CN108484115B - 一种利用固体废弃物制备的多孔材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用尾矿、污染土壤等固体废弃物制备多孔材料的方法，制备该多孔材料的原材料包括以下重量含量的材料组分：尾矿20～35％、污染土壤20～35％、秸秆25～50％、废弃玻璃粉4～10％、硼砂1～3％经过成型干燥后，烧结得到多孔材料。本发明废弃物利用率和重金属固化效率高、产品孔隙率大，可广泛应用于节能材料、吸音材料和蓄水材料等领域。

Description

一种利用固体废弃物制备的多孔材料
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种利用重金属污染土壤、尾矿等固体废弃物制备的多孔材料及其制备方法。
背景技术
多孔材料由于其特殊的多孔性结构，使其具有高比表面积、高孔隙率、高透过性、高吸附性、可组装性等诸多优异的物理化学性能，因此得到广泛应用。此外矿产资源开发、土壤化学污染等产生的大量固废，农业活动产生的秸秆废料都带来了严重的环境和社会问题。
目前，利用尾矿、重金属污染土壤等固废制备多孔材料的研究国内外已有报道。如专利《过滤型活性碳黄金尾矿矿渣制备多孔集水海绵砖的方法》(CN201610518526.8)公开了一种多孔集水海绵砖，多孔集水海绵砖的配料：水泥，黄金尾矿矿渣，硅酸钠，粉煤灰和聚乙烯醇高吸水树脂纤维，活性碳，取样并混合均匀，将混合料以水灰比调浆，加入铝粉膏水化反应生成气泡，形成多孔膨胀吸水浆液，将膨胀吸水浆液搅拌均匀倒入海绵砖压制机的试模中，经刮平、压制、脱模、晾干，制成多孔集水海绵砖。由于这些技术所采用的是化学发泡制孔，气孔多为闭孔结构，很大程度上影响了性能效果，且其除黄金尾矿矿渣为回收利用的废料外，其他大部分原料均为价格较高的化学产品，成本较高，不适于大范围的投入使用；一些文章也提到过秸秆造孔技术，现有秸秆造孔技术的秸秆添加量最高仅为20％，混合均匀时孔隙之间被固相物质隔开，无法保证相互贯通，使其蓄水效果大打折扣，但其提高秸秆添加量后又难以保证强度。因此，进一步探索多孔率高、强度高且成本低廉的多孔材料及其制备工艺，具有重要的研究和应用意义。
发明内容
本发明的主要目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种利用尾矿、重金属污染土壤等固体废气物制备多孔材料的方法，所得多孔材料具有多孔率高、成本较低等优点，且大部分原料来自资源回收，具有重要的经济和环境效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用固体废弃物制备的多孔材料，各原料及其所占质量百分比包括：尾矿20～35％、重金属污染土壤20～35％、废弃秸秆25～50％、废弃玻璃粉4～10％、硼砂1～3％。
按上述方案，所述尾矿为铁尾矿，细度为0.074mm，其中各组分及其所占质量百分比包括：氧化硅20～30％、氧化铁20～30％，氧化钙0.05～0.1％、氧化镁0.05～0.1％。
按上述方案，所述重金属污染土壤的细度为0.074mm，其中各组分及其所占质量百分比包括：氧化硅含量为60～70％，氧化铝含量为15～20％，氧化钙0.05～0.1％，氧化镁0.05～0.1％，重金属氧化物组分含量不超过1％。
按上述方案，所述秸秆可选用水稻、小麦或玉米秸秆等，其尺寸大小为小于1cm，含水量低于5％，烧失量大于50％。
按上述方案，所述玻璃粉为回收玻璃制品经破碎细磨制成的硅酸盐类白色粉末，平均粒径为2.5μm以下。
按上述方案，所述硼砂为Na2B4O7·10H2O粒度0.7mm左右的白色粉末。
上述一种利用固体废弃物制备多孔材料的方法，它包括如下步骤：
1)按配比称取各组分；
2)将称取的尾矿和重金属土壤置于球磨机中研磨后过筛，然后加入废弃秸秆、玻璃粉和硼砂，再加水混合搅拌，造粒、干燥；
3)在850～950℃条件下烧结并保温10～30min，得所述多孔材料。
上述方案中，所述过筛条件为过200目筛。
本发明的原理为：
针对尾矿在预实验时存在的成型和烧结强度均不足的问题，本发明进一步引入受工厂或其他生产活动污染的含重金属土壤，一方面用于增加原料在成型时与水的亲和力，提高粘度，改善成型强度；另一方面增加烧结时的液相量，形成骨架，提高烧结后的强度；而污染土壤中的重金属离子将被固化在烧结体中，实现其无害化处理；同时，本发明引入的玻璃粉在高温下形成的玻璃相将在烧结体中强化骨架，可显著提升所得多孔材料的烧结强度，并通过对玻璃粉的添加量进行调控，有效兼顾其力学性能和蓄水性能；此外，本发明进一步利用秸秆在高温下燃烧构建多孔性状，并通过有效调控其用量，构建相互贯通的内部孔隙，有效提升其导热性能和蓄水性能；且秸秆燃烧过程的大部分灰烬将被烧结体过滤留在内部，烟气量小。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用的原料基本为工业、农业废气物或次生有害物质，具有重要的环境和社会效益；其中采用的尾矿在所得多孔材料内部起骨架的作用，污染土壤则起着增加成型强度填充砖体的作用，且其中的有害成分重金属离子等能够固化在材料内部得到有效处置，秸秆在烧制后将会燃烧殆尽，遗留一些与燃烧前所占部分形状一致的孔隙，燃烧过程的大部分灰烬将被烧结体过滤留在内部，烟气量小；
2)本发明所得多孔材料为相互贯通的内部孔隙，闭孔少，开孔多，且蓄水、吸音效果非常好，可在海绵城市的建设中发挥非常大的作用；
3)以往的多孔材料所用原料均为价格较高的初次资源甚至是工厂生产的商业化学品，这使得多孔材料的成本昂贵，不符合大范围的基建推广的要求，本发明所得产品的成本很低，易用于实际生产和快速推广。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本申请之发明，但实施例不应视作对本发明权利的限定。
以下实施例中，采用的重金属污染土壤来自大冶有色金属公司搬迁后原厂所在地的地表土壤，其中氧化硅含量约为62％，氧化铝含量约为16％，氧化钙、氧化镁组分含量在0.05～0.1％之间，重金属氧化物组分不超过1％；采用的尾矿为鄂西赤铁矿尾矿，其中各组分及其含量为其中氧化硅含量约为35％、氧化铁含量约为29％，氧化钙、氧化镁的含量为0.05～0.1％。
以下实施例中，采用的废弃玻璃粉为回收玻璃制品经破碎细磨制成的硅酸盐类白色粉末，平均粒径为2.5μm以下；硼砂为Na2B4O7·10H2O粒度0.7mm左右的白色粉末。
实施例1
一种利用固体废弃物制备的多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿30％、重金属污染土壤30％、秸秆30％，废弃玻璃粉9％、硼砂1％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、废弃玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量35％的水混合搅拌，通过成球机制成约10～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(850℃保温时间10min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为17.18MPa，气孔率为63.14％，导热系数约为0.1087W·m-1·K-1。
实施例2
一种利用固体废弃物制备的多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿30％、重金属污染土壤30％、秸秆30％，废弃玻璃粉9％、硼砂1％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、废弃玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量35％的水混合搅拌，通过成球机制成约10mm～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(900℃保温时间20min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为18.35MPa，气孔率为58.77％，导热系数约为0.0744W·m-1·K-1。
实施例3
一种利用固体废弃物制备的多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿30％、重金属污染土壤30％、秸秆30％，废弃玻璃粉9％、硼砂1％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、废弃玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量35％的水混合搅拌，通过成球机制成约10mm～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(950℃保温时间30min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为20.03MPa，气孔率为52.16％，导热系数约为0.0495W·m-1·K-1。
实施例4
一种利用固体废弃物制备的多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿30％、重金属污染土壤30％、秸秆35％，废弃玻璃粉4％、硼砂1％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量40的水混合搅拌，通过成球机制成约10mm～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(850℃保温时间10min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为13.75MPa，气孔率为72.83％，蓄水率为92.69％。
实施例5
一种利用固体废弃物制备的多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿30％、重金属污染土壤30％、秸秆35％，废弃玻璃粉4％、硼砂1％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、废弃玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量40％水混合搅拌，通过成球机制成约10mm～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(900℃保温时间20min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为15.12MPa，气孔率为65.39％，蓄水率为81.82％。
实施例6
一种利用固体废弃物制备的多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿30％、重金属污染土壤30％、秸秆35％，废弃玻璃粉4％、硼砂1％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、废弃玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量40％水混合搅拌，通过成球机制成约10mm～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(950℃保温时间30min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为16.08MPa，气孔率为54.58％，蓄水率为73.47％。
对比例1
一种固体废弃物多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿30％、重金属污染土壤35％、秸秆35％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量35％的水混合搅拌，通过成球机制成约10mm～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(850℃保温时间10min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为9.74MPa，气孔率为65.81％，蓄水率为82.19％。
对比例2
一种固体废弃物多孔材料，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：尾矿40％、重金属污染土壤40％、秸秆15％，废弃玻璃粉4％、硼砂1％；
2)将称取的尾矿和重金属污染土壤置于球磨机中研磨2h后过筛(200目)，然后加入废弃秸秆、废弃玻璃粉和硼砂，再加入占原料总重量40％水混合搅拌，通过成球机制成约10mm～20mm的小球，放入烘箱干燥(80℃，干燥时间2h)，最后进行烧结(850℃保温时间10min)；制得所述多孔材料。
经测试，本实施例所得多孔材料抗压强度为28.93MPa，气孔率为27.58％，蓄水率为32.76％
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用固体废弃物制备的多孔材料，各原料及其所占质量百分比包括：尾矿20~35%、重金属污染土壤 20~35%、废弃秸秆25~50%、废弃玻璃粉4~10%、硼砂1~3%；其制备方法包括如下步骤：
1）按配比称取各组分；
2）将称取的尾矿和重金属土壤置于球磨机中研磨后过筛，所述过筛条件为过200目筛，然后加入废弃秸秆、玻璃粉和硼砂，再加水混合搅拌，造粒、干燥；
3）在850~950℃条件下烧结并保温10~30min，得所述多孔材料；
所述尾矿中各组分及其所占质量百分比包括：氧化硅20~30%、氧化铁20~30%，氧化钙0.05~0.1%、氧化镁0.05~0.1%；
所述重金属土壤中各组分及其所占质量百分比包括：氧化硅60~70%，氧化铝15~20%，氧化钙0.05~0.1%，氧化镁0.05~0.1%，重金属氧化物组分含量不超过1%。
2.根据权利要求1所述的多孔材料，其特征在于，所述尾矿为铁尾矿，细度为0.074mm；重金属土壤的细度为0.074mm。
3.根据权利要求1所述的多孔材料，其特征在于，所述秸秆为水稻、小麦或玉米秸秆，其尺寸大小为小于1cm，含水量低于5%，烧失量大于50%。
4.根据权利要求1所述的多孔材料，其特征在于，所述玻璃粉为回收玻璃制品经破碎细磨制成的硅酸盐类白色粉末，平均粒径为2.5μm以下。
5.权利要求1~4任一项所述多孔材料的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：
1）按配比称取各组分；
2）将称取的尾矿和重金属土壤置于球磨机中研磨后过筛，然后加入废弃秸秆、玻璃粉和硼砂，再加水混合搅拌，造粒、干燥；
3）在850~950℃条件下烧结并保温10~30min，得所述多孔材料。
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