CN107921492B - 制造轻质材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造轻质材料的方法。所述方法包括：a)将固体废物分散在水性试剂中以形成分散体，所述固体废物包含污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或从废物焚化中获得的灰中的至少一种；b)将所述分散体与包含发泡剂和金属硅酸盐的添加剂混合以形成混合物；和c)使所述混合物固化以获得轻质材料。还提供所述方法在制造轻质骨料、隔热板、轻质隔断墙或轻质砖中的用途。

Description

制造轻质材料的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为10201501250S，2015年2月17日提交的新加坡专利申请的优先权的权益，其内容通过引用全部并入本申请中用于所有目的。
技术领域
各种实施例涉及使用固体废物来制造轻质材料，该固体废物包括污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰。
背景技术
由于快速的城市化，全世界每年都在生产大量的污水污泥和城市固体废物(MSW)，且该数量正在快速增长。仅在美国，城市固体废物年产量为2亿至4亿吨。这些造成了严重的全球环境问题。
为了管理废物，包括新加坡和欧洲在内的大多数发达国家采用焚烧方式。通过焚烧，在将污水污泥和MSW运送至填埋场之前，可以减少约70％至90％的污水污泥和MSW质量。该方法还具有可以在该过程中烧掉病毒和有机污染物的额外优势。尽管如此，据估计，全世界每年生产约170万吨污水污泥焚烧灰，且今后这个数字有可能迅速增加。例如，在新加坡，每年分别从燃烧的MSW和污水污泥中产生约50万吨的MSW焚烧灰和1.8万吨的污水污泥焚烧灰。在实马高岛(Pulau Semakau)填埋场中处理掉焚烧灰，据预测，到2045年，该填埋场将被用尽，且目前，在新加坡，两种焚烧灰的回收率为0％。
大多数关于焚烧灰的研究聚焦于其安全处理，而不是将焚烧灰转化为资源。开发可将焚烧灰转化为绿色产品的技术对于保护珍贵的土地和水资源来说是重要的。此外，较严格的立法和较高的处理成本为开发经济上可行的再利用和回收替代方案提供了较大的动力。
除了焚烧灰，世界各地沿海和近海地区可以发现的海洋粘土是固体废物的另一个主要来源。以新加坡为例，每年从建筑工地，特别是地铁或道路系统的建筑工地，移除大量的海洋粘土。海洋粘土的膨胀和收缩性能可能造成地基问题，从而导致过度沉降，如2004年尼科尔高速公路(Nicoll Highway)塌方所见。在滨海堤坝(Marina Barrage)建造期间，挖掘出大量的海洋粘土，该海洋粘土必须移除以确保其稳定性。此外，海洋粘土由于排入海洋的工业废物或来自油轮的油膜而容易受到重金属的污染。新加坡的立法禁止在填埋场处理污染的海洋粘土，且目前，已经将海洋粘土运送至樟宜东(Changi East)的集结地。然而，这并非可持续的解决方案。
淤泥也构成在新加坡产生的废物的主要来源。淤泥的回收很困难，主要是由于其水含量高。淤泥管理因此而成为社会和环境问题。在新加坡，没有可行且可持续的技术可用于回收淤泥。目前，在双溪登雅路(Sungei Tengah Road)位置处理淤泥，且处理费约为每吨20新加坡元。
由于玻璃并非是生物所能分解的，所以可能来源于消费性电子产品如电视机和计算机的废弃玻璃可能会在处理中引起问题，且如在装瓶和集装箱行业中，仅可以回收或重复使用少部分的废弃玻璃。由于仅可以重熔限量的玻璃来制造新容器(这是目前回收的玻璃的主要用途)，因此，需要利用回收的废弃玻璃的新产品来进一步促进玻璃回收。
绿色建筑材料是从废物中回收的材料，其具有特定的好处，如节能。由于环境保护和资源枯竭意识的增强，绿色建筑材料吸引了浓厚的兴趣。绿色建筑材料的开发利用的其它动力包括社会经济因素，如环境责任、资源效率、提升企业形象。在新加坡，在住宅和非住宅建筑中使用经认证的绿色建筑材料的激励包括有关当局奖励绿色标记得分。
市售人造轻质绿色建筑材料(无机)包括泡沫玻璃和泡沫陶瓷，其具有轻质(资源效率)、低热导率(节能)、高热稳定性和不可燃(对环境负责的)的性质。然而，由于与分拣回收的玻璃和陶瓷相关的复杂性和高成本，回收玻璃或陶瓷通常不用于生产泡沫玻璃和泡沫陶瓷，因而泡沫玻璃和泡沫陶瓷在部分地由于原材料成本高而相对昂贵。
鉴于以上所述，存在对克服或至少减轻一个或多个上述问题的利用固体废物(比如在制造轻质材料中)的改进的方法的需要。
发明内容
在第一方面，提供一种制造轻质材料的方法。所述方法包括
a)将固体废物分散在水性试剂中以形成分散体，所述固体废物包含污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或从废物焚化中获得的灰中的至少一种；
b)将分散体与包含发泡剂和金属硅酸盐的添加剂混合以形成混合物；和
c)使所述混合物固化以获得轻质材料。
在第二方面，提供通过根据第一方面的方法制造的轻质材料。
在第三方面，提供根据第一方面的方法在制造轻质骨料、隔热板、轻质隔断墙或轻质砖上的用途。
附图说明
结合非限制性实施例和附图，参考详细描述，将更好地理解本发明，其中：
图1展示描绘轻质骨料可能用作：(A)墙板、(B)排水层、(C)轻质砖、(D)屋顶、(E)石油底井、(F)道路和路面、(G)混凝土、和(H)桥梁的照片。
图2展示根据实施例的轻质骨料原型。所述轻质骨料具有固有的优点，如低热导率、隔音、不可燃和高热稳定性、低密度、无毒、抗啮齿动物和昆虫、抗菌和耐紫外线。
图3为展示根据实施例生产轻质骨料的示意图。将发泡剂和添加剂加入固体废物混合物中，并将所得的混合物进行球磨，得到微细混合物。将微细混合物进行球状化并发泡以形成轻质骨料。
图4为展示为了比较的目的，在不添加偏硅酸钠的情况下以不同的发泡温度生产的轻质骨料的表观密度的图。
图5为根据实施例在不同发泡温度下生产的轻质骨料的表观密度的图。
图6为展示根据实施例在不同烧结温度下生产的轻质骨料的吸水率的图。
图7为展示根据实施例使用不同的硅酸盐：偏硅酸钠、硅酸铝和硅酸钙(全部为3％)作为添加剂，以不同烧结温度生产的轻质骨料的表观密度。
图8描绘了莱利(Riley)的三元图。
图9为展示根据实施例在不同发泡温度下生产的轻质骨料的表观密度的图。
图10为展示根据实施例在不同发泡温度下生产的轻质骨料的吸水率的图。
图11为泡沫材料应用于A)建筑(外墙)和B)工业烟囱和管道中的照片。
图12展示根据实施例的隔热板的原型。
图13为根据实施例生产隔热板的示意图。将发泡剂和添加剂加入固体废物混合物中，并将得到的混合物进行球磨，得到微细混合物。将微细混合物进行球状化，在此期间，加入粘合剂。随后(i)模制和压缩，以及(ii)脱模并发泡以形成绝缘面板。
图14为展示根据实施例的轻质隔断墙的原型的照片。
图15为在新加坡拍摄的正在建造的建筑的照片。
图16为展示根据实施例的轻质砖的原型的照片。
图17为展示用于生产两种类似密度((i)0.61g/cm3至1.1g/cm3和(ii)0.50g/cm3至0.61g/cm3)的轻质骨料的制剂1、2和3(F1、F2和F3)的能耗图。
具体实施方式
在第一方面，各种实施例涉及使用固体废物制造轻质材料的方法。本文所用的术语“固体废物”是指在工业、商业、矿业或农业经营，和/或社区活动中丢弃的固体、半固体或含固体的无机或有机材料。
固体废物的例子可以包括但不限于：垃圾、建筑碎片、拆迁废物、工业或农业废物、生产废物、商业垃圾、来自供水或废物处理厂的污泥、或空气污染控制设施、污水污泥、农业垃圾、矿业残渣，并可以包括物品如废纸、废木材和/或塑料废物。
固体废物可能被有害物质或污染物污染。本文所用的术语“有害物质”或“污染物”是指以对健康和/或环境有毒或有害的量存在于固体废物中的不想要的物质。有害物质或污染物的例子为有毒的重金属。本文所用的术语“重金属”是指这样的金属化合物或络合物：如果以小量以上摄取或吸收于身体中，可被认为是有毒的，比如但不限于d区金属的化合物或络合物，d区金属比如汞、镉、金、银、铂、镍、铬和钼。污染物的另外的例子包括硫族元素、铅、铋、砷、铝、氰化物、硫酸盐和/或磷酸盐。在这些实施例中，固体废物可以称为“污染的固体废物”。有利地，本文公开的方法能够将有害物质锁定在所获得的轻质材料中，使得在将固体废物转化为轻质材料之后，有害物质不能浸出。
由于其较低的烧结温度和较短的保持时间，与现有方法的情况相比，本文公开的方法还可以提供能量密集度较低的工艺。结果是显著节能。使用本文公开的方法，固体废物如污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰可以转化或用于制造轻质材料，如轻质骨料、隔热板、轻质隔断墙和/或轻质砖。超过95％的轻质材料可以由固体废料形成。
本文公开的轻质材料的密度可以为约0.25g/cm3至约0.9g/cm3，低吸水率可以为小于2％或小于1％，均匀孔径可以为约0.1mm至约2mm，且高压缩强度可以为约0.8MPa至约18Mpa。这些性质使所述轻质材料适用于结构用途如建筑和道路，隔热用途如屋顶隔热和其它隔热目的。特别地，本文公开的轻质材料的高热稳定性可以大于800℃，热导率可以为约0.12W/m-k至约0.2W/m-k，并且是不可燃的，这使其可用于隔热用途。轻质材料的吸声系数为约0.35至约0.5也可以使其适于隔音应用。
考虑到上述情况，本文公开一种制造轻质材料的方法。该方法包括将固体废物分散于水性试剂中以形成分散体，该固体废物包括污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰中的至少一种。
海洋粘土通常是指世界各地的沿海和近海区域可以发现的一类粘土。在城市化国家如新加坡，在建筑工地，特别是在地铁或道路系统的建筑工地，每年挖掘出大量的海洋粘土，且该海洋粘土需要处理掉。在海洋粘土的情况下，泥浆或淤泥可能因挖掘活动而产生，且需要处理掉。
可能主要由二氧化硅形成的废弃玻璃可以来源于消费性电子产品，如电视机、监视器、荧光管和/或节能灯和/或光伏系统。
通常，由焚烧废物获得的灰或焚烧炉灰可以分为底灰和飞灰。术语“底灰”，在本文中另外称为“焚烧炉底灰”，IBA，是指收集在燃烧室或焚烧炉的底部的灰。通常，底灰含有炉渣、玻璃、陶瓷、含铁金属和非铁金属、矿物质、不可燃物和未燃烧的有机物质的不均匀混合物。在另一方面，飞灰是指比底灰轻的灰，且其主要集中在连接至焚烧炉的排气处理系统中或设置在排气处理系统中的集尘器中。底灰和飞灰具有明显不同的性质和组成，且飞灰比重较小并含有比底灰更多的挥发性成分。
表1提供通过能量色散X射线光谱法(EDX)测得的本文公开的焚烧灰、海洋粘土、废弃玻璃和固体废物(“混合物”)的示例性化学组合物。
表1：焚烧灰、海洋粘土、废弃玻璃和固体废物(“混合物”)的化学组合物
单位:％ SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Na<sub>2</sub>O MgO CaO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> K<sub>2</sub>O TiO<sub>2</sub> ZnO
焚烧灰 51.64 15.53 1.27 3.05 13.72 11.35 0.99 1.15 1.3
海洋粘土 55.38 39.38 --- 0.68 --- 1.63 2.93 --- ---
废弃玻璃 92.67 2.55 4.78 --- --- --- --- --- ---
混合物* 64.68 16.41 2.07 1.66 6.86 6.0 1.08 0.58 0.65
*混合物由不同组分重量比的50％焚烧灰、30％废弃玻璃和20％海洋粘土组成。
在具体实施例中，所述固体废物包含海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧中获得的灰中的至少一种。
在各种实施例中，包含污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰中的至少一种的固体废物包含至少约40wt％的二氧化硅。例如，包含污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰中的至少一种的固体废物可以包含至少约45wt％的二氧化硅，比如至少约50wt％、约53wt％、56wt％、或至少约60wt％的二氧化硅。
在一些实施例中，包含污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰中的至少一种的固体废物包括氧化铝。通常，所述固体废物中氧化铝的量可以占所述固体废物约0.5wt％至约40wt％。
如上所述，所述固体废物可能被有害物质或污染物如有毒重金属污染。在各种实施例中，所述固体废物包括一种或多种污染物。所述一种或多种污染物可以选自重金属、硫族元素、铅、铋、砷、铝、氰化物、硫酸盐、磷酸盐及其组合。除了污染的固体废物中所包含的或附加的物质外，所述一种或多种污染物可以包含在海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰中。使用根据本文公开的实施例的方法，可以获得具有独特的封闭泡孔结构的轻质材料，该结构的密度和吸水率非常低。该封闭泡孔结构可以起到将有害物质紧固或锁定于所述轻质材料内的作用，使得有害物质不会浸出，从而避免使用所述固体废物可能产生的健康或环境问题。
根据其化学组合物和/或轻质材料的预期的应用，污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或由废物焚烧获得的灰中的至少一种可以以任何合适的组合包含在所述固体废物中。例如，当所述轻质材料为轻质骨料时，所述固体废物可包含重量比约为3:2的焚烧炉灰和废弃玻璃。在存在泥浆的可替换实施例中，所述固体废物可包含重量比约为5：3：2的泥浆、焚烧灰和废弃玻璃。
在各种实施例中，所述固体废物包含重量比为约0:3:2至约5:3:2，比如约1:3:2至约5:3:2、约2:3:2至约5:3:2，或约3:3:2至约5:3:2的泥浆、由废物焚烧获得的灰和废弃玻璃。
所述固体废物分散在水性试剂中以形成分散体。本文所用的术语“水性试剂”是指含水液体或主要基于水的液体试剂。水性试剂的例子包括水性液体，比如水、缓冲溶液、碱性或酸性溶液、盐溶液或水与水混溶性液体的混合物，水混溶性液体的混合物可以为低级链烷醇，比如甲醇、乙醇和/或丙醇；醚，比如二乙醚和/或二乙二醇甲醚；和/或低级酮，比如丙酮、甲基乙基酮。在具体实施例中，水性试剂为水。所述固体废物在水性试剂中的分散可以使用任何合适的搅拌方法如超声处理、搅动和/或摇晃进行。
通过形成分散体，并将包含发泡剂和金属硅酸盐如水溶性偏硅酸钠的添加剂添加至所述分散体中，以本文公开的低发泡温度和低保持时间来制造轻质材料的低能量方法可导致产生具有密度和吸水率非常低的独特的封闭泡孔结构的轻质材料。
在将所述固体废物分散于水性试剂中之前，可以使所述固体废物经受尺寸减缩过程。通过减缩所述固体废物的粒径，可以提高所述固体废物的可加工性。合适的尺寸减缩过程的例子包括但不限于：碾磨、球磨、研磨、破碎、切割及其组合。
在各种实施例中，在将所述固体废物分散于水性试剂中之前，使所述固体废物经受球磨过程。所述球磨可以例如以约300rpm至约400rpm的速度进行约5分钟至约30分钟。可以在足以将混合物的粒径降低至平均粒径为约500μm或更小的时间段进行球磨。例如，可以将混合物的粒径降低至平均粒径为约20μm至约500μm，比如约40μm至约500μm、约100μm至约500μm、约150μm至约500μm、约200μm至约500μm、约300μm至约500μm、约400μm至约500μm、约20μm至约400μm、约20μm至约300μm、约20μm至约200μm、约20μm至约100μm、约20μm至约50μm、或约30μm至约50μm。
将分散体与包含发泡剂和金属硅酸盐的添加剂混合以形成混合物。本文所用的术语“发泡剂”是指可以加入以在混合物中产生气体的物质。当与添加剂中包含的金属硅酸盐结合使用时，可以在所得的轻质材料中形成泡孔结构。
所述发泡剂可以选自能够分解以在混合物的固化温度下释放气体的各种物质。在各种实施例中，所述发泡剂选自碳化硅、氧化铁、硫酸钙、碳酸钙、碳酸钠、炭黑及其组合。在具体实施例中，所述发泡剂包括碳化硅或由碳化硅组成。
所述混合物中的发泡剂的量可以取决于因素如所得的轻质材料的孔隙率要求和所使用的发泡剂的类型。通常，所述混合物中发泡剂的量可以为混合物的约0.1wt至约2wt％，例如约0.4wt％至约2wt％、约0.8wt％至约2wt％、约1.2wt％至约2wt％、约1.5wt％至约2wt％、约1.8wt％至约2wt％、约0.1wt％至约1.8wt％、约0.1wt％至约1.5wt％、约0.1wt％至约1.3wt％、约0.1wt％至约1wt％、约0.1wt％至约0.8wt％、约0.1wt％至约0.5wt％、约0.3wt％至约1.8wt％、约0.5wt％至约1.5wt％、约0.8wt％至约1.2wt％、或约0.2wt％至约0.5wt％。
除了发泡剂之外，所述添加剂还含有金属硅酸盐。有利地，金属硅酸盐可以在形成所述轻质材料的过程中降低混合物的固化温度，同时降低所形成的轻质材料的密度。
在各种实施例中，金属硅酸盐为水溶性金属硅酸盐。所述水溶性金属硅酸盐可以溶解在水中以形成粘性溶液，由此用作所述固体废料的固体颗粒材料的粘合剂，以防止在固化过程中由于所述发泡剂作用在所述固化废料上而产生的气体逸出。如上所述，金属硅酸盐可以在形成所述轻质材料的过程中降低所述混合物的固化温度，同时降低所形成的所述轻质材料的密度。所述水溶性金属硅酸盐可以进一步改善这些情况，从而允许在较低的固化温度下形成低密度的轻质材料。
在各种实施例中，所述金属硅酸盐包含碱金属硅酸盐或由碱金属硅酸盐组成。所述碱金属硅酸盐可以为例如硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾、硅酸铷、硅酸铯或硅酸钫中的至少一种。
在一些实施例中，所述金属硅酸盐选自偏硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝及其混合物。
在具体实施例中，金属硅酸盐为偏硅酸钠。有利地，发明人已经惊奇地发现，与其它金属硅酸盐如硅酸铝和硅酸钙相比，偏硅酸钠能够显著地降低所述混合物发泡的温度，并形成密度低得多的轻质材料。在各种实施例中，偏硅酸钠在所得的轻质材料中产生泡孔结构，其能够防止可能存在于用于形成所述轻质材料的所述固体废物中的有毒材料(如有毒有害重金属)的浸出。
所述混合物中金属硅酸盐的量可以占所述混合物约1wt％至约10wt％。例如，所述混合物中金属硅酸盐的量可以占所述混合物约3wt％至约10wt％，比如约5wt％至约10wt％、约7wt％至约10wt％、约1wt％至约8wt％、约1wt％至约5wt％、约1wt％至约3wt％、约2wt％至约8wt％、或约3wt％至约7wt％。
除了所述发泡剂和所述金属硅酸盐之外，所述添加剂还可以包含助熔剂。本文所用的术语“助熔剂”是指加入以降低混合物熔化的温度或在系统中形成熔体的温度的物质。在使用泥浆的实施例中，例如，由于泥浆熔点高，可以使用助熔剂如硼砂来降低所述混合物熔化的温度。在各种实施例中，所述助熔剂选自硼酸钠、硼酸、碳酸钠、碳酸钾、焦炭、石灰及其组合。在具体实施例中，所述助熔剂包括硼酸钠(或称为硼砂)或由硼酸钠组成。
所述混合物中的所述助熔剂的量可以为约5wt％或更少。例如，所述助熔剂的量可以占所述混合物约0.1wt％至约5wt％，比如约0.5wt％至约5wt％、约1wt％至约5wt％、约2wt％至约5wt％、约3wt％至约5wt％、约0.1wt％至约4wt％、约0.1wt％至约3wt％、或约1wt％至约4wt％。
在各种实施例中，所述添加剂还可以包含粘合剂。本文所用的术语“粘合剂”是指能够使两种或更多种材料彼此连接，从而使该两种或更多种材料保持在一起的材料。在各种实施例中，所述粘合剂包含SiO2和/或硅酸盐，比如硅酸钠和/或硅酸钾；以及氢氧化物，所述氢氧化物选自碱金属氢氧化物(如氢氧化钠和/或氢氧化钾)、碱土金属金属氢氧化物、氢氧化铵及其组合。
上文已经提及可以使用的硅酸盐的例子。碱金属氢氧化物的例子包括氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯、氢氧化钫或其组合。碱土金属氢氧化物的例子包括氢氧化铍、氢氧化铍、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化钙、氢氧化锶、氢氧化钡或其组合。
在具体实施例中，所述粘合剂包含硅酸钠的碱性水溶液。
所述混合物中的所述粘合剂的量可以为约5wt％或更少。例如，所述粘合剂的量可以占所述混合物约0.1wt％至约5wt％，比如约0.5wt％至约5wt％、约1wt％至约5wt％、约2wt％至约5wt％、约3wt％至约5wt％、约0.1wt％至约4wt％、约0.1wt％至约3wt％、或约1wt％至约4wt％。
如上所述，将分散体和添加剂混合以形成混合物。在各种实施例中，将分散体与所述添加剂混合包括使所述混合物凝聚以获得混合物的一种或多种骨料。本文所用的术语“凝聚”是指多种颗粒据以在物理和/或化学上粘附或聚集在一起以形成物质的离散体或骨料的过程。
所述一种或多种骨料的平均尺寸可以为约0.5cm至约5cm。在各种实施例中，所述一种或多种骨料的平均尺寸为约1cm至约5cm，比如约1.5cm至约5cm、约2cm至约5cm、约2.5cm至约5cm、约3cm至约5cm、约3.5cm至约5cm、约4cm至约5cm、约1cm至约4cm、约1cm至约3cm、约1cm至约2cm、约2cm至约4cm、约2cm至约3cm、或约1.5cm至约4.5cm。
在混合物凝聚的同时，可以将第二粘合剂加入到所述混合物中。上文已经提及可以使用的合适的粘合剂的例子。在各种实施例中，所述第二粘合剂包括硅酸盐和选自以下的氢氧化物：碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、氢氧化铵及其组合。在具体实施例中，所述第二粘合剂包含硅酸钠的碱性水溶液。
所述混合物中的所述第二粘合剂的量可以为约5wt％或更少。例如，所述第二粘合剂的量可以占所述混合物约0.1wt％至约5wt％，比如约0.5wt％至约5wt％、约1wt％至约5wt％、约2wt％至约5wt％、约3wt％至约5wt％、约0.1wt％至约4wt％、约0.1wt％至约3wt％、或约1wt％至约4wt％。
本文公开的方法包括使所述混合物固化以获得所述轻质材料。在各种实施例中，使所述混合物固化以获得所述轻质材料在约1000℃至约1150℃的温度下进行。例如，使所述混合物固化以获得所述轻质材料可以在约1025℃至约1150℃、约1050℃至约1150℃、约1075℃至约1150℃、约1100℃至约1150℃、约1125℃至约1150℃、约1000℃至约1125℃、约1000℃至约1100℃、约1000℃至约1075℃、约1000℃至约1050℃、约1000℃至约1025℃、约1050℃至约1100℃、或约1075℃至约1125℃的温度下进行。
在一些实施例中，使所述混合物固化以获得所述轻质材料在约1100℃至约1125℃的温度下进行。发明人惊奇地发现，在约1100℃至约1125℃的温度下使所述混合物固化可能产生轻质材料，比如密度非常低的轻质骨料。特别地，约1100℃的温度可被认为是生产非常低密度的轻质材料的最佳温度。
使所述混合物固化以获得所述轻质材料可以在足以获得所述轻质材料的任何合适的时间段进行。在各种实施例中，使所述混合物固化以获得所述轻质材料可以进行约1分钟至约15分钟，比如约3分钟至约15分钟、约8分钟至约15分钟、约10分钟至约15分钟、约1分钟至约12分钟、约1分钟至约10分钟、约1分钟至约8分钟、约1分钟至约5分钟、约1分钟至约3分钟、约1分钟至约2分钟、约3分钟至约10分钟，或约5分钟至约10分钟。
在一些实施例中，使所述混合物固化以获得所述轻质材料通过将混合物加热至约1100℃至约1125℃的温度，使混合物在该温度保持约1分钟至约2分钟，然后将混合物冷却至室温进行。将所述混合物加热至约1100℃至约1125℃的温度可以使用约10℃/min至约20℃/min的加热速率来进行。
如上所述，本文公开的方法可以使用较低的发泡温度，比如约1000℃至1100℃或约1100℃至约1125℃，来进行。加上保持时间小于2分钟，使用本文公开的用于制造轻质材料的方法可以实现显著的节能。
在一些实施例中，在固化之前可以压缩和/或模制所述混合物。压缩和/或模制步骤可以在轻质材料为例如隔热板的实施例中进行，并且可以类似地在所述轻质材料为轻质隔断墙或轻质砖的情况下使用。
所述混合物可以例如以约5MPa至约20MPa，比如约5MPa至约18MPa、约5MPa至约15MPa、约5MPa至约10MPa、约5MPa至约8MPa、约8MPa至约20MPa、约12MPa至约20MPa、约15MPa至约20MPa、约8MPa至约16MPa、约10MPa至约18MPa、或约5MPa至约10MPa的压力压缩。所述压缩可以在压力机，如液压机，中进行。
所述压缩可以在任何合适的时间段进行，并且通常可以压缩约1分钟至约10分钟，比如约3分钟至约10分钟、约5分钟至约10分钟、约7分钟至约10分钟、约1分钟至约8分钟、约1分钟至约5分钟、约1分钟至约3分钟、约3分钟至约8分钟、或约2分钟至约7分钟。
各种实施例在第二方面涉及通过根据第一方面的方法制造的轻质材料，并且在另一方面，涉及根据第一方面的方法在制造轻质骨料、隔热板、轻质隔断墙或轻质砖上的用途。
轻质骨料(LA)是绿色建筑材料之一，其在建筑行业的各种应用中，例如在建筑用轻质混凝土、砖和隔热材料中，需求高。在高层建筑结构中，建筑材料的密度变得至关重要，而在混凝土中使用轻质骨料是解决此问题的一种方式。并入建筑材料中的轻质骨料的使用可以显著降低建筑物的能耗，以及二氧化碳足迹。
如上所述，本文公开的轻质材料的密度可以为约0.25g/cm3至约0.9g/cm3，低吸水率小于2％或小于1％，均一孔径约为约0.1mm至约2mm，高压缩强度为约0.8MPa至约18Mpa。这些性质使所述轻质材料适用于结构用途如建筑和道路，隔热如屋顶绝缘和其它绝缘目的。特别地，本文公开的轻质材料的高热稳定性可以大于800℃，热导率可以为约0.12W/m-k至约0.2W/m-k，并且是不可燃的，这在隔热中提供了应用。轻质材料的吸声系数为约0.35至约0.5也可以使其适于隔音应用。
在下文中，参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式呈现，并且不应被解释为限于本文阐述的示例性实施例。相反，提供这些实施例使得本申请较为透彻和完整，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，可放大层和区域的长度和尺寸。
本文所用的术语“和/或”包括一个或多个列出的相关项目的任何和所有组合。在不存在本文未特别公开的任何元件，限制的情况下，本文示例性地描述的本发明可以适当地实施。因此，例如，术语“包括”、“含有”、“包含”等应作扩大的理解且不受限制。此外，本文使用的术语和表达以说明而不是限制的方式使用，且并非意图使用这些术语和表达来排除展示的和描述的特征或其部分的任何等同物，并且应该认识到在所要求保护的本发明的范围内可能进行各种修改。因此，应当理解，尽管通过优选实施例和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以对本文呈现的本发明进行修改和变化，且这些修改和变化是被认为在本发明的范围内。
本文已经对本发明进行了广泛的和大致的描述。落入大致的公开内容内的每个较窄的物种和亚属组合也构成本发明的一部分。这包括对本发明的一般性描述，其中从所述属中删去了附带性或否定性的任何主题(不管本文中是否具体描述了这些被删去的材料)。
其它实施例在所附权利要求的范围内且为非限制性实施例。此外，在本发明的特征或方面根据马库什组进行描述的情况下，本领域技术人员将认识到本发明也根据马库什组的任何个体成员或亚组成员来描述。
实验部分
各种实施例公开了涉及污染的固体废料(海洋粘土、焚烧灰和泥浆)至绿色建筑材料的简单且能量密集度较低的转化的技术。可以将存在于液体悬浮液中的不同类型的有害固体废料通过低能源过程转化成增值的绿色建筑材料。有害的固体废料包括污染的海洋粘土和泥浆、焚烧灰和废弃玻璃。所生产的绿色建筑材料为轻质骨料、轻质隔断墙、隔热板和轻质砖。该技术的关键是在此过程中使用水溶性偏硅酸钠，水溶性偏硅酸钠具有当与其他添加剂混合时在较低的发泡温度和保温时间下产生密度和吸水率非常低的封闭泡孔结构的轻质材料的独特能力(表1)。这使得在单一生产线工艺中能够简单地混合各种废物成分和添加剂。这种技术的商业吸引力源于其较低的能量需求和生产环保建筑材料的简单生产线。
由于其重金属含量潜在浸出至农用土壤和地下水中，在运送至填埋场时，焚烧灰代表主要的环境危害。海洋粘土和泥浆是新加坡产生的其它潜在的固体废物，且目前的管理方法，即置于填埋场或集结地，特别是对于像新加坡这样的土地稀缺型国家来说，是不可持续的。本文公开的技术能够将对环境有害的焚烧灰、海洋粘土和泥浆转化为增值的绿色建筑材料，包括轻质骨料、轻质隔断墙、隔热板和轻质砖。这些材料将通过赋予闭孔(close-pore)结构以低吸水性来将重金属内容物“锁定”并稳定在该结构中，这意味这些材料在其使用寿命后可被安全处置。绿色建筑材料的密度和吸水率较低，与目前的商品相当或甚至比商品的密度和吸水率更好。另外，由于所产生的CO2最少，其生产过程对环境的影响最小，发泡温度下的保持时间短，只有约1至约2分钟，这意味着该过程不需要高能耗。
实施例1：轻质骨料(LA)
该技术将焚烧灰或海洋粘土或泥浆或其混合物转化为低密度(0.25g/cm3至0.8g/cm3)、低吸水率(小于1％)、均一孔径(0.2mm至1.0mm)和高机械强度(1.5MPa至10MPa)的轻质骨料。焚烧灰、海洋粘土和泥浆的主要成分为SiO2、CaO、Al2O3、Na2O、和Fe2O3，与玻璃和粘土的相似。因此，可以使用焚烧灰和海洋粘土作为原材料来生产轻质骨料。
受过污染的固体废物(焚烧灰/海洋粘土/泥浆/废弃玻璃或其混合物)的含量高达98％。此外，用于生产轻质骨料的烧结温度为1000℃至1100℃，持续时间短，为1分钟，这不会导致高能耗。这项技术是及时的且适应新加坡和全球在通过废物至资源的回收进行可持续发展上的努力。
已经在焚烧灰的轻质骨料转化上进行了一些研究，但是其性质仍然较差(表2)。
表2：使用焚烧灰生产轻质骨料(LA)的结果。
Figure BDA0001435117640000141
*制剂中使用了22％的硼酸，这大大增加了成本。
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图2展示以焚烧灰作为原材料生产的轻质骨料的原型。
图3展示了生产轻质骨料的方法。包括焚烧灰、海洋粘土、泥浆和废弃玻璃的固体废物为主要的原材料。首先，将两种或三种固体废物以各种比率混合。然后将适量的发泡剂和添加剂加入所述固体废物混合物中。所述发泡剂和添加剂可以为SiC、硼砂、磷酸二氢钠、偏硅酸钠和硅酸钠的碱性水溶液。此后，将混合物以350rpm的速度进行10分钟球磨。在球状化过程之后，将颗粒以约10℃/min至约20℃/min的加热速率加热至高达约1000℃至约1100℃的温度，并在该温度下保持1至2分钟。冷却至室温后得到该轻质骨料。
实施例1.1：在没有偏硅酸钠的情况下生产LA
实施例1.1.1：所使用的加工条件和材料
固体废物混合物：焚烧灰/废弃玻璃＝3/2(重量比)
添加剂：0.25wt％的SiC
加热速率：10℃/min
最佳温度下的保持时间：2分钟。
实施例1.1.2：结果和讨论
首先制备不添加偏硅酸钠的轻质聚集体。表观密度是评估轻质骨料质量的最重要参数之一。正常情况下，所述轻质骨料的较低密度导致较低的导热性和较低的建筑恒载。在烧结过程中，固体废物可能熔化，且发泡剂(SiC)可能产生气体，使轻质骨料膨胀并产生泡孔结构。
图4展示在不添加偏硅酸钠的情况下在不同发泡温度下生产的轻质骨料的表观密度。随着发泡温度从1000℃升高至1150℃，轻质骨料的表观密度从2.0g/cm3逐渐降低至0.85g/cm3。
在不添加偏硅酸钠的情况下，轻质骨料的发泡温度和表观密度相当高，因此该方法并不节能。此外，在不添加偏硅酸钠的情况下，轻质骨料(0.85g/cm3)的吸水率在1150℃下大于5.0％，这比在添加偏硅酸钠的情况下在1025℃至1125℃下的轻质骨料高。
实施例1.2：在SiC和偏硅酸钠的存在下制备LA
实施例1.2.1：所使用的加工条件和材料
固体废物混合物：焚烧灰/废弃玻璃＝3/2(重量比)
添加剂：0.25wt％的SiC和2.0wt％的偏硅酸钠
加热速率：10℃/min
最佳温度下的保持时间：2分钟。
实施例1.2.2：结果和讨论
图5展示在不同发泡温度下生产的轻质骨料的表观密度。随着发泡温度从1000℃升高至1100℃，轻质骨料的表观密度从0.95g/cm3逐渐降低到0.25g/cm3。这可归因于熔融材料的粘度降低和气体压力的增加。然而，将发泡温度进一步提高至1150℃导致表观密度增加至0.39g/cm3。在较高的发泡温度，熔融材料的粘度降低，且气体压力进一步增加，这可能导致气体逸出和表观密度增加。在此，1100℃可以被认为是生产密度非常低的轻质骨料的最佳温度。偏硅酸钠可以降低发泡温度，并产生封闭泡孔细胞，防止有毒有害重金属的浸出。
吸水率可以认为是评估轻质骨料质量的另一个重要参数。标准重量的骨料(石料)的吸水率通常小于2.0wt％。如果轻质骨料的吸水率高，则其会吸附较多的水分，降低混凝土的加工能力。此外，轻质骨料的热导率在吸水后大大增加。图6展示在不同发泡温度下生产的轻质骨料的吸水率。在1000℃至1100℃的发泡温度下产生的轻质骨料的吸水率小于1.0wt％，这比标准商用轻质骨料低且与标准重量的骨料相当。发泡温度的进一步提高导致高吸水率，这归因于高温下由气体逸出产生的开放的泡孔结构。在1150℃下吸水率为8.5％左右。
实施例1.3：用偏硅酸钠和其它硅酸盐添加剂生产LA：比较性研究
实施例1.3.1：所使用的加工条件和材料
固体废物混合物：焚烧灰/废弃玻璃＝3/2(重量比)
添加剂：0.25wt％的SiC和3.0wt％的偏硅酸钠、硅酸铝或硅酸钙
加热速率：10℃/min
最佳温度下的保持时间：2分钟。
实施例1.3.2：结果和讨论
为了研究另一种硅酸盐添加剂如何影响轻质骨料的密度，并且了解为什么加入偏硅酸钠可以大大降低轻质骨料的密度和烧结温度，制备了具有其它硅酸盐添加剂的轻质骨料以进行比较。图7展示了使用不同的硅酸盐作为添加剂在不同烧结温度下生产的轻质骨料的表观密度。与不含硅酸盐添加剂的轻质骨料(图4)相比，在相同的烧结温度，具有硅酸铝或硅酸钙添加剂的轻质骨料也展示出低得多的表观密度(相对于1000℃下的0.86g/cm3或1.09g/cm3至2.0g/cm3)。
根据莱利的三元图(图8)，为了生产发泡材料如轻质骨料，所述固体废物的化学组合物应在可膨胀区的区域内。通常，由于SiO2的含量低，焚烧灰的化学成分不在三元图的可扩展区的极限内。硅酸盐(偏硅酸钠或硅酸铝或硅酸钙)的添加可增加SiO2的含量，并可能导致烧结温度的降低。
表1列出了各种内容物的百分比量，这应该是最佳的组合物，其导致生产轻质骨料的工艺最节能。
另外，与具有硅酸铝或硅酸钙的轻质骨料相比，在较低的烧结温度(975℃至1000℃)下，具有偏硅酸钠的轻质骨料显示出低得多的表观密度。偏硅酸钠可溶于水以形成粘性溶液，而硅酸铝和硅酸钙都不溶于水。这可能是由于偏硅酸钠粘性溶液可以作为固体颗粒材料的粘合剂，以防止在较低烧结温度下产生的气体逸出的事实，其会导致在低烧结温度下形成低密度的轻质骨料。
实施例1.4：在SiC、硼砂和偏硅酸钠的存在下的生产
实施例1.4.1：所使用的加工条件和材料
固体废物混合物：泥浆/焚烧灰/废弃玻璃＝5/3/2(重量比)
添加剂：0.25wt％的SiC，1.0wt％的硼砂和3.0wt％的偏硅酸钠
加热速率：10℃/min
最佳温度下的保持时间：2分钟。
实施例1.4.2：结果和讨论
在该制剂中，由于泥浆的熔点高，使用硼砂作为助熔剂。图9展示在不同发泡温度下生产的轻质骨料的表观密度。泥浆、焚烧灰和废弃玻璃的混合物用作主要原料。随着发泡温度从1050℃升高至1150℃，轻质骨料的表观密度从1.5g/cm3逐渐降低至0.3g/cm3。这可以归因于熔融材料的粘度降低和气体压力的增加。然而，发泡温度进一步升高至1175℃导致表观密度增加至0.51g/cm3。在较高的发泡温度下，熔融材料的粘度降低，并且气体压力进一步增加，这导致气体的逸出和表观密度的增加。
图10显示了使用泥浆、焚烧灰和废窗玻璃混合物作为原材料，在不同发泡温度下生产的轻质骨料的吸水率。在1050℃至1125℃的发泡温度下生产的轻质骨料的吸水率小于1.0wt％，低于标准商用轻质骨料，且与标准重量骨料相当。发泡温度的进一步提高导致高吸水率，这归因于高温下由气体逸出产生的开放的泡孔结构。在1150℃下吸水率为约为1.2％。
实施例1.4.3：添加剂的作用
具有三种添加剂的制剂(F1)：1％SiC、2％偏硅酸钠和2％硼砂，得到的密度最低，这是轻质骨料的期望性质。
SiC是发泡剂并且当加热至高温时，能够与海洋粘土中所含的Al2O3反应。在高温下，在该过程中产生并释放气体，这增加了骨料的孔隙率。偏硅酸钠，其熔点为1088℃，可以在约1000℃至1350℃的温度下与SiO2共熔，因此可以起到降低固体废物(海洋粘土、废弃玻璃和焚烧灰)的共熔温度的作用。这大大降低了F1的烧结温度，使其易于在1050℃的非常低温下生产出非常低密度的轻质骨料。
同时，使用硼砂作为助熔剂与废物熔体混合，形成致密的壳体。该壳体可以防止所产生的气体逸，出获得高孔隙率的轻LA，并阻止水渗透至LA中，LA以低吸水性的形式呈现。致密的壳体还可以起到提高压缩强度并将有毒重金属锁定在LA中的作用。
实施例1.4.4：节能
使用F1在较低的烧结温度下进行进一步的实验以确定生产过程的密度和能耗。表3总结了使用F 1在1000℃至1050℃下生产的骨料性质。在较低的烧结温度1000℃下，所实现的密度约为0.859g/cm3，这对于LA来说(密度<0.9g/cm3)仍然是期望的值。
另外，将使用F1生产轻质骨料所节省的能量与使用其它两种制剂F2和F3生产密度类似的轻质骨料所节省的能量分别进行比较。应注意，当前工业采用与F2中使用的添加剂相同的添加剂，因此在发明人进行的研究中提供与F1生产的LA的现实比较。
表3：制剂1(F1)-轻质骨料的性质和生产参数
Figure BDA0001435117640000191
注意：
a：所有能耗针对5g球状物(烧结前)
F1：50g海洋粘土+30g废弃玻璃+20g焚烧灰+1g SiC+2g偏硅酸钠(SM)+2g硼砂
F2：50g海洋粘土+30g废弃玻璃+20g焚烧灰+1g SiC+2g硅酸钙(CS)+2g NaH2PO4
F3：50g海洋粘土+30g废弃玻璃+20g焚烧灰+1g SiC+2g硅酸铝(AS)+2g Na2CO3当烧结温度升高并保持时间延长时，骨料的密度降低。为了提供公平的比较，改变烧结温度和保持时间以制备类似密度的LA。对于F2和F3，在1200℃，15分钟下分别获得密度为0.572g/cm3和0.603g/cm3的轻质骨料。在1100℃，15分钟下分别从F2和F3得到密度各自为0.873g/cm3和1.005g/cm3的LA。表4比较了三种制剂的烧结温度、保温时间和密度。获得的结果表明：对于F2和F3，通过提高烧结温度和保持时间来获得低密度骨料的能耗大大增加。如图17所示，能耗增加约8-14倍。
对于两种密度范围：0.8g/cm3至1.0g/cm3和0.5g/cm3至0.6g/cm3，比较三种制剂的能耗。从表4和图17可见，对于生产密度范围为0.8g/cm3至1.0g/cm3的骨料，F2和F3的能耗分别增加12.86倍和13.80倍。这是因为烧结温度从1000℃升高至1100℃且保持时间比制剂1(F1)延长7.5倍。对于密度范围0.5g/cm3至0.6g/cm3，使用F2和F3的能耗增加8.85倍和9.54倍。显然，与现有其它类似报道的方法相比，使用F1生产的轻质骨料显著节能。
表4：F1、F2和F3的轻质骨料的性质和生产参数的比较
Figure BDA0001435117640000201
注意：
a：所有能耗针对5g球状物(烧结前)
F1：50g海洋粘土+30g废弃玻璃+20g焚烧灰+1g SiC+2g偏硅酸钠(SM)+2g硼砂
F2：50g海洋粘土+30g废弃玻璃+20g焚烧灰+1g SiC+2g硅酸钙(CS)+2g NaH2PO4
F3：50g海洋粘土+30g废弃玻璃+20g焚烧灰+1g SiC+2g硅酸铝(AS)+2g Na2CO3
实施例2：隔热板
泡沫玻璃(0.15g/cm3至0.3g/cm3)和泡沫陶瓷(0.3g/cm3至0.5g/cm3)是目前市场上流行的无机隔热材料，其可用于建筑结构和工业(图11)。市场上有价值的泡沫玻璃和泡沫陶瓷的价格约为每立方米200至400新加坡元。这么高的费用可能部分归因于原材料成本高，由于回收玻璃和陶瓷的分拣过程复杂而昂贵，因而该原材料通常并不是再生玻璃或陶瓷。导热性是高品质泡沫玻璃、泡沫陶瓷和轻质骨料的关键性质。泡沫材料的低密度、高闭孔含量和低吸水性造就低热导率。泡沫材料、水泥浆和混凝土的热导率分别为0.034-0.17、0.57和1.15-1.44W/m°K。使用隔热板可以显著降低能耗/损失，以及二氧化碳足迹。泡沫材料也可用于工业，如石油和燃气工业和发电站，作为热绝缘体，以减少能量损失。
通过改变制剂和工艺，可以使用固体废物(焚烧灰或海洋粘土或泥浆或其混合物)作为主要原材料来生产隔热板。隔热板原型如图12所示，其表现出低密度(0.2g/cm3至0.3g/cm3)，低吸水率(小于2％)，高压缩强度(0.8MPa至2.0MPa)和高热稳定性(大于800℃)。据发明人所知，之前尚未报道过将焚烧灰或海洋粘土或泥浆或其混合物回收于隔热板。
隔热板的生产方法(图13所示)与轻质骨料的生产方法相似。包括焚烧灰、海洋粘土、泥浆和废弃玻璃的固体废物是主要的原材料。首先，将两种或三种类型的固体废物以不同的比率混合。然后在固体废物混合物中加入适量的发泡剂和添加剂。发泡剂和添加剂可以为SiC、CaCO3、硼砂、磷酸二氢钠和偏硅酸钠。此后，将混合物以350rpm的速度进行10分钟球磨。然后将适量的粘合剂、硅酸钠的碱性水溶液与微细混合物均匀地混合。随后将粉末放入钢模具使用液压机在5MPa至10MPa的压力下挤压1分钟。然后将样品在1000℃至1150℃下烧结10分钟至15分钟。冷却至室温后获得隔热板。
实施例3：轻质隔断墙
轻质隔断墙是另一种绿色建筑材料，由于其固有优点，如易于建造、隔热、隔音和低恒载，目前需求较高。发明人开发了将固体废物(焚烧灰或海洋粘土或其混合物)转化为高开孔孔隙率、低密度和高机械强度的多孔材料的技术。已经开发了具有夹层结构的轻质隔断壁(图14)且该性质如表5所示。开发的轻质隔断墙表现出其它一些优点，如高热稳定性(大于800℃)，无毒，抗啮齿动物、细菌和昆虫和抗紫外线。
表5：轻质隔断墙的性质
Figure BDA0001435117640000211
实施例4：轻质砖
砖是用于砖石结构的陶瓷材料的块体或单一单元。现今，建筑结构中使用了大量的砖。传统上，砖是由粘土(不可再生的自然资源)制成的。在中国，每年生产8000亿块标准砖，消耗333平方公里的土地。因此，政府禁止生产和使用传统的粘土砖(红砖)。但新加坡大部分建筑仍在使用传统粘土砖(红砖)(图15)。
粘土砖的导热率约为0.81W/m°K，这比轻质混凝土高出3倍以上。在像新加坡这样炎热的国家，粘土砖的使用将导致房间温度较高且能耗较高(空调)。如果使用隔热材料来替代粘土砖，房间温度会降低，且使用空调的能耗也会降低。
开发新材料来代替传统的粘土砖是必需的。轻质、节约能量和资源、环保的砖块吸引了浓厚的兴趣。由于其优点，比如轻质(0.3g/cm3至1.0g/cm3)、热导率低(0.09W/m°K至0.27W/m°K)、不可燃且成本低(每立方米50至60新加坡元)，轻质混凝土是中国可用的最受欢迎的轻质砖之一，且其广泛用于取代建筑结构中的传统砖。但轻质混凝土具有一些缺点，比如吸水率高、机械强度低、易产生裂纹且吸水后热导率高。
发明人开发了将固体废物(焚烧灰或海洋粘土或其混合物)转化成孔隙率高、密度低、热导率低、吸声系数高且机械强度高的轻质砖的技术。轻质砖原型如图16所示且所述性质列举于表6中。
表6：轻质砖的性质
Figure BDA0001435117640000221
实施例5：重金属浸出试验
采用英国环境署EA NEN 7375：2004规定的用于测试模制或整体式建筑和废料的浸出特性的“水槽试验(Tank Test)”来对当前轻质材料进行浸出研究，在该浸出研究中，显示该材料未检出重金属浸出(表7)。因此，我们的初步结果表明当前工作的潜力很大。
表7：通过扩散试验确定无机组分的浸出。
Figure BDA0001435117640000222
*64天后累积的。
本文公开的各种实施例描述了通过能量密集度较低工艺将焚烧灰、海洋粘土和泥浆转化成绿色建筑材料的技术。该技术的新颖性包括：
■新制剂，其使用高含量(大于95％)的固体废物作为原材料(焚烧灰或/和海洋粘土或/和泥浆或/和废弃玻璃的混合物)用于生产低密度(0.25g/cm3至0.8g/cm3)和低吸水率(低于2％)的高品质轻质骨料。
■这种新制剂由偏硅酸钠组成，其具有在较低温度下在轻质骨料中产生较密实的封闭的泡孔结构的独特能力(实施例1.1、1.2和1.3的比较结果)。偏硅酸钠被认为是作为固体颗粒材料，同时降低烧结温度。这使得各种固体废物的混合物可用作主要原材料。
■这种新制剂能够将焚烧灰和/或海洋粘土和/或泥浆的发泡温度降低为1000℃至1100℃，低保持时间少于2分钟，获得显著的节能(参见与现有技术进行比较的表2)。
■该技术允许将包括焚烧灰、海洋粘土和泥浆的固体废料的各种组合转化成绿色建筑材料，即隔热板，轻质隔断墙和轻质砖。在公开的文献中尚未报道过将焚烧灰、海洋粘土和泥浆回收于这些绿色建筑材料中。
本技术具有回收大量的焚烧灰和海洋粘土的潜力，因此显著减少了在填埋场中处理的固体废物的量，这将有助于新加坡在不久的将来真正实现其“零填埋”的目标。此外，绿色轻质材料在建筑结构和工业中的应用可以节省大量的不可再生的自然资源，并降低空调的能耗和能量损耗。在新加坡，通过绿色标记得分奖励来推进绿色建筑结构，且本绿色轻质材料经新加坡绿色标签计划(Singapore Green Label Scheme)认证后具有成为绿色建筑结构的巨大潜力。本研究对新加坡经济及其“绿色大都市”形象的影响将会是以创新的可持续发展技术而对其成为全球性城市的目标意义重大。
与其它作业相比，由于轻质骨料生产过程中的发泡温度较低且保持时间较短，该技术能够显著节能(表2)。因此，使用该技术的轻质骨料生产的能耗比公开文献中报道的轻质骨料生产过程的能耗低。此外，该技术与处理污染的海洋粘土的其它技术也是相当的。NewEarth Pte Ltd，一家专门从事废物回收的新加坡公司，对污染的海洋粘土的处理成本报价为每吨100美元，其高成本主要归因于能源密集型工艺。然而，对使用本文公开的技术生产LA，估计每吨LA的总成本为45新加坡元，低于NewEarth的报价。
在填埋场处理焚烧灰的费用为每吨100-130新加坡元。每年产生约50万吨焚烧灰，其中100％去往填埋场。如果可以回收100％的焚烧灰，意味着每年可以节省5000-6500万新加坡元，产生环境效益。绿色建筑材料，包括轻质骨料、轻质隔断墙、隔热板和轻质砖，是广泛应用于建筑结构和工业的有价值的材料。由于建筑业不断增长和能源成本的不断增加，隔热材料的需求将继续保持稳健增长。据Freedonia Group Inc.的报道，2013年中国绝缘材料市场约为37.5亿美元而2014年全球市场约为313亿美元。此外，中国财政部已经宣布，中国将分配约2.7亿美元来支持“十二五”计划下的国家建设节能项目，且预计隔热材料将成为该项工作的重要部分。
总的来说，此技术将迎来废物管理行业的巨大转型，新的行业参与者通过利用所开发的新技术和产品，在商界中寻找新的利基。
虽然已经结合本发明的示例性实施例具体展示并描述了本发明，但是本领域普通技术人员会理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种变化。

Claims (31)

1.一种制造轻质材料的方法，所述方法包括：
a)将固体废物分散在水性试剂中以形成分散体，所述固体废物包含污染的固体废物、海洋粘土、泥浆、废弃玻璃或从废物焚化中获得的灰中的至少一种；
b)将所述分散体与包含发泡剂和金属硅酸盐的添加剂混合以形成混合物，其中将所述分散体与所述添加剂混合包括使所述混合物凝聚以获得所述混合物的一种或多种骨料；和
c)在1000℃至1150℃的温度下使所述混合物固化1分钟至15分钟的时间段以直接获得所述轻质材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体废物包含重量比0:3:2至5:3:2的泥浆、从废物焚化中获得的灰和废弃玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述固体废物包含一种或多种污染物。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一种或多种污染物选自重金属、硫族元素、铅、铋、砷、铝、氰化物、硫酸盐、磷酸盐及其组合。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将所述固体废物分散于所述水性试剂中之前，对所述固体废物进行球磨。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在一时间段内进行所述球磨，在该时间段内进行的球磨足以将所述混合物的粒径降低至平均粒径为500微米或更小。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述发泡剂选自碳化硅、氧化铁、硫酸钙、碳酸钙、碳酸钠、炭黑及其组合。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述混合物中的所述发泡剂的量为占所述混合物重量的0.1wt％至2wt％。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属硅酸盐为水溶性金属硅酸盐。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属硅酸盐包含碱金属硅酸盐或由碱金属硅酸盐组成。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属硅酸盐选自偏硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝及其混合物。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属硅酸盐为偏硅酸钠。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述混合物中的所述金属硅酸盐的量为占所述混合物重量的1wt％至10wt％。
14.根据权利要求1或2任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂包含助熔剂。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述助熔剂选自硼酸钠、硼酸、碳酸钠、碳酸钾、焦炭、石灰及其组合。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述混合物中的所述助熔剂的量为5wt％或更小。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述添加剂包含粘合剂。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述粘合剂包含SiO2和/或硅酸盐，和氢氧化物，所述氢氧化物选自碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、氢氧化铵及其组合。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述粘合剂包含硅酸钠的碱性水溶液。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述混合物中的所述粘合剂的量为5wt％或更小。
21.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述一种或多种骨料的平均尺寸为0.5cm至5cm。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在使所述混合物凝聚的同时，将第二粘合剂加入所述混合物中。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二粘合剂包含硅酸盐和氢氧化物，所述氢氧化物选自碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、氢氧化铵及其组合。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二粘合剂包含硅酸钠的碱性水溶液。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述混合物中的所述第二粘合剂的量为5wt％或更小。
26.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，在固化之前，压缩和/或模制所述混合物。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，以5MPa至20MPa的压力压缩所述混合物。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述混合物压缩1分钟至10分钟。
29.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，使所述混合物固化以获得所述轻质材料的过程在1100℃至1125℃的温度下进行。
30.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使所述混合物固化以获得所述轻质材料的过程通过如下步骤来进行：将所述混合物加热至1100℃至1125℃的温度，在该温度下使所述混合物保持1分钟至2分钟，然后将所述混合物冷却至室温。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法在制造轻质骨料、隔热板、轻质隔断墙或轻质砖中的用途。
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