤料与微生物之间相容性较差，致使生物挂膜效果不佳，容易脱落。
近年来开始偏向于以各类固体废弃物为主料，采用烧制或压制法制备无机多孔生物陶粒，基材包括金属尾矿、页岩、火山岩、沸石、硅藻土、粉煤灰、煤矸石、黏土、污泥、建筑垃圾等，力图起到变废为宝、保护生态环境的作用。专利文献CN101913186A公开了一种利用建筑垃圾生产多孔陶粒的工艺与成套设备。专利文献CN101406777A公开了一种玻璃污泥基多孔陶粒滤料及其制备方法。专利文献CN102815965A公开了一种利用低硅铁尾矿制备多孔陶粒及其制备方法。但是，对于上述以金属尾矿（如铅锌矿、铁尾矿、钨尾矿等）、建筑垃圾、污泥等为基料生产的多孔陶粒，由于原料中铅、砷、镉、汞等污染性重金属含量往往相对较高，且难以彻底分离，即使经过高温焙烧，也存在溶出隐患，这对于以水体净化处理为应用背景是非常不利的。此外，金属尾矿硬度大，粉碎研磨能耗也相对较高。因此，开发无毒害节能环保型多孔陶粒具有重要意义。
紫砂成矿年代为古生代泥盆系，约三亿五千万年左右，是中国特有的矿产资源，藏于山腹深处。紫砂是一种含水铝硅酸盐矿物粘土，是由地壳中含长石类岩石经过长期风化与地质作用而生成的，在自然界中分布广泛，种类繁多，我国大多数地区都藏量丰富，它的主要成分有二氧化硅，三氧化二铝，三氧化二铁，二氧化锰，氧化钙，氧化镁，氧化钾，氧化钠，氧化钛和结晶水，并且 紫砂矿是一种双重气孔结构的多孔性材质，气孔微细。
紫砂矿不含任何有害物质，且富含有益人体健康的多种矿物质，PH值为7.2，偏碱性，通常用于制作紫砂饮具，其中以紫砂壶最为常见，然而紫砂矿料十分珍贵，有“一寸紫砂一寸金”之说。河南省新安县云梦山和青要山区属于天然紫砂矿物的产区之一，当地紫砂器产业也有一定规模。
发明人已经公开了一种紫砂澄泥器的制作工艺（CN103951377A），其原料即为青要山区的紫砂矿料，用于制作优质紫砂器具。当生产紫砂制品时，会产生很多紫砂矿的废料，目前，废弃的紫砂矿料多被当做建筑垃圾处理。因此，将上述紫砂矿料用于制备工业用途的多孔陶粒，对于实现资源综合利用与环境保护工作具有重要意义，本发明使紫砂产业的生产链得到延长和完善，使紫砂产业循环生产链做到了物尽所值，同时还有利于带动当地相关经济产业的发展。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种利用紫砂矿料为主要原料，配以定量的造孔剂和助熔剂，通过粉碎、过筛、配料、混合、成型、陈腐、干燥、预热和高温焙烧等流程，制备轻质多孔陶粒的方法。本发明产品主要用作生活水体净化滤料、曝气生物滤池滤料、养殖业水体净化滤料以及建筑材料填料等。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，包括以下重量份数的物质：紫砂矿料78-86份，造孔剂12-16份和助熔剂2-6份。
其中紫砂矿料粒度分布为：80-300目20份，20-80目25份，5-20目55份。
本发明中的紫砂矿料粒度配比，是因为：虽然紫砂矿富含铁、硅、锰、钙、镁、钠、钾、硒等人体所需的微量元素，但紫砂原矿土主要由石英、粘土、水云母和赤铁矿组成，因此只有在进行精选、粉碎后才能把这些微量元素提取到矿料表面，本发明通过粉碎使紫砂泥粉的部分粒度达到了微粉级，可以使这些微量元素充分提取到矿料表面，从而起到对人体的保健作用，另外，在后续的混合、制球的工艺中，可以使物料均匀混合，微量元素均匀分布；再者，本发明并不是单一把紫砂矿的粉碎成微粉级，本发明这样的不同粒度分布可以使在烧成后增大紫砂颗粒的气孔率和最终产品的内部孔隙，从而增加了紫砂颗粒的透气性和吸附能力。
其中造孔剂为工业淀粉、碳粉或锯末的一种或两种；
其中造孔剂的粒度在颗粒粒度尺寸为0.001mm－1mm。
其中造孔剂优选工业淀粉，因为工业淀粉无污染，而且当加入水时，工业淀粉具有一定的粘结力，和紫砂矿料更加粘结和融合。
本发明中的造孔剂粒度配比，是因为：当搅拌时，细小的造孔剂颗粒不仅被吸附在的紫砂颗粒表面上，由于紫砂矿是一种双重气孔结构的多孔性材质，气孔微细，因此更是有一些超微小粉粒渗入交织到紫砂颗粒的空隙中，当烧成后，造孔剂受热发挥，在紫砂陶粒中留下了更多的小孔，从而提高了紫砂陶粒的透气性，增加了吸附杂质和净化能力。
其中助熔剂为工业碳酸镁或碳酸钙。
本发明所使用的紫砂矿料的采集地点优选为河南省新安县云梦山和青要山区。紫砂矿料源自泥盆、二叠系沉积型泥岩和页岩，属于高硅型沉积岩矿物，主要成分为石英、长石、方解石、云母以及黏土矿物，其中SiO2含量56-64%，Al2O3含量18-25%，Fe2O3含量7-12%；黏土矿物以高岭石为主，含有少量伊利石、蒙脱石和绿泥石。
本发明紫砂矿料轻质多孔陶粒的制备方法为：
步骤一、将紫砂矿料自然干燥和粉碎，粉碎后的粒度分别为80-300目， 20-80目和5-20目；
步骤二、选取粉碎后的紫砂矿料78-86份，包括粒度80-300目为20份，20-80目为25份，5-20目为55份；与造孔剂12-16份和助熔剂2-6份按比例混合，加水充分搅拌均匀；
步骤三、将混合物料滚成直径4-8mm的球形生料颗粒；
步骤四、将球形生料颗粒在室温下陈腐20-24h，然后在干燥箱中105℃干燥3-4h；
步骤五、将干燥后生球颗粒在500-600℃温度下预烧30min, 再在1050-1150℃温度下焙烧30-60min，然后将温度调至450-500℃恒温30min，关火冷却至室温后，即可出炉获得成品的紫砂矿料轻质多孔陶粒。
其中步骤四中将球形生料颗粒在室温下陈腐20-24h，目的是为了缓慢均匀移除生料中过多的水分，不但可以避免快速干燥引起的开裂，避免在烧结过程中出现内部缺陷，而且使造孔剂对紫砂矿料渗入率提高，增大最终产品的孔隙率。
其中步骤四中在干燥箱中105℃干燥3-4h，目的是为了进一步控制生料中的水分含量，保证烧制过程中陶粒内部孔隙的均匀性，从而提高了对水中的微细悬浮物以及重金属等吸附能力。
其中步骤五中在500-600℃温度下预烧30min, 目的是为了让造孔剂在此温度下充分进行氧化反应，并析出气体形成内部气孔。
其中步骤五中在1050-1150℃温度下焙烧30-60min，目的是为了让陶粒物料较为适宜的温度下充分进行物理和化学反应，并通过控制焙烧时间来调节内部气孔大小和孔隙率。
其中步骤五中在温度调至450-500℃恒温30min，目的是为了通过降温收缩进一步调节陶粒内部气孔大小和孔隙率。
本发明制备的紫砂矿料轻质多孔陶粒净化水质的基本原理在于：烧制后的紫砂陶粒孔隙率较高，内部存在大量的微观孔隙，比表面积较大，再则，紫砂矿是一种双重气孔结构的多孔性材质，气孔微细，也具有很强的吸附力，因而对水中的微细悬浮物以及重金属等含量具有很强的双重吸附能力，能够起到净化水质的目的。而且紫砂矿不含任何有害物质，且富含有益人体健康的多种矿物质，PH值为7.2，偏碱性，尤其适用于过滤饮用水。
对于可生化污水，紫砂矿料轻质多孔陶粒相比有机材料陶粒和其它无机材料陶粒而言，由于天然原矿材料的成分特质与无害性，具有更优越的生物兼容性，容易吸附微生物进行着床，并在内外孔隙周围形成稳固的一层活性生物膜（挂膜），并发展成为由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等组成的生物群落与食物链，在适宜的曝气条件下，其新陈代谢作用会大量消耗污水中的氨氮、COD、总磷等各类有机物质，从而将污染物指标降至规定的数值范围之内。
由于采用上述制备技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明使用的紫砂矿料为天然矿料或者制作各类紫砂器具过程中废弃的矿料，原料资源较为丰富，采集成本较低，能够降低固体废弃物随意堆放或就地填埋所造成的环境污染问题。
2、本发明使用的紫砂矿料中黏土质矿物以高岭土为主，Al2O3和Fe2O3含量明显高于普通黏土，塑性指数为16-20，可塑性较强，有利于陶粒成形，且焙烧温度较宽，收缩率较小，成品率较高。
3、本发明使用的紫砂矿料中无汞、铅、砷、镉等毒害性重金属检出，消除了陶粒在使用过程中可能存在的重金属污染问题，有利于环境保护。
4、本发明制备的紫砂矿料轻质多孔陶粒具有表观密度较低、孔隙率较高、强度较高、吸附性较强、制备工艺简单、易于应用推广等优点。
紫砂矿是一种双重气孔结构的多孔性矿物，在本发明通过粉碎、最佳粒度、制球、烧成工艺制作后的紫砂颗粒更具有很好的透气性和吸附能力，本发明制备的陶粒具有表观密度较低、孔隙率较高、强度较高、吸附性较强、制备工艺简单等优点，可以用作生活水体净化滤料、曝气生物滤池滤料、养殖业水体净化滤料、建筑材料填料等。
本发明还充分利用了当地矿产资源，不仅使紫砂矿物深加工的生产链得到延长和完善，而且给紫砂矿深加工企业带来额外的收益。
具体实施方式
以下实施例详细说明了本发明。
实施例1：
本实施方式的紫砂矿料轻质多孔陶粒的配方为，包括以下重量份数的物质：紫砂矿料78份、造孔剂16份和助熔剂6份。本实施方式的制备工艺步骤为：
步骤一、将紫砂矿料自然干燥和粉碎，粉碎后的粒度分别为80-300目， 20-80目和5-20目；
步骤二、选取粉碎后的紫砂矿料78份，包括粒度80-300目为20份，20-80目为25份，5-20目为55份；与造孔剂16份和助熔剂6份按比例混合，加水充分搅拌均匀；
步骤三、将混合物料滚成直径4mm的球形生料颗粒；
步骤四、将球形生料颗粒在室温下陈腐24h，然后在干燥箱中105℃干燥4h；
步骤五、将干燥后生球颗粒在600℃温度下预烧30min, 再在1050℃温度下焙烧60min，然后将温度调至500℃恒温30min，关火冷却至室温后，即可出炉获得成品的紫砂矿料轻质多孔陶粒。
本实施方式的紫砂矿料轻质多孔陶粒的基本技术性能指标见表1，符合《水处理用人工陶粒滤料》（CJ/T299-2008）的项目指标要求。
表1 紫砂矿料轻质多孔陶粒技术性能指标
| 项目 | 指标 | 项目 | 指标 |
| 表观密度 | 破损率与磨损率之和 | 1.22 % | |
| 空隙率 | 46.7 % | 盐酸可溶率 | 0.25 % |
| 总孔隙率 | 76.4 % | 比表面积 | |
| 含泥量 | 0.22 % | 颗粒平均压碎力 | 148 N |
实施例2：
本实施方式的紫砂矿料轻质多孔陶粒的配方为，包括以下重量份数的物质：紫砂矿料82份、造孔剂14份和助熔剂4份。本实施方式的制备工艺步骤为：
步骤一、将紫砂矿料自然干燥和粉碎，粉碎后的粒度分别为80-300目， 20-80目和5-20目；
步骤二、选取粉碎后的紫砂矿料82份，包括粒度80-300目为20份，20-80目为25份，5-20目为55份；与造孔剂14份和助熔剂4份按比例混合，加水充分搅拌均匀；
步骤三、将混合物料滚成直径5mm的球形生料颗粒；
步骤四、将球形生料颗粒在室温下陈腐24h，然后在干燥箱中105℃干燥4h；
步骤五、将干燥后生球颗粒在550℃温度下预烧30min, 再在1100℃温度下焙烧30min，然后将温度调至500℃恒温30min，关火冷却至室温后，即可出炉获得成品的紫砂矿料轻质多孔陶粒。
实施例3：
本实施方式的紫砂矿料轻质多孔陶粒的配方为，包括以下重量份数的物质：紫砂矿料86份、造孔剂12份和助熔剂2份。本实施方式的制备工艺步骤为：
步骤一、将紫砂矿料自然干燥和粉碎，粉碎后的粒度分别为80-300目， 20-80目和5-20目；
步骤二、选取粉碎后的紫砂矿料86份，包括粒度80-300目为20份，20-80目为25份，5-20目为55份；与造孔剂12份和助熔剂2份按比例混合，加水充分搅拌均匀；
步骤三、将混合物料滚成直径8mm的球形生料颗粒；
步骤四、将球形生料颗粒在室温下陈腐20h，然后在干燥箱中105℃干燥4h；
步骤五、将干燥后生球颗粒在600℃温度下预烧30min, 再在1150℃温度下焙烧60min，然后将温度调至500℃恒温30min，关火冷却至室温后，即可出炉获得成品的紫砂矿料轻质多孔陶粒。
实施例2-3的紫砂矿料轻质多孔陶粒的部分技术性能指标见表2。
表2不同实施例产品技术性能指标
| 技术指标 | 实施例2 | 实施例3 |
| 表观密度 | ||
| 空隙率 | 45.9 % | 45.5 % |
| 含泥量 | 0.18 % | 0.15 % |
| 破损率与磨损率之和 | 1.20 % | 1.18 % |
| 盐酸可溶率 | 0.23 % | 0.17 % |
| 比表面积 | ||
| 颗粒平均压碎力 | 160 N | 185 N |
| 汞、铅、砷、镉等溶出量 | 无 | 无 |
Claims (7)
1.一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，其特征在于：包括以下重量份数的物质：紫砂矿料78-86份，造孔剂12-16份和助熔剂2-6份。
2.根据权利要求1所述的一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，其特征在于：紫砂矿料粒度分布为：80-300目20份，20-80目25份，5-20目55份。
3.根据权利要求1所述的一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，其特征在于：造孔剂为工业淀粉、碳粉或锯末的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，其特征在于：造孔剂的粒度在颗粒粒度尺寸为0.001mm－1mm。
5.根据权利要求3所述的一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，其特征在于：造孔剂优选工业淀粉。
6.根据权利要求1所述的一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，其特征在于：助熔剂为工业碳酸镁或碳酸钙。
7.根据权利要求1所述的一种紫砂矿料轻质多孔陶粒，其特征在于：制备方法为：步骤一、将紫砂矿料自然干燥和粉碎，粉碎后的粒度分别为80-300目， 20-80目和5-20目；步骤二、选取粉碎后的紫砂矿料78-86份，包括粒度80-300目为20份，20-80目为25份，5-20目为55份；与造孔剂12-16份和助熔剂2-6份按比例混合，加水充分搅拌均匀；步骤三、将混合物料滚成直径4-8mm的球形生料颗粒；步骤四、将球形生料颗粒在室温下陈腐20-24h，然后在干燥箱中105℃干燥3-4h；步骤五、将干燥后生球颗粒在500-600℃温度下预烧30min, 再在1050-1150℃温度下焙烧30-60min，然后将温度调至450-500℃恒温30min，关火冷却至室温后，即可出炉获得成品的紫砂矿料轻质多孔陶粒。
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