CN108840705A - 一种黄河沙陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固废资源化及材料领域，具体涉及一种黄河沙陶粒及其制备方法。采用的主要原料是黄河沙，改性剂为废碱液。利用废碱液对黄河沙表面进行改性，增强其粘结性和比表面积，在不加粘结剂、膨胀剂的情况下制备出质轻、孔隙率高、强度好的陶粒。不仅解决了黄河流域泥沙大量堆积造成河床不断升高的问题，还利用了大量废碱液，使危险废物得到了很好的利用，达到了以废治废，保护环境的效果。

Description

一种黄河沙陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于固废资源化及材料领域，具体涉及一种黄河沙陶粒及其制备方法。
背景技术
随着矿石资源的日益枯竭和环保形势的日益严峻，天然砂石正在日益减少，同时，基础设施建设的快速发展，市场对砂石骨料的需求量大增。目前，东部沿海经济发达地区以及北京、上海等城市砂石供需出现严重矛盾，研发制备能够替代天然砂石的人工砂石迫在眉睫。同时滨州流域黄河多泥沙，大量的泥沙淤积在下游河床，使下游河床不断抬升，成为“地上悬河”，容易带来严重的洪水危害，威胁下游两岸地区人民的生命财产安全。将黄河泥沙用在陶粒的生产制备上，不仅有利于高效的解决黄河沙的堆积问题，也缓解了砂石资源紧张的问题，可谓是“一举两得”。
废碱液是在石油化工生产过程中，因采用NaOH溶液吸收H2S、碱洗油品和裂解气而产生的含有大量污染物的废液。由于含有硫化物和硫醇等无机和有机硫化物，因而废碱液具有难闻的恶臭气味，废液的主要组成是含恶臭有毒的硫化物(Na2S、硫醇、硫酚和硫醚等)、酚类、环烷酸类的钠盐、油类、杂环芳烃和反应残余的游离氢氧化钠。这类废水如果不经过适当处理就排入污水处理厂甚至直接外排，将会对污水处理系统形成极其严重的冲击或对自然水体造成不可逆转的破坏。因此，经济高效的废碱液处理工艺技术的研究开发，对环境保护、人们生活水平的提高以及经济社会的可持续发展都具有重要的战略意义和现实意义。
陶粒是以无机材料为主要原料，经原料预处理、造粒、焙烧、冷却等工艺生产的一种轻集料，表面是一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，具有隔水保气作用，并且赋予陶粒较高的强度。陶粒的粒径一般为5～20㎜，最大的粒径为25㎜。陶粒一般用来取代混凝土中的碎石和卵石。陶粒的内部结构特征呈细密蜂窝状微孔，这些微孔都是封闭型的，而不是连通型的。它是由于气体被包裹进壳内而形成的，这是陶粒质轻的主要原因。据陶粒的功能不同陶粒可用作建筑材料作为轻集料；在水处理行业用作水处理滤料；在园林行业用作无土栽培的基质。
发明内容
为了达到废弃资源再利用，发明人提供了一种黄河沙陶粒及其制备方法，原料以黄河沙、废碱液为主，通过在一定温度下的碱改性，增强黄河沙的粘结性和塑形，在无需其他辅料和添加剂的情况下成球，不但降低了生产成本，还提高了陶粒的强度，生产工艺简单，便于推广应用。
本发明生产出的废碱液改性黄河沙陶粒，外形为规则球形或椭球形，表面有细小孔。产品密度等级500-800，筒压强度在3MPa-10MPa，吸水率2％-10％，氯化物含量为2.1mg/L-11.5mg/L，符合国家标准。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
首先，一种黄河沙陶粒，按重量份计，其原料配比如下：黄河沙100份，废碱液90-150份，其中黄河沙含水率≤10％；
所述黄河沙为黄河沉沙池的沉降物，一般200目筛余≤40％，粒径较小，成分也比较复杂，不能直接作为应用材料；而且，黄河沙类似于沙子，松散，毫无粘结性，难以成球，制备陶粒时需要加入大量的粘结剂、膨胀剂等，一方面黄河沙的利用率极低，另一方面也增加了生产成本。但由于其主要成份为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO等，其中SiO2的含量占50％-75％，是很好的陶粒原料，本发明中通过用废碱液将黄河沙改性后，使黄河沙具有一定的塑性和粘结性，便于成球，大大提高黄河沙利用率，通常大于90％，甚至可达到100％，可以有效解决黄河泥沙大量堆积问题，提高了黄河沙的利用效益。
所述废碱液为石化废碱液，一般在石油化工生产过程中，因采用NaOH溶液吸收H2S、碱洗油品和裂解气后产生的含有大量硫化物(Na2S、硫醇、硫酚和硫醚等)、酚类等污染物的废液。该废碱液的PH达11-13，具有较强的碱性，能使黄河沙表面的Si-O键和Al-O键断裂，可溶性SiO2、Al2O3增多，使黄河沙活性增强，塑性增加；另外黄河沙与NaOH生成硅酸钠及铝酸钠，增加其粘性，在无外加剂的条件下即可造粒成球。废碱液对黄河沙的改性，可降低陶粒的焙烧温度，从而减少陶粒烧制过程中的热能消耗。因此不但实现了废弃物的资源化利用，而且比一般工艺的能耗要低。
发明人进一步提供了上述一种黄河沙陶粒的制备方法，具体步骤为：
(1)将黄河沙与废碱液按配方量重量份黄河沙100份，废碱液90-150份在坩埚中均匀混合；
(2)将混合均匀的原料放入90℃-110℃的烘干箱中，令其反应1-2h；
(3)将改性后的原料中多余的水分在100℃下蒸发掉，得到具有一定粘性的黄河沙泥料；
(4)将改性完成的黄河沙泥料在成球盘中成球，得到具有一定粒径的生料球，一般控制粒径大小为5-15mm，生料球在45±5℃的烘干箱内烘干；
(5)将生料球置于高温箱式炉内，设定好焙烧制度进行焙烧。焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘干温度升至低恒温温度250-350℃，在低恒温区恒温15-30min；以8℃/min使料球升至高恒温温度850℃-1000℃，在高温恒温区恒温10-15min；以5℃/min的速度使温度降到500℃以下，此时高温焙烧工艺完成。
经过250-350℃的预热可防止因温度过高造成陶粒的炸裂，预热时间应控制在15-30min以内，时间过长影响后续烧制工艺，浪费资源，过短则起不到预热的作用。850-1000℃温度内焙烧可保证陶粒表面轻微熔融，提高陶粒的强度。焙烧温度太高，容易造成陶粒表面大面积熔融相互粘结成块；温度太低易造成陶粒夹生，性能降低。焙烧时间太长会降低生产效率，时间太短易出现夹生现象。相对于目前市场上的陶粒而言，本发明制备的陶粒有着较低的焙烧温度，在焙烧过程中，改性黄河沙中的Na+与反应生成SiO2-Al2O3体系中电负性较强的O2-发生作用，生成低熔点的霞石矿物，霞石的生成能够显著降低烧成温度，提高产品强度。
在现有技术中，市售的500-800等级的陶粒其筒压强度在8MPa以下，但是本发明中的陶粒可达到10MPa以上的强度，除了钠离子与氧作用生成低熔点的霞石外，另一方面废碱液中的硫化物(Na2S、硫醇、硫酚和硫醚等)、酚类等，在焙烧过程中挥发或生成气体，起到了发泡的作用，可减轻陶粒的容重，产生的挥发性气体随烟气管道送往烟气洁净车间进行处理，避免造成对环境的二次污染。本发明在生产过程中减少了粘结剂的使用，进而减少了粘结剂的储存、输送能耗；而且石化碱液对黄河沙的改性，可降低陶粒的焙烧温度，从而减少陶粒烧制过程中的热能消耗。因此不但实现了废弃物的资源化利用，而且比一般工艺的能耗要低。
在现有的技术中，黄河沙属于密度较大的物质，要想利用它生产出轻质陶粒较为困难。与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明方法制备的陶粒具有强度高、吸水率较低等多重优良品质，属于高性能陶粒；
(2)本发明中膨胀陶粒的烧成温度在1000℃左右，显著低于现有公开的陶粒的烧成温度；
(3)通过对黄河沙的碱改性，使黄河沙具有一定的粘结性、膨胀性，无需大比例添加粘土等无机矿物成分，提高了黄河沙的利用率，降低了生产成本。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围，除特殊说明外，下述实施例中均采用常规现有技术完成。
实施例1
首先，取某黄河沙为原料，其化学组分经分析大概为：SiO2：54.20％、Al2O3：9.53％、Fe2O3：2.84％、CaO：6.05％、MgO：1.72％、Na2O：1.55％、K2O：1.76％；然后，称取3000g的黄河沙，3000g的废碱液，混合均匀，在100℃烘干箱内反应1h，并于100℃蒸除多余水分，得到粘性与塑性适宜的改性黄河沙泥料；然后，通过成球盘得到粒径7-12mm的生料球，在45℃的烘干箱内烘干；最后，生料球放入高温箱式炉中，以10℃/min的速度使料球由烘干温度升至低恒温温度250-350℃，在低恒温区恒温15-30min；以8℃/min使料球升至高恒温温度850℃-900℃，在高温恒温区恒温10min左右；以5℃/min的速度使温度降到500℃以下。制备陶粒的筒压强度为8MPa，吸水率为4.3％，堆积密度为630kg/m3。
实施例2
首先，取黄河沙原料，原料与实施例1相同，然后，称取3000g的黄河沙，2700g的废碱液，混合均匀，在90℃烘干箱内反应2h，并于100℃蒸除多余水分，得到粘性与塑性适宜的改性黄河沙泥料；然后，通过成球盘得到粒径10-15mm的生料球，在45℃的烘干箱内烘干；最后，生料球放入高温箱式炉中，以10℃/min的速度使料球由烘干温度升至低恒温温度250-350℃，在低恒温区恒温15-30min；以8℃/min使料球升至高恒温温度900℃-1000℃，在高温恒温区恒温10min左右；以5℃/min的速度使温度降到500℃以下。制备陶粒的筒压强度为10MPa，吸水率为3.5％，堆积密度为780kg/m3。
实施例3
首先，取黄河沙原料，原料与实施例1相同，然后，称取3000g的黄河沙，4500g的废碱液，混合均匀，在90℃烘干箱内反应2h，并于100℃蒸除多余水分，得到粘性与塑性适宜的改性黄河沙泥料；然后，通过成球盘得到粒径5-10mm的生料球，在45℃的烘干箱内烘干；最后，生料球放入高温箱式炉中，以10℃/min的速度使料球由烘干温度升至低恒温温度250-350℃，在低恒温区恒温15-30min；以8℃/min使料球升至高恒温温度900℃左右，在高温恒温区恒温15min左右；以5℃/min的速度使温度降到500℃以下。制备陶粒的筒压强度为6MPa，吸水率为9.1％，堆积密度为540kg/m3。
通过上述实施例可以看出，通过本发明方法制备的黄河沙陶粒具有强度高、吸水率较低等多重优良品质；并且原料简单易得，成本低，制备工艺中焙烧工艺温度较常规陶粒焙烧温度较低，降低了能耗。综上所述，本发明中的陶粒产品及其制备方法适于推广应用。

Claims (4)

1.一种黄河沙陶粒，其特征在于，按重量份计，其原料配比如下：黄河沙100份，废碱液90-150份，其中黄河沙含水率≤10％。
2.权利要求1所述的一种黄河沙陶粒，其特征在于：所述黄河沙为黄河沉沙池的沉降物，200目筛余≤40％；所述废碱液为石化废碱液，其PH为11-13。
3.权利要求1所述的一种黄河沙陶粒的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)将黄河沙与废碱液按配方量重量份黄河沙100份，废碱液90-150份在坩埚中均匀混合；
(2)将混合均匀的原料放入90℃-110℃的烘干箱中，令其反应1-2h；
(3)将改性后的原料中多余的水分在100℃下蒸发掉，得到具有一定粘性的黄河沙泥料；
(4)将改性完成的黄河沙泥料在成球盘中成球，得到生料球，生料球在45±5℃的烘干箱内烘干；
(5)将生料球置于高温箱式炉内，设定好焙烧制度进行焙烧。
4.如权利要求3所述的一种黄河沙陶粒的制备方法，其特征在于：所述的焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘干温度升至低恒温温度250-350℃，在低恒温区恒温15-30min；以8℃/min使料球升至高恒温温度850℃-1000℃，在高温恒温区恒温10-15min；以5℃/min的速度使温度降到500℃以下，此时高温焙烧工艺完成。
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