CN108358579A - 一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑建材技术领域，具体涉及一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土及其制备方法。由磷石膏、矿渣粉、石灰石粉、硅酸盐水泥、碎玻璃渣、风积砂、发泡剂、稳泡剂、减水剂、光催化有机粘结剂组成，使用本发明可对室内空气污染问题进行改善，尤其是对甲醛等有害气体的吸附降解，在自然光照条件下即可完成，无需更多的能源和操作步骤，具有市场价值。本发明适用于轻质墙体材料、石膏墙体物件、吊顶装饰板等室内装饰材料领域。

Description

一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土及 其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑建材技术领域，具体涉及一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土及其制备方法。
背景技术
目前新装修的写字楼及居室内空气污染超标率高达70％，室内环境及装饰产生的苯、甲醛的超标率超过 80％，装修半年后甲醛仍然超标的比例为10%，室内污染是导致儿童白血病、肺病、恶性肿瘤的罪魁祸首。据调查，中国每年由室内空气污染引起的死亡人数已达11万人。
磷石膏的主要化学成分为CaO和SO3。同时含有P2O5、F、Al2O3、Fe2O3、SiO2、有机物等杂质及少量镉、铅、铜等元素。磷石膏主要以针状晶体、板状晶体、密实晶体、多晶核晶体等四种结晶形式存在。磷石膏胶结体的性能与天然石膏相比有较大差异，主要表现为凝结时间长，强度较低。不同生产企业、不同批次的磷石膏的化学组成都略有不同，这主要与磷酸生产工艺条件的控制及磷矿石的品种有关。我国磷酸生产以湿法生产为主，通过硫酸分解磷矿石生成萃取料浆，然后过滤洗涤制得磷酸，过滤洗涤过程中同时产生磷石膏。在磷酸生产过程中，部分磷矿石未分解、磷石膏洗涤过滤不完全是磷石膏中含有磷、氟等多种杂质的原因，正是这些杂质影响了磷石膏的性能，使其不能直接应用于石膏建材的生产，制约了磷石膏的利用。
光催化技术的反应条件温和、二次污染小、运行成本低，并且可望利用太阳光作为光源，是目前最具发展前景的室内空气净化技术。现在，利用二氧化钛（TiO2），光催化技术净化室内空气的影响因素、反应条件、元素掺杂等问题得到广泛研究。其载体向玻璃、瓷砖等更具实用性的建筑材料发展，研究也由实验室机理研究向工程应用拓展。
石膏板具有广泛应用于室内建筑装饰、应用面积大、比表面积大的特点，将石膏板和粘结剂的吸附能力与掺氮TiO2的光催化能力相结合，一方面可以使有机物浓度迅速降低；另一方面，有机物分子和空气中的水蒸汽在石膏板表面高度富集，有利于和掺氮TiO2充分接触从而被彻底氧化降解。同时，还可以避免光催化降解大分子有机物过程中可能会产生的中间产物进入空气中形成二次污染。因此，本发明选取磷石膏基水硬性胶凝材料制成的混凝土板作为二氧化钛光催化粉末的载体，采用有机粘结剂法进行负载，可用于室内天花板吊顶和装饰。
相对于现有传统的光催化混凝土，本发明具有节能环保、生产成本低、施工方便、力学性能、保水性、耐久性能好等优点。
经检索，利用磷石膏、矿渣粉、风积沙和光催化有机粘结剂等制备光催化混凝土，在国内尚属首次。
发明内容
本发明目的在于提出一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土及其制备方法。本发明利用磷石膏、矿渣粉、石灰石粉、硅酸盐水泥、碎玻璃渣、风积砂、发泡剂、稳泡剂、减水剂、光催化有机粘结剂制备光催化混凝土，光催化活性好，重复使用性能好，不易发生薄膜脱落，成本低、耐久性能高的光催化混凝土的制备方法。
本发明提出的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，由混凝土板和光催化有机粘结剂组成，光催化有机粘结剂均匀涂抹于混凝土板上；所述混凝土板由磷石膏、矿渣粉、石灰石粉、硅酸盐水泥、碎玻璃渣、风积砂、发泡剂、稳泡剂和减水剂组成，光催化有机粘结剂由掺氮TiO2粉体、聚丙稀酰胺和重蒸水组成，其中：
混凝土板组分的重量比为：
磷石膏 100
矿渣粉 70-95
石灰石粉 50-63
硅酸盐水泥 10-21
碎玻璃渣(0-3)mm 158-177
碎玻璃渣(3-8)mm 282-365
风积砂 168-185
发泡剂 0.09-0.8
稳泡剂 0.02-0.2
减水剂 0.04-1.8
光催化有机粘结剂各组分的重量比为：
掺氮TiO2粉体 1
聚丙稀酰胺 24-26
重蒸水 222-227。
混凝土板各组分较佳的重量比为：
磷石膏 100
矿渣粉 75-84
石灰石粉 53.7-58.7
硅酸盐水泥 15-20
碎玻璃渣(0-3)mm 161.3-173.5
碎玻璃渣(3-8)mm 298.4-337.9
风积砂 172.5-180.5
发泡剂 0.11-0.65
稳泡剂 0.04-0.18
减水剂 0.08-1.4
光催化有机粘结剂各组分的重量比为：
掺氮TiO2粉体 1
聚丙稀酰胺 24.8-25.2
重蒸水 224.5-225.6。
本发明提出的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土的制备方法，具体步骤如下：按所述原料的重量比例称量各组份，将原料通过物理机械混合均匀，成型混凝土板，待混凝土板养护3天后，用毛刷将光催化有机粘结剂均匀涂抹于混凝土板上，自然风干，即得到所需产品。
本发明中，磷石膏的作用一是加速矿渣粉中惰性SiO2玻璃体在碱性条件下的破碎；二是其中残留的磷酸盐可以固化部分阳离子重金属，减少其浸出量。矿渣粉的作用是提供火山灰活性物质，但由于矿渣粉中缺少足够的Ca2+，仅靠矿渣粉自身不能提供足够的固化强度，需要含钙激发剂激发其活性。石灰石粉加入水泥浆体后，可提高水化体系的碱度，对矿渣粉起到碱性激发的辅助效果。在发泡剂和稳泡剂的共同作用下，可增大混凝土表面与掺氮TiO2光催化粉末的接触面积，一方面可以迅速吸附空气中的有机污染物，为光催化反应提供高浓度环境，吸收空气中的水蒸汽，以促进光催化反应快速进行，另一方面，它还可以吸附反应生成的中间产物，有利于光催化反应的彻底进行。
本发明中，所述磷石膏取自磷肥厂，原状磷石膏为含水12%~15%的粉状固体，在40℃温度下烘干，其主要矿物组成为CaSO4·2H2O。·
本发明中，所述矿渣粉取自钢厂，原状矿渣含有一定的水分，为略微透明的颗粒状固体，在使用前需进行烘干，冷却后在球磨机中粉磨120min，得到所需矿渣粉，比重瓶法测定其密度为2820kg/m3，勃氏比表面积为536.7m2/kg。
本发明中，所述石灰石粉中CaCO3含量不小于95%，主要化学组成为CaCO3、SiO2、Fe2O3及MgO，比表面积控制在(347-364) m2/kg。
本发明中，所述硅酸盐水泥为42.5级，密度为3160kg/m3，勃氏比表面积为385m2/kg。
本发明中，所述碎玻璃渣为废弃啤酒瓶破碎而得，细度模数为2.3-2.5，堆积密度为 (1250-1450) kg/m3。
本发明中，所述风积砂为沙漠细砂，粒径为小于等于1.25mm，表观密度为2500 kg/m3，表干密度为2540 kg/m3，毛体积密度为2500 kg/m3，吸水率为1.07%。
本发明中，所述发泡剂为茶皂素或松香皂类发泡剂中任一种。
本发明中，所述稳泡剂为月桂酰二乙醇胺或油酸中任一种。
本发明中，所述减水剂为聚羧酸系减水剂或氨基磺酸盐系减水剂中任一种。
本发明中，所述掺氮TiO2粉体为溶胶凝胶法制备，具有良好的锐钛矿型结构，晶体的平均粒径为19nm，属于催化活性较高的晶型、粒径尺寸符合纳米级要求。
本发明中，所述改性聚丙烯酰胺分子量在400万-2000万之间。
本发明为灰色物质，制备混凝土板时，适宜掺水量为30%-40%。负载光催化粉末所用的有机粘结剂具体用量根据实际表面薄膜铺展情况确定。
本发明作为光催化混凝土使用，可改良室内空气质量，得益于磷石膏及其制品的微孔结构和加热脱水性，本发明具有优良的隔音、隔热和防火性能。
本发明对甲醛有较好的吸附能力，可广泛应用于室内空气污染治理领域，具有较大的应用价值和广阔的市场经济前景。
附图说明
图1为本发明实施例性能测试结果图（甲醛浓度变化图）。
具体实施方式
用甲醛作为降解对象，在2m3实验舱中，环境温度30℃，环境相对湿度75%，制造初始浓度范围为0.48~0.76 mg/m3的甲醛（已通过预实验去除实验舱内壁吸附、沉降等因素的干扰），然后在普通白炽灯的照射下，使用本发明对其进行降解，磷石膏板尺寸统一为18cm×14cm（0.025 m2）。
实施例1，一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土按磷石膏100，矿渣粉70，石灰石粉50，硅酸盐水泥10，粒径为(0-3)mm的碎玻璃渣158，粒径为(3-8)mm的碎玻璃渣282，风积砂168，发泡剂0.09，稳泡剂0.02，减水剂0.04的质量比称取后混合，加胶凝材料质量30%的水搅拌均匀制成混凝土板，按掺氮TiO2粉体1，聚丙烯酰胺24，重蒸水222的质量比称取后混合均匀制成负载光催化粉末所用的有机粘结剂，用毛刷均匀涂抹于混凝土板上，即得所需产品。性能测试结果见图1。
实施例2，一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土按磷石膏100，矿渣粉80，石灰石粉57.7，硅酸盐水泥20，粒径为(0-3)mm的碎玻璃渣167.3，粒径为(3-8)mm的碎玻璃渣312.1，风积砂176.5，发泡剂0.42，稳泡剂0.10，减水剂1.1的质量比称取后混合，加胶凝材料质量34.8%的水搅拌均匀制成混凝土板，按掺氮TiO2粉体1，聚丙烯酰胺25，重蒸水225的质量比称取后混合均匀制成负载光催化粉末所用的有机粘结剂，用毛刷均匀涂抹于混凝土上，即得所需产品。性能测试结果见图1。
实施例3，一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土按磷石膏100，矿渣粉95，石灰石粉63，硅酸盐水泥21，粒径为(0-3)mm的碎玻璃渣177，粒径为(3-8)mm的碎玻璃渣365、风积砂185，发泡剂0.8，稳泡剂0.2，减水剂1.8的质量比称取后混合，加胶凝材料质量40%的水搅拌均匀制成混凝土板，按掺氮TiO2粉体1，聚丙烯酰胺26，重蒸水227的质量比称取后混合均匀制成负载光催化粉末所用的有机粘结剂，用毛刷均匀涂抹于混凝土板上，即得所需产品。性能测试结果见图1。

Claims (9)

1.一种以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于由混凝土板和光催化有机粘结剂组成，光催化有机粘结剂均匀涂抹于混凝土板上；所述混凝土板由磷石膏、矿渣粉、石灰石粉、硅酸盐水泥、碎玻璃渣、风积砂、发泡剂、稳泡剂和减水剂组成，光催化有机粘结剂由掺氮TiO2粉体、聚丙稀酰胺和重蒸水组成，其中：
混凝土板组分的重量比为：
磷石膏 100
矿渣粉 70-95
石灰石粉 50-63
硅酸盐水泥 10-21
碎玻璃渣(0-3)mm 158-177
碎玻璃渣(3-8)mm 282-365
风积砂 168-185
发泡剂 0.09-0.8
稳泡剂 0.02-0.2
减水剂 0.04-1.8
光催化有机粘结剂各组分的重量比为：
掺氮TiO2粉体 1
聚丙稀酰胺 24-26
重蒸水 222-227。
2.根据权利要求1所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于各组份较佳的重量比如下：
混凝土板组分的重量比为：
磷石膏 100
矿渣粉 75-84
石灰石粉 53.7-58.7
硅酸盐水泥 15-20
碎玻璃渣(0-3)mm 161.3-173.5
碎玻璃渣(3-8)mm 298.4-337.9
风积砂 172.5-180.5
发泡剂 0.11-0.65
稳泡剂 0.04-0.18
减水剂 0.08-1.4
光催化有机粘结剂各组分较佳的重量比为：
掺氮TiO2粉体 1
聚丙稀酰胺 24.8-25.2
重蒸水 224.5-225.6。
3.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于所述磷石膏取自磷肥厂，原状磷石膏为含水12%~15%的粉状固体，在40℃温度下烘干，其主要矿物组成为CaSO4·2H2O。
4.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于所述矿渣粉取自钢厂，原状矿渣含有一定的水分，为略微透明的颗粒状固体，在使用前需进行烘干，冷却后在球磨机中粉磨120min，得到所需矿渣粉，比重瓶法测定其密度为2820kg/m3，勃氏比表面积为536.7m2/kg。
5.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于所述石灰石粉中CaCO3含量不小于95%，主要化学组成为CaCO3、SiO2、Fe2O3及MgO，比表面积控制在(347-364) m2/kg。
6.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于所述硅酸盐水泥为42.5级，密度为3160kg/m3，勃氏比表面积为385m2/kg，所述碎玻璃渣为废弃啤酒瓶破碎而得，细度模数为2.3-2.5，堆积密度为 (1250-1450) kg/m3，所述风积砂为沙漠细砂，粒径为小于等于1.25mm，表观密度为2500 kg/m3，表干密度为2540 kg/m3，毛体积密度为2500 kg/m3，吸水率为1.07%，所述发泡剂为茶皂素或松香皂类发泡剂中的一种，所述稳泡剂为月桂酰二乙醇胺或油酸中的一种，所述减水剂为聚羧酸系减水剂或氨基磺酸盐系减水剂中的一种。
7.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于所述掺氮TiO2粉体为溶胶凝胶法制备，具有良好的锐钛矿型结构，晶体的平均粒径为19nm，属于催化活性较高的晶型、粒径尺寸符合纳米级要求。
8.根据权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土，其特征在于所述改性聚丙烯酰胺分子量在400万-2000万之间。
9.一种如权利要求1 所述的以磷石膏基水硬性复合胶凝材料制备的光催化混凝土的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
按所述原料的重量比例称量各组份，将原料通过物理机械混合均匀，按质量分数30%-40%加水搅拌，成型混凝土板，待混凝土板养护3天后，用毛刷将光催化有机粘结剂均匀涂抹于混凝土板上，自然风干即得到所需产品。
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