CN109206148B - 一种陶粒的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种陶粒的制备方法及其应用，将凹凸棒土、铝盐或者铁盐、造孔剂与水混合，造粒成球后进行烧结，得到陶粒。本发明得到的陶粒，因为其中的铝盐或铁盐可以和水中各种形态的磷酸盐形成溶或者不溶性的磷酸盐而被去除，凹凸棒土具有较好的吸附交换能力与铝盐、铁盐协同作用可以更好的去除水体中的总磷，且凹凸棒土矿物丰富，价格低廉，操作简单，对设备要求低，制得的陶粒对水体中磷的去除性能好，适合工业化大规模生产。陶粒对生活污水中的氮磷具有良好的处理效果将其应用于人工湿地系统中将会发挥更大效益。

Description

一种陶粒的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于水污染控制技术领域，具体涉及制备一种陶粒的制备方法及其应用。
背景技术
人工湿地的主要研究方向则是湿地基质，湿地基质研究了沙石、沸石、粉煤灰、矿渣、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣、生物陶粒等天然或者废料等对废水的处理效果。不同的基质材料吸附和处理污水中目标污染物的能力有很大差别，在材料的选择方面都是基于“以废治废、变废为宝、经济环保”等原则，并根据材料各自的性能和成本通过科学配比来达到最佳，最经济的污水处理效果。
农村生活污水污染来源主要是农村生活用水乱排乱放，这些污水直排入河流，使得氮、磷含量高特别是磷含量较高，这些给水体带来很严重的污染。对于城市生活污水可以统一收集排入市政管网进行处理，而对于农村生活污水却无法进行统一收集处置，农村的地形广阔，住户分散，更关键的一点是农村生活污水的流量波动较大，且没有排放规律，很难进行统一化管理。所以势必要因地制宜，而针对农村分散型生活污水处理的案例已有不少，但基于生态考虑和农村原始生态的安逸，静谧，所以要选择适宜的污水处理工艺及设施。农村生活污水中主要的去除目标是氮、磷等，氮、磷过量话，很容易造成水体富营养化，导致藻类等疯狂生长，消耗水体大量的溶氧氧，使鱼虾窒息死亡，严重破坏水体生态环境。而选用人工生态湿地单元对农村生活污水进行处理，不仅从根本解决了污染的问题，同时对原生态的农村起到一定的保护和美化作用。所以利用人工生态湿地单元对农村生活污水进行处理，已成为一种新的、适宜的方法。
人工生态湿地单元污水处理系统是人为设计的半生态污水处理系统，通常是在一定长宽比及地面坡度的洼地上由沙石、煤渣、废弃矿物等混合成的填料床和在床体上种植具有一定处理性能、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观且具有经济价值的挺水植物，以及在水中、填料中生存的动物、微生物所组成的独特生态环境，污水流经床体表面和床体填料缝隙时，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等实现对污水的高效净化。从生态角度上看，人工生态湿地单元系统具有强大的生物修复能力，不仅能保护水资源，调节气候，而且能吸收二氧化硫、氮氧化物等有毒有害气体。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶粒的制备方法及其应用，该制备方法操作简单，凹凸棒土资源丰富，价格低廉，与铝盐或铁盐复配制得的陶粒去除性能好。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种陶粒的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，向凹凸棒土中加入铝盐或者铁盐后，搅拌均匀，得到混合物A；
步骤2，向步骤1得到的混合物A中加入造孔剂，搅拌均匀，得到混合物B；
步骤3，将步骤2得到的混合物B置于成球机中，加入水，成球得到不同粒径的陶粒；
步骤4，将步骤3所得的陶粒干燥，预烧，焙烧，得到陶粒。
本发明进一步的改进在于，凹凸棒土与铝盐的质量比为(1～3):1，凹凸棒土与铁盐的质量比为(1～3):1。
本发明进一步的改进在于，铝盐为聚合氯化铝或氯化铝。
本发明进一步的改进在于，铁盐为聚合硫酸铁、三氯化铁或硫酸亚铁。
本发明进一步的改进在于，造孔剂的加入量为混合物A的质量的1～5％。
本发明进一步的改进在于，干燥的温度为105℃，时间为1～2h。
本发明进一步的改进在于，预烧的温度为300℃，时间为10～30min。
本发明进一步的改进在于，焙烧的温度为400～700℃，时间为3～6h。
一种陶粒在去除磷酸根中的应用，在磷酸根浓度为4～6mg/L生活污水水体中加入陶粒，在潮汐流运行条件下吸附去除生活污水中磷酸根，净化水体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明得到的陶粒，因为其中的铝盐或铁盐可以和水中各种形态的磷酸盐形成溶或者不溶性的磷酸盐而被去除，凹凸棒土具有较好的吸附交换能力与铝盐或铁盐协同作用可以更好的去除水体中的总磷，且凹凸棒土矿物丰富，价格低廉，操作简单，对设备要求低，制得的陶粒对水体中磷的去除性能好，适合工业化大规模生产。陶粒对生活污水中的氮磷具有良好的处理效果，具有较好的去除率，将其应用于人工湿地系统中将会发挥更大效益。
进一步的，在300℃进行10～30min的预烧操作，脱去结晶水，确保后续烧结不会炸裂。
附图说明
图1为本发明应用的人工处理单元实用结构图。
图中，1-预处理单元、2-第一蠕动泵、2’-第二蠕动泵、3-进水管、4-挺水植物、5-溢流堰、6-中等规格粒径陶粒、7-小规格粒径陶粒、8-大规格粒径陶粒、9-砾石、10-穿孔管、11-第一取样口、12-二级单元进水口、13-出水管、14-底座架、15-法兰底座、16-人工生态湿地单元基质柱、17、第二取样口、18-沉降大颗粒。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的陶粒的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，向凹凸棒土中加入铝盐或者铁盐后，搅拌均匀，得到混合物A；其中，凹凸棒土与铝盐的质量比为(1～3):1，凹凸棒土与铁盐的质量比为(1～3):1。铝盐为聚合氯化铝、氯化铝。铁盐为聚合硫酸铁、三氯化铁或硫酸亚铁。
步骤2，向步骤1得到的混合物A中加入造孔剂，搅拌均匀，得到混合物B；造孔剂的加入量为混合物A的质量的1～5％。
步骤3，将步骤2得到的混合物B置于盘式成球机中，加入水，造粒得到不同粒径的陶粒；
步骤4，将步骤3所得的陶粒干燥，预烧，焙烧，得到陶粒。其中，干燥的温度为105℃，时间为1～2h。预烧的温度为300℃，时间为10～30min。焙烧的温度为400～700℃，时间为3～6h。
上述方法制备的陶粒在去除磷酸根中的应用，具体为：在磷酸根浓度为4～6mg/L生活污水水体中加入陶粒，在潮汐流运行条件下吸附去除生活污水中磷酸根，净化水体。
参见图1，本发明采用人工湿地基质柱对陶粒在去除磷酸根中的测试，人工湿地基质柱包括至少两级人工处理单元，每级人工处理单元包括预处理单元1和人工生态湿地单元。预处理单元1内装有沉降大颗粒18；所述人工生态湿地单元包括人工生态湿地单元基质柱16(即有机玻璃柱)、溢流堰5、不同规格的陶粒、砾石9、进水管3、出水管13、穿孔管10、第一蠕动泵、第二蠕动泵、计时器以及湿地植物(即挺水植物4)；其中，所述不同规格的陶粒作为湿地主体填料，按照陶粒尺寸，以中等规格粒径陶粒6、小规格粒径陶粒7、大规格粒径陶粒8依次从上往下排布在人工生态湿地单元基质柱16内；所述砾石9作为湿地的承托层，即砾石9填装在大规格粒径陶粒8下方，所述第一蠕动泵2的一端接预处理单元1的出水管，另一端接人工生态湿地单元顶部的溢流堰5的进水管3，所述第二蠕动泵2’一端接人工生态湿地单元基质柱16底部的出水管13，另一端接二级湿地基质柱顶部的溢流堰的进水口12；第一蠕动泵与第二蠕动泵2’均连接有计时器装置，计时器装置用于控制两个蠕动泵。人工生态湿地单元基质柱16上侧壁上开设有第二取样口17，穿孔管10上开设有第一取样口11。人工生态湿地单元基质柱16固定在底座架14上，并且通过法兰底座15进行固定。
以本发明制备的陶粒作为湿地基质柱填料，且按照不同粒径分层排布；陶粒具有微孔结构，不仅可以增大接触面具，更有利于微生物的附着生长。
本发明的特点还在于，磷酸根为PO4 3-、HPO4 2-、H2PO4 -中的一种或多种。
本发明采用的凹凸棒土类似粘土结构，具有良好的成陶性能。
本发明采用的铝盐和铁盐均可与水中各种形态的磷酸盐结合形成溶或者不溶性的磷酸盐而去除。
本发明采用造孔剂碳酸镁作为产气物，可以丰富陶粒微孔结构。
本发明中将陶粒填充应用于潮汐流人工生态湿地单元，对分散式农村生活污水具有良好的处理效果。
对比例1
步骤1，将凹凸棒土和聚合氯化铝按照质量比1：0的比例混合后，在盘式成球机中，加入水，造粒成球，得到不同粒径的陶粒。
步骤2，将成球后陶粒在105℃干燥2h，将干燥后的陶粒在300℃预烧30min，然后于400℃焙烧2h，得到陶粒。
对比例2
与对比例1的不同在于，500℃焙烧3h。
对比例3
与对比例1的不同在于，600℃焙烧4h。
对比例4
与对比例1的不同在于，700℃焙烧5h.
将对比例1-4制备的陶粒研磨成粉过筛，分别称取2g对比例1-4制备的陶粒粉末加入装有5mg/L磷溶液的锥形瓶中。在25℃条件下恒温振荡吸附，吸附时间24h后，过滤取滤液，测得对比例1的陶粒粉末磷酸根去除率为19.19％，对比例2的陶粒粉末磷酸根去除率为34.54％，对比例3的陶粒粉末磷酸根去除率为59.87％，对比例4的陶粒粉末磷酸根去除率为36.07％。
实施例1
步骤1，将凹凸棒土和聚合氯化铝按照质量比1：1的比例混合后，在盘式成球机中，加入水，造粒成球，得到不同粒径的陶粒。
步骤2，将成球后陶粒在105℃干燥2h，将干燥后的陶粒在300℃预烧30min，然后于400℃焙烧3h，得到陶粒；
实施例2
与实施例1的不同在于，于500℃焙烧2h。
实施例3
与实施例1的不同在于，于600℃焙烧5h。
实施例4
与实施例1的不同在于，于700℃焙烧4h。
将实施例1-4制备的陶粒研磨成粉过筛，分别称取2g实施例1-4制备的陶粒粉末加入装有5mg/L磷溶液的锥形瓶中。在25℃条件下恒温振荡吸附，吸附时间24h后，过滤取滤液，测得实施例1制备的陶粒磷酸根去除率为93.30％，实施例2制备的陶粒磷酸根去除率为91.86％，实施例3制备的陶粒磷酸根去除率为91.86％，实施例1制备的陶粒磷酸根去除率为92.58％。
实施例5
步骤1，将凹凸棒土和聚合氯化铝按照质量比2：1的比例混合后，在盘式成球机中，加入水，造粒成球，得到不同粒径的陶粒。
步骤2，将成球后陶粒在105℃干燥2h，将干燥后的陶粒在300℃预烧30min，然后于400℃焙烧4h，得到陶粒；
实施例6
与实施例5的不同在于，于500℃焙烧5h。
实施例7
与实施例5的不同在于，于600℃焙烧2h。
实施例8
与实施例5的不同在于，于700℃焙烧3h。
将实施例5-8制备的陶粒研磨成粉过筛，分别称取2g实施例5-8制备的陶粒粉末加入装有5mg/L磷溶液的锥形瓶中。在25℃条件下恒温振荡吸附，吸附时间24h后，过滤取滤液，测得实施例5制备的陶粒磷酸根去除率为61.43％，实施例6制备的陶粒磷酸根去除率为62.65％，实施例7制备的陶粒磷酸根去除率为55.95％，实施例8制备的陶粒磷酸根去除率为31.67％。
实施例9
步骤1，将凹凸棒土和聚合氯化铝按照质量比3：1的比例混合后，在盘式成球机中，加入水，造粒成球，得到不同粒径的陶粒。
步骤2，将成球后陶粒在105℃干燥2h，将干燥后的陶粒在300℃预烧30min，然后于400℃焙烧5h，得到陶粒；
实施例10
与实施例9的不同在于，于500℃焙烧4h。
实施例11
与实施例9的不同在于，于600℃焙烧3h。
实施例12
与实施例9的不同在于，于700℃焙烧2h。
将实施例9-12制备的陶粒研磨成粉过筛，分别称取2g实施例9-12制备的陶粒粉末加入装有5mg/L磷溶液的锥形瓶中。在25℃条件下恒温振荡吸附，吸附时间24h后，过滤取滤液，测得实施例9制备的陶粒磷酸根去除率为72.26％，实施例10制备的陶粒磷酸根去除率为72.82％，实施例11制备的陶粒磷酸根去除率为63.26％，实施例12制备的陶粒磷酸根去除率为32.87％。
实施例13
步骤1，将凹凸棒土和聚合氯化铝按照质量比3：1的比例造合后，在盘式成球机中，加入水，造粒成球，得到不同粒径的陶粒。
步骤2，将成球后陶粒在105℃干燥2h，将干燥后的陶粒在300℃预烧30min，然后于600℃焙烧5h，得到陶粒；
步骤3，将陶粒研磨成粉过筛，称取2g陶粒粉末加入装有磷溶液的锥形瓶中。磷酸根的初始浓度为5mg/L，在25℃条件下恒温振荡吸附，吸附时间48h后，过滤取滤液，测得磷酸根的吸附量为0.28mg/g，去除率为98.15％。
实施例14
采用实施例13制备的陶粒粉末去除水中磷酸根，磷酸根的浓度为10mg/L，其他条件不变，磷酸根的吸附量为0.52mg/g，去除率为97％。
实施例15
采用实施例13制备的陶粒粉末去除水中磷酸根，磷酸根的浓度为20mg/L，其他条件不变，磷酸根的吸附量为1.08mg/g，去除率为97.1％。
实施例16
采用实施例13制备的陶粒粉末去除水中磷酸根，磷酸根的浓度为40mg/L，其他条件不变，磷酸根的吸附量为2.27mg/g，去除率为98.83％。
实施例17
采用实施例13制备的陶粒粉末去除水中磷酸根，磷酸根的浓度为60mg/L，其他条件不变，磷酸根的吸附量为3.32mg/g，去除率为98.25％。
实施例18
采用实施例13制备的陶粒粉末去除水中磷酸根，磷酸根的浓度为80mg/L，其他条件不变，磷酸根的吸附量为3.96mg/g，去除率为97.36％。
实施例19
采用实施例13制备的陶粒粉末去除水中磷酸根，磷酸根的浓度为100mg/L，其他条件不变，磷酸根的吸附量为4.48mg/g，去除率为95.86％。
由实施例14～19可以看出，随着磷酸根浓度的增大，陶粒对磷酸根的吸附量逐渐增大。
下面将陶粒填充至人工湿地基质柱中，取某高校生活污水作为湿地系统处理对象，采用不同的水力停留时间，研究污水总磷指标去除率。
实施例20
采用实施例13制备的水力停留时间设置为2h，空置时间24h，磷酸根初始浓度为4～6mg/L，磷酸根去除率为85.19％。
实施例21
采用实施例13制备的水力停留时间设置为4h，其他条件不变，磷酸根去除率为89.96％。
实施例22
采用实施例13制备的水力停留时间设置为6h，其他条件不变，磷酸根去除率为90.04％。
实施例23
采用实施例13制备的水力停留时间设置为8h，其他条件不变，磷酸根去除率为91.11％。
实施例24
采用实施例13制备的水力停留时间设置为12h，其他条件不变，磷酸根去除率为92.93％。
由实施例20～24可以看出，随着停留时间的增长，陶粒对磷酸根的去除率逐渐增大。
通过与对比例1-4对比，可见本发明制备的陶粒对磷酸根的去除率较大。
实施例25
步骤1，向凹凸棒土中加入铝盐后，搅拌均匀，得到混合物A；其中，凹凸棒土与铝盐的质量比为1:1，铝盐为氯化铝。
步骤2，向步骤1得到的混合物A中加入造孔剂，搅拌均匀，得到混合物B；造孔剂的加入量为混合物A的质量的1％。
步骤3，将步骤2得到的混合物B置于盘式成球机中，加入水，造粒得到不同粒径的陶粒；
步骤4，将步骤3所得的陶粒干燥，预烧，焙烧，得到陶粒。其中，干燥的温度为105℃，时间为1h。预烧的温度为300℃，时间为20min。焙烧的温度为400℃，时间为6h。
实施例26
步骤1，向凹凸棒土中加入铁盐后，搅拌均匀，得到混合物A；其中，凹凸棒土与铁盐的质量比为2:1，铁盐为聚合硫酸铁。
步骤2，向步骤1得到的混合物A中加入造孔剂，搅拌均匀，得到混合物B；造孔剂的加入量为混合物A的质量的5％。
步骤3，将步骤2得到的混合物B置于盘式成球机中，加入水，造粒得到不同粒径的陶粒；
步骤4，将步骤3所得的陶粒干燥，预烧，焙烧，得到陶粒。其中，干燥的温度为105℃，时间为2h。预烧的温度为300℃，时间为10min。焙烧的温度为700℃，时间为3h。
实施例27
步骤1，向凹凸棒土中加入硫酸亚铁后，搅拌均匀，得到混合物A；其中，凹凸棒土与硫酸亚铁的质量比为3:1。
步骤2，向步骤1得到的混合物A中加入造孔剂，搅拌均匀，得到混合物B；造孔剂的加入量为混合物A的质量的3％。
步骤3，将步骤2得到的混合物B置于盘式成球机中，加入水，造粒得到不同粒径的陶粒；
步骤4，将步骤3所得的陶粒干燥，预烧，焙烧，得到陶粒。其中，干燥的温度为105℃，时间为1h。预烧的温度为300℃，时间为30min。焙烧的温度为500℃，时间为4h。
实施例28
步骤1，向凹凸棒土中加入三氯化铁后，搅拌均匀，得到混合物A；其中，凹凸棒土与三氯化铁的质量比为3:1。
步骤2，向步骤1得到的混合物A中加入造孔剂，搅拌均匀，得到混合物B；造孔剂的加入量为混合物A的质量的3％。
步骤3，将步骤2得到的混合物B置于盘式成球机中，加入水，造粒得到不同粒径的陶粒；
步骤4，将步骤3所得的陶粒干燥，预烧，焙烧，得到陶粒。其中，干燥的温度为105℃，时间为1h。预烧的温度为300℃，时间为20min。焙烧的温度为600℃，时间为4h。
本发明的陶粒用于去除水中磷酸根。在自然水体中，磷的主要存在形式以磷酸根和有机磷为主。但能被微生物及藻类作为营养物质所利用的仅为溶解态的磷，这部分磷主要以磷酸根形态存在。故在实际污水处理中，往往关注于磷酸根的去除。该方法利用铝盐或铁盐可以和水中各种形态的磷酸形成溶或者不溶性的磷酸盐而被去除，凹凸棒土具有较好的吸附交换能力与铝盐、铁盐协同作用可以更好的去除水体中的总磷。制得陶粒吸附去除性能好，适合工业化大规模生产。湿地装置简单易维护，运行成本低，无剩余污泥的产生。

Claims (3)

1.一种陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，向凹凸棒土中加入铝盐后，搅拌均匀，得到混合物A；其中，凹凸棒土与铝盐的质量比为1:1；
步骤2，向步骤1得到的混合物A中加入造孔剂，搅拌均匀，得到混合物B；
步骤3，将步骤2得到的混合物B置于成球机中，加入水，成球得到不同粒径的陶粒；
步骤4，将步骤3所得的陶粒干燥，预烧，焙烧，得到陶粒；其中，预烧的温度为300℃，时间为30min；
铝盐为聚合氯化铝或氯化铝；
造孔剂的加入量为混合物A的质量的1～5%；
焙烧的温度为400ºC，时间为3h，或者焙烧的温度为500ºC，时间为2h，或者焙烧的温度为600ºC，时间为5h，或者焙烧的温度为700ºC，时间为4h。
2.根据权利要求1所述的一种陶粒的制备方法，其特征在于，干燥的温度为105℃，时间为2h。
3.一种根据权利要求1-2中任意一项所述制备方法制备的陶粒在去除磷酸根中的应用，其特征在于，在磷酸根浓度为4～6mg/L生活污水水体中加入陶粒，在潮汐流运行条件下吸附去除生活污水中磷酸根，净化水体。
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