CN107021723A - 一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，该方法包括以下步骤：1)将不锈钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料；2)在复合胶凝材料倒入搅拌锅中，之后加入微生物菌粉的水溶液、砂搅拌均匀成浆体，之后将浆体倒入模具中，在10～30MPa条件下压制成型，得到试件；3)试件脱模后得到试样，之后将试样经养护后得到不锈钢渣砖。此方法具有工艺简单、强度等级高、能源消耗低、环境友好等优点，为不锈钢渣在建材领域内使用提供了技术支持，有效的解决不锈钢渣利用率不足的问题，制备得到的不锈钢渣砖抗压强度、吸水率、软化系数及安定性均达现在常用的建筑砖要求。

Description

一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，属于环境材料科学领域。
背景技术
冶炼废渣是指金属制造行业冶金过程中伴随金属矿物冶炼而产生的各种固体废弃物，近几年来，随着中国冶金行业快速发展，金属产量稳居世界第一；其伴随产生的冶炼废渣等固体废弃物逐年增长累积，如果不采取紧急措施对这些固体废弃物进行综合利用，不仅仅是浪费资源，也势必会对居民生活环境造成许多危害，诸如占用土地，污染空气和水源等。不锈钢渣是生产不锈钢过程中排出的固体废弃物，一般每生产3t不锈钢就会产生1t废渣。长期以来，对不锈钢渣的认知较少，使其在渣场堆放，既是一种资源浪费又是一种环境污染。因此，不锈钢渣的资源化十分迫切。综合分析不锈钢渣，其具有大量的水硬性矿物C2S等，与水泥组分相近，且其毒性浸出实验也表明，其在模拟地下水环境下，依据《固体废物浸出毒性浸出方法－水平振荡法》(HJ577-2010)所得毒性低于国家对于危险废弃的规定限制。但由于使用NaOH等强碱激发可能会导致重金属更加倾向于游离态，所以利用碳化的方法将不锈钢渣制备成建材制品无疑是最为合适的选择，近十年来，微生物矿化技术越来越受到重视，从自然界中提取出某种微生物，给予其充分适宜的生存、繁殖和活化的条件，通过给予足量钙源和提升CO2的浓度，其分泌的碳酸酐酶特征性的加快碳化反应过程，使得碳化速度大大加快缩短砖制品的生产周期。压制成型可以使制品拥有更为优化的孔隙结构，使砖制品能得到更高的强度和耐久性能。
该技术是一项利用固废不锈钢渣、固碳和节约能源的先进技术，是综合利用不锈钢渣等固废的有效方法，不仅为不锈钢渣在建材领域利用提供了一种新的途径，所制备的不锈钢渣砖制品符合国标中(GB/T21144-2007)《混凝土实心砖》中B类MU35级砖的要求。该技术也可在一定程度上缓解由CO2引起的温室效应等问题，并且具有处理时间短，工艺简单、环境友好等特点，具备了良好的经济与社会效益。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，此方法具有工艺简单、强度等级高、能源消耗低、环境友好等优点，为不锈钢渣在建材领域内使用提供了技术支持，有效的解决不锈钢渣利用率不足的问题。
技术方案：本发明提供了一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将不锈钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料；
2)在复合胶凝材料倒入搅拌锅中，之后加入微生物菌粉的水溶液，继续搅拌至均匀，随后加入砂并搅拌均匀成浆体，之后将浆体倒入模具中，在压力为10～30MPa条件下压制成型，得到试件；
3)将步骤2)得到的试件脱模后得到试样，之后将试样置于相对湿度为95％以上、温度为20±2℃的条件下养护2～3天，再将试样放入压力釜中，在相对湿度为70％±3％、CO2压力为0.2～0.3MPa条件下养护4～6小时，得到不锈钢渣砖。
其中：
所述的不锈钢渣与石灰的质量比为7:3，所述微生物菌粉为产碳酸酐酶的微生物菌粉，其掺量为复合胶凝材料质量的1％～2％，水与复合胶凝材料的质量比为0.4～0.5，复合胶凝材料与砂的质量比为1:2～1:3。
所述的微生物菌粉为胶质芽孢杆菌。
所述的将步骤2)得到的试件脱模后得到试样是指将试件置于相对湿度为60％±3％，温度为20±2℃的环境中养护1～2d后脱模得到试样。
所述的不锈钢渣砖的抗压强度为35～39MPa。
所述的模具的尺寸为240mm×115mm×53mm。
所述不锈钢渣砖的制备过程中，加入产碳酸酐酶的微生物菌粉后，通过微生物矿化过程中分泌的碳酸酐酶，能特定地提升制备过程的碳化效率；在CO2压力养护条件下，碳酸酶杆菌能够吸收、转化CO2为碳酸根，与复合胶凝材料中的Ca2+成CaCO3，填充试样的孔隙，优化孔隙结构，使得不锈钢渣砖的力学性能和抗渗透性能得到提升。
所述的不锈钢渣砖相关性能符合国标中(GB/T21144-2007)《混凝土实心砖》中B类MU35级砖的要求。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明以冶炼废渣不锈钢渣为主要原料制备实心建筑用砖，将废弃的不锈钢渣变废为宝，有效的实现了对固体废弃物的有效利用，减少土地占用和环境污染问题，环境友好，为不锈钢渣的使用提供了新的思路，增加了不锈钢产业链的下游产业，具有很好的经济、生态和环境效益。
2、本发明中采用的微生物矿化加速碳化技术，能源消耗低，碳酸酐酶菌分泌的碳酸酐酶能特定加速CO2吸收并向碳酸根转化的过程，与复合胶凝材料中的Ca2+等离子反应，同时微生物矿化生成的CaCO3在制品中密实结构，提升不锈钢渣砖的强度。
3、本发明制备的微生物矿化砖，强度等级高，其强度达到39MPa，吸水率只有9.5％，软化系数0.83，安定性合格，符合国标中(GB/T21144-2007)《混凝土实心砖》
中B类MU35级砖的要求。
附图说明
图1不锈钢渣矿物成分分析；
图2专利方案流程图。
具体实施方式
本发明所采用的微生物菌种胶质芽孢杆菌来源于中国工业微生物菌种保藏中心，该菌种在平台编号为20666。
本发明一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，方法步骤如下：
在对不锈钢渣进行矿物分析和毒性浸出测试，矿物成分分析选用X射线衍射分析(XRD)，不锈钢渣粉毒性检测根据《固体废物浸出毒性浸出方法－水平振荡法》(HJ577-2010)中水平振荡浸出方法进行检测，利用ICP(电感耦合等离子体发射光谱仪)进行离子成分含量分析，结果如附图1和表1所示，可见不锈钢渣虽然具有一定水硬活性，但活性远远不够，需要外加钙源；此外毒性浸出表明，在雨水冲刷和地下水环境下，毒性危害较少。将不锈钢渣和石灰按一定比例混合成复合胶凝材料，选定胶砂比、水胶比和微生物菌粉掺量。
表1不锈钢渣粉浸出液中重金属含量
本发明提供了一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将不锈钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料；
2)在复合胶凝材料倒入搅拌锅中，之后加入微生物菌粉的水溶液继续搅拌至均匀，随后加入砂并搅拌均匀成浆体，之后将浆体倒入尺寸为240mm×115mm×53mm的模具中，在压力为10～30MPa条件下压制成型，得到试件；
3)将步骤2)得到件试件置于相对湿度为60％±3％，温度为20±2℃的环境中养护1～2d后脱模得到试样，之后将试样置于相对湿度为95％以上、温度为20±2℃的条件下养护3～4d，再将试样放入压力釜中，在相对湿度为70％±3％、CO2压力为0.2～0.3MPa条件下养护4～6小时，得到不锈钢渣砖。
在CO2压力养护条件下，碳酸酶杆菌能够吸收、转化CO2为碳酸根，与复合胶凝材料体系中的Ca2+成CaCO3，填充制品的孔隙，优化孔隙结构，快速提升不锈钢渣砖的力学性能。
依据国标中(GB/T21144-2007)《混凝土实心砖》对微生物矿化不锈钢渣砖的相关力学性能和耐久性参数进行测试，并进行砖的相关性能对比，相关性能及对比如表2所示。
表2微生物矿化不锈钢渣砖与其他砖制品性能比较
利用微生物矿化制备不锈钢渣砖，此方法具有成本低、工艺流程简单、效果显著、环境友好的优点。
实施例1：
(1)将不锈钢渣和石灰按表3的比例混合成复合胶凝体系，固定胶砂质量比为1:3，水胶质量比为0.5，微生物菌粉掺量为胶凝材料质量的1.5％；
表3砖制品材料用量表
(2)将675g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入337.5g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀。随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中压制成型，成型压力15MPa,静压2分钟。
(3)成型后，将试件置于相对湿度57％，温度18℃的环境中养护，1d后脱模，将脱模后试样置于相对湿度95％，温度18℃的标准室中养护3天，随后放入压力釜中，在湿度67％，CO2压力为0.3MPa条件下养护6h，得到微生物矿化不锈钢渣砖。
实施例2：
(1)将不锈钢渣和石灰按表3的比例混合成复合胶凝体系，固定胶砂质量比为1:3，水胶质量比为0.4，微生物菌粉掺量为胶凝材料质量的1％；
表3砖制品材料用量表
(2)将675g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入270g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀。随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中压制成型，成型压力15MPa,静压2分钟。
(3)成型后，将试件置于相对湿度60％，温度20℃的环境中养护，2d后脱模，将脱模后试样置于相对湿度97％，温度20℃的标准室中养护4天，随后放入压力釜中，在湿度70％，CO2压力为0.2MPa条件下养护5h，得到微生物矿化不锈钢渣砖。
实施例3：
(1)将不锈钢渣和石灰按表3的比例混合成复合胶凝体系，固定胶砂质量比为1:2，水胶质量比为0.5，微生物菌粉掺量为胶凝材料质量的2％；
表3砖制品材料用量表
(2)将675g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入337.5g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀。随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中压制成型，成型压力30MPa,静压2分钟。
(3)成型后，将试件置于相对湿度63％，温度22℃的环境中养护，1.5d后脱模，将脱模后试样置于相对湿度99％，温度22℃的标准室中养护3.5天，随后放入压力釜中，在湿度73％，CO2压力为0.25MPa条件下养护4h，得到微生物矿化不锈钢渣砖。
实施例4：
(1)将不锈钢渣和石灰按表3的比例混合成复合胶凝体系，固定胶砂质量比为1:2，水胶质量比为0.4，微生物菌粉掺量为胶凝材料质量的1.5％；
表3砖制品材料用量表
(2)将675g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入337.5g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀。随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中压制成型，成型压力30MPa,静压2分钟。
(3)成型后，将试件置于相对湿度60，温度20℃的环境中养护，1d后脱模，将脱模后试样置于相对湿度95％，温度20℃的标准室中养护3d，随后放入压力釜中，在湿度70％，CO2压力为0.3MPa条件下养护4h，得到微生物矿化不锈钢渣砖。

Claims (5)

1.一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)将不锈钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料；
2)在复合胶凝材料倒入搅拌锅中，之后加入微生物菌粉的水溶液，继续搅拌至均匀，随后加入砂并搅拌均匀成浆体，之后将浆体倒入模具中，在压力为10～30MPa条件下压制成型，得到试件；
3)将步骤2)得到的试件脱模后得到试样，之后将试样置于相对湿度为95％以上、温度为20±2℃的条件下养护2～3天，再将试样放入压力釜中，在相对湿度为70％±3％、CO2压力为0.2～0.3MPa条件下养护4～6小时，得到不锈钢渣砖。
2.如权利要求1所述的一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，其特征在于：所述的不锈钢渣与石灰的质量比为7:3，所述微生物菌粉为产碳酸酐酶的微生物菌粉，其掺量为复合胶凝材料质量的1％～2％，水与复合胶凝材料的质量比为0.4～0.5，复合胶凝材料与砂的质量比为1:2～1:3。
3.如权利要求1所述的一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，其特征在于：所述的微生物菌粉为胶质芽孢杆菌。
4.如权利要求1所述的一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，其特征在于：所述的将步骤2)得到的试件脱模后得到试样是指将试件置于相对湿度为60％±3％，温度为20±2℃的环境中养护1～2d后脱模得到试样。
5.如权利要求1所述的一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，其特征在于：所述的不锈钢渣砖的抗压强度为35～39MPa。
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