CN109502937B

CN109502937B - 一种固化淤泥的方法和利用提钛渣的淤泥固化剂

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Publication number: CN109502937B
Application number: CN201811492026.7A
Authority: CN
Inventors: 彭同江; 唐颂; 孙红娟; 刘海峰
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: CN109502937A

Abstract

本发明提供了一种固化淤泥的方法和利用提钛渣的淤泥固化剂。所述固化剂可由以下原料配置而成：25～50质量份的提钛渣、12～26质量份的石灰、0～18质量份的偏高岭土、10～30质量份的钢渣微粉、1～3质量份的激发剂和0.1～0.5质量份的丙烯酸盐。所述固化淤泥的方法包括采用上述的淤泥固化剂来固化淤泥。本发明的有益效果包括：采用提钛渣为固化剂主要原料，能够实现工业固废材料的合理利用；本发明的固化剂还能根据所固化淤泥中有机质含量、孔隙比及含水率，通过调整自身添加量来达到最佳固化效果，具有固化成本低，固化后淤泥强度高，水稳定性好，可用作工程回填等，具有良好的经济效益和实用价值。

Description

一种固化淤泥的方法和利用提钛渣的淤泥固化剂

技术领域

本发明涉及环境治理和资源再生领域，特别地，涉及一种利用提钛渣的淤泥固化剂和固化淤泥的方法。

背景技术

作为举世闻名的钒钛之都，攀枝花地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿资源，其中TiO2储量高达1.3亿吨，占国内已知储量的90％以上，超过世界已探明储量的1/3，居国内首位。在攀钢现行冶炼工艺技术条件下，原矿中50％左右的钛资源进入到高炉渣中，形成了攀钢特有的含钛高炉渣，目前堆存量已达7000多万t，且每年仍以300多万t的速度增加，是攀钢，也是我国特有的二次钛资源。

为有效利用攀钢含钛高炉渣，自2004年起，攀钢即“高温碳化-低温选择性氯化”工艺对此重点研究推进，并于2009年成功建成中试线。但在回收其中钛资源的同时，产生了大量含氯尾渣—提钛渣，由于经过低温选择性氯化，渣中含2～7％左右的氯化物，远远超过现行行业标准《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GBT 18046-2017)中氯离子含量不高于0.06％(质量份数)的要求，故无法像普通高炉渣那样直接用于水泥及混凝土，只能堆放处理，堆积如山的提钛渣，不但占用了大量土地资源，不但占用着宝贵的土地资源，还对周边环境造成严重污染，给企业带来了巨大的环保压力，严重影响并制约了相关产业发展。

研究结果表明：攀钢提钛渣由于经过水淬处理，其中含有大量的非晶态物质，具有高火山灰活性，经过适当的激发剂激发后，具有较高的强度，可以用于淤泥固化。

淤泥处理涉及到环境治理和再生资源利用，牵涉到环境保护。受经济发展水平影响，西方一些国家在这方面研究较早，英国、法国、荷兰等国家，在20世纪80年代，就利用淤泥作主要原料，制作高效净化燃料。

我国在淤泥处理技术方面研究起步较晚，但随着经济发展，我国在这方面也进行了大量的研究，但无论用于何处，均需事先对淤泥进行固化处理，因此，高效低成本的淤泥固化剂就成为处理污泥的一个重要影响因素。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够消耗大量提钛渣且性能优异的淤泥固化剂。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种利用提钛渣的淤泥固化剂。所述固化剂可由以下原料配置而成：25～50质量份的提钛渣、12～26质量份的石灰、0～18质量份的偏高岭土、10～30质量份的钢渣微粉、1～3质量份的激发剂和0.1～0.5质量份的丙烯酸盐。

根据本发明基于的一个实施例，所述淤泥固化剂可由以下原料配置而成：30～40质量份的提钛渣、15～22质量份的石灰、8～14质量份的偏高岭土、15～25质量份的钢渣微粉、1.5～2.5质量份的激发剂和0.2～0.4质量份的丙烯酸盐。

根据本发明基于的一个实施例，所述石灰、偏高岭土、钢渣微粉、激发剂和丙烯酸盐的比表面积不小于0.35m²/g。

根据本发明基于的一个实施例，所述提钛渣可包括：含钛高炉渣经过高温碳化-低温选择性氯化工艺提钛后的渣。

根据本发明基于的一个实施例，所述石灰的干粉中CaO和MgO的质量分数之和可不低于90％，MgO质量分数可不超过5％，SO₃质量分数可不超过2％。

根据本发明基于的一个实施例，所述钢渣微粉由陈化6个月以上的钢渣制备得到。

根据本发明基于的一个实施例，所述激发剂包括石膏、硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠中的一种或多种。

根据本发明基于的一个实施例，所述石膏中β半水硫酸钙的质量分数不低于60.0％。

根据本发明基于的一个实施例，所述的石膏可包括天然石膏、脱硫石膏和磷石膏中的一种或多种。

根据本发明基于的一个实施例，所述固化剂能够使淤泥的7天无侧限抗压强度达到0.7MPa以上，28天无侧限抗压强度超过1.5MPa，90天无侧限抗压强度达到2.0～5.5MPa。

本发明另一方面提供了一种固化淤泥的方法。所述方法可可采用上述的固化剂来固化淤泥。

所述方法可包括：将30～70质量份的淤泥与70～30质量份的淤泥固化剂混合，并搅拌均匀，以使淤泥固化，其中，所述固化剂由质量比为25～50：12～26：0～18：10～30：1～3：0.1～0.5的提钛渣、石灰、偏高岭土、钢渣微粉、激发剂和丙烯酸盐配置而成。

根据本发明基于的一个实施例，所述淤泥孔隙比为1.6～2.0，含水率为80～95％。

根据本发明基于的一个实施例，固化后所述淤泥的7天无侧限抗压强度达到0.7MPa以上，28天无侧限抗压强度超过1.5MPa，90天无侧限抗压强度达到2.0～5.5MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明采用提钛渣为固化剂主要原料，能够实现工业固废材料的合理利用，固化成本低，固化后淤泥强度高，水稳定性好，可用作工程回填等，具有良好的经济效益和实用价值。本发明的固化剂还能根据所固化淤泥中有机质含量、孔隙比及含水率，通过调整自身添加量来达到最佳固化效果。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例详细地描述本发明的固化淤泥的方法和利用提钛渣的淤泥固化剂。

攀钢采用高温碳化、低温氯化对高钛高炉渣进行提钛，产生了大量的提钛渣，这些提钛渣因氯离子含量较高，难以像普通高炉渣一样被广泛用于水泥等建材产品，大量的提钛渣不但占用宝贵的土地资源，也带来了潜在的环境安全隐患，给企业带来了巨大的环保压力，严重影响并制约了提钛产业的发展。

发明人发现：提钛渣具有潜在的水硬性，通过合适的激发剂激发后，可以产生较强的胶结性能，用于淤泥固化，不但可以变废为宝，而且还可以保护环境，促进提钛工业的健康和持续发展。即采用碱激发提钛渣固化淤泥，可以实现废-废利用，具有巨大的经济、环保和社会效益。

针对攀钢提钛渣资源化尚未能很好解决等问题，本发明一方面提出了一种利用提钛渣的淤泥固化剂。

在本发明的一个示例性实施例中，所述淤泥固化剂可由以下原料配置而成：

25～50质量份的提钛渣、12～26质量份的石灰、0～18质量份的偏高岭土、10～30质量份的钢渣微粉、1～3质量份的激发剂和0.1～0.5质量份的丙烯酸盐。

在本实施例中，所述淤泥固化剂的配制过程可包括：

将12～26质量份的石灰、1～3质量份的激发剂和0.1～0.5质量份的丙烯酸盐混合均匀，得第一组分。

将0～18质量份的偏高岭土、25～50质量份的提钛渣和10～30质量份的钢渣微粉混合均匀，得第二组分。

将上述第一组分和第二组分在混合机中混合均匀，得到固化剂。以上的混合都可在粉体混合机内混合均匀。

在本实施例中，所述提钛渣可为未经任何处理的攀钢提钛渣原渣，其60目筛通过率100％，200筛通过率≥45％。或者提钛渣可为经进一步磨细或粉碎后细渣。若磨细或粉碎后细渣100目筛通过率100％，200目筛通过率达到75％以上，则性能更佳。对于提钛渣，当其含量过低时，会导致水化产物中活性成分偏低，淤泥固化强度会受到较大影响，从而降低固化效果；当含量过高时，会影响影响其他成分的使用量，同样会不利于淤泥固化，故提钛渣合理用量为25份～50份，提钛渣可包括按照质量分数计的如下成分：28～33％CaO、20～25％SiO₂、10～14％Al₂O₃、2～7％MgO、2～10％TiO₂、2～4％Fe₂O₃、2～5％Cl元素。

在本实施例中，进一步地，原料可包括：

30～40质量份的提钛渣、15～22质量份的石灰、8～14质量份的偏高岭土、15～25质量份的钢渣微粉、1.5～2.5质量份的激发剂和0.2～0.4质量份的丙烯酸盐。

在本实施例中，除提钛渣外，其余原料的比表面积不小于0.35m²/g，例如可为0.4m²/g。

在本实施例中，所述石灰宜采用新鲜的生石灰粉，其CO₂含量不超过4％。石灰干粉中，CaO和MgO的质量分数之和不低于90％，且MgO质量分数不超过5％，SO₃质量分数不超过2％。所述石灰能够完成通过20目筛，200目筛通过率可不低于98％，300目筛通过率可不低于55％。其中，干粉是石灰烘干(例如在105℃)得到的干粉。

石灰的作用主要是对提钛渣中的活性组分进行激发，同时形成强碱环境，以利于反应的进行，且石灰的水溶液氢氧化钙还直接参与水化反应，与提钛渣中活性组分共同水化后生成C-S-H、C-A-H和钙矾石等水化产物，这些产物硬化后，提供了所固化淤泥的强度。

在本实施例中，所述偏高岭土的平均粒径可为10μm以下。

所述偏高岭土的成分为无水硅酸铝(Al₂O₃·2SiO₂)作为一种高活性的人工火山灰材料，偏高岭土可与Ca(OH)₂和水发生火山灰反应，生成与水泥类似的水化产物。当与碱激发剂、提钛渣以及生石灰掺配后，可以水化硅酸钙、水化铝酸钙等不同水化产物，这些水化产物硬化后具有较高强度，从而可以提高淤泥固化效果。

所述钢渣微粉的平均粒径可以为6μm～10μm。钢渣微粉800目筛通过率大于90％。例如，所述钢渣微粉的平均粒径可以为8μm。制备所述钢渣微粉的钢渣需要进行6个月以上时间的陈化，例如，可以将钢渣进行6个月以上的陈化后制备钢渣微粉。钢渣微粉的作用主要是在淤泥固化体中形成初期强度和填充作用，同时经过激发剂激发后有一定的活性，有利于淤泥固化后后期强度的增长。

所述钢渣微粉可包括按照质量百分比计的如下成分：3～10％FeO，3～15％SiO₂，35～50％CaO，3～8％MgO，1～6％Al₂O₃，1～5％TiO₂，10～23％V₂O₅，1～3％SO₃，1～4％P₂O₅，以及不超过3％不可避免的杂质组成。

在本实施例中，所述激发剂可由石膏、硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠中的一种或几种组成。

其中，所述石膏可以采用天然石膏、脱硫石膏和磷石膏中的一种或多种。石膏可促进水化产物钙矾石的生成速度，促进体系早期强度发展，所述石膏可包括磷石膏、脱硫石膏或天然石膏中的一种或一种以上。无论采用哪种石膏，其所含β半水硫酸钙(β-CaSO₄·1/2H₂O)质量分数应不低于60.0％，进一步地，可不低于65％。石膏在20目筛通过率100％。石膏的初凝时间≥10min，例如15min；2h抗压强度≥6MPa，例如9±2MPa。

碳酸钠的粒度为100目通过率100％，碳酸钠的存在有助于增加固化淤泥的强度，当生石灰与淤泥中的水分反应，首先生成氢氧化钙，碳酸钠与溶液中的氢氧化钙反应，生产碳酸钙和氢氧化钠，碳酸钙的产生，淤泥的早期强度和固化体的密实性，同样，硅酸钠与氢氧化钙反应后，得到水化硅酸钙和氢氧化钠，同样增强了淤泥的固化强度，所产生的氢氧化钠以及激发剂本身所含有的氢氧化钠一起，持续对提钛渣和偏高岭土中的活性成分进行激发，所得水化产物硬化后将显著提高固化淤泥的强度及稳定性。

在本实施例中，所述丙烯酸盐的作用主要是增稠和吸水，因淤泥中含水率过高，聚丙烯酸盐可以在短期内使淤泥的稠度增大，使淤泥由流质半流质状态迅速变为可塑状态，为碱激发后提钛渣及偏高岭土的水化-硬化反应的进行提供了良好环境条件。丙烯酸盐可包括交联聚丙烯酸盐、丙烯酸钠等成品丙烯酸类高分子吸水树脂。

本发明的固化剂对不同状态(流态、半流态或塑态)淤泥的适用性强，通过调整固化剂的掺配比例，可使不同状态淤泥都能得到很好的固化，且固化后淤泥的强度高，固化效果显著，由于固化剂中使用了提钛渣这种钢铁工业固废原料，采用固体废物固化淤泥，与水泥类固化方法相比，不但可以节约大量的水泥，而且还可以消耗掉大量的提钛渣，具有良好的经济、环境和社会效益。

本发明另一方面也提供了一种淤泥的固化方法，该方法设计合理，能够利用工业废弃物进行淤泥固化，可充分激发这些材料潜在的活性，代替水泥固化。所述固化方法可采用上一个示例性实施例中的固化剂来固化淤泥。

在本发明的另一个示例性实施例中，所述固化方法可包括步骤：

将30～70质量份的淤泥与30～70质量份的淤泥固化剂混合，并搅拌均匀。其中，在得到的混合物中，淤泥的质量分数在30～70％，余量为淤泥固化剂，即淤泥固化剂的质量分数在30～70％。在3d后，强度达到0.5MPa，7d后，强度达到0.9MPa达到了固化效果。其中，当淤泥质量份低于30份时，固化剂用量高，可以显著提高淤泥固化后的强度，但不够经济，当淤泥质量份数超过70份时，固化剂用量偏低，影响淤泥固化效果，故固化剂经济合理的质量份数为30～70份为宜。

所述固化剂可由质量比为25～50：12～26：0～18：10～30：1～3：0.1～0.5的提钛渣、石灰、偏高岭土、钢渣微粉、激发剂和丙烯酸盐配置而成。

在本实施例中，所述淤泥孔隙比为1.6～2.0，例如1.8；淤泥含水率可为80～95％，例如87％。

综上所述，本发明的利用提钛渣的淤泥固化剂的优点可包括：

(1)与传统的添加水泥固化淤泥相比，本技术方案可以消耗大量的工业废渣，在不影响固化效果的前提下，采用石灰激发工业废渣可显著降低淤泥固化成本，并节约大量水泥。

(2)石灰激发工业废渣固化淤泥，在实现工业固废资源化的同时，可达到以废治废的目的。

(3)采用本发明固化剂固化后的淤泥无侧限抗压强度显著提高，经测定：固化淤泥7天无侧限抗压强度达到0.7MPa以上，28天无侧限抗压强度超过1.5MPa，90天无侧限抗压强度达到2.0～5.5MPa，且水稳定性好，可用作工程回填等，具有良好的经济效益和实际应用价值。

(4)本发明实现了淤泥和工业废渣的再利用，其固结速度快，固化效果好，经济环保，可明显改善淤泥物理力学特性，将强度低，呈流质状淤泥转化为可再生利用土工材料，固化效果和经济效果显著。

(5)因消耗掉大量工业废渣，尤其是提钛渣，由此可节约宝贵的土地资源，保护环境，减少污染，具有显著的社会效益。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims

1.一种利用提钛渣的淤泥固化剂，其特征在于，所述固化剂由以下原料配置而成：

25～50质量份的提钛渣、12～26质量份的石灰、0～18质量份的偏高岭土、10～30质量份的钢渣微粉、1～3质量份的激发剂和0.1～0.5质量份的丙烯酸盐；

所述提钛渣包括：含钛高炉渣经过高温碳化-低温选择性氯化工艺提钛后的渣；

所述石灰的干粉中CaO和MgO的质量分数之和不低于90％，MgO质量分数不超过5％，SO₃质量分数不超过2％；

所述激发剂包括石膏、硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠中的一种或多种，其中，石膏所含β半水硫酸钙的质量分数不低于60％；

所述偏高岭土的平均粒径在10μm以下；所述钢渣微粉的平均粒径为6μm～10μm。

2.根据权利要求1所述的利用提钛渣的淤泥固化剂，其特征在于，所述石灰、偏高岭土、钢渣微粉、激发剂和丙烯酸盐的比表面积不小于0.35m²/g。

3.根据权利要求1所述的利用提钛渣的淤泥固化剂，其特征在于，所述钢渣微粉由陈化6个月以上的钢渣制备得到。

4.一种固化淤泥的方法，其特征在于，所述方法包括：

将30～70质量份的淤泥与70～30质量份的淤泥固化剂混合，并搅拌均匀，以使淤泥固化，其中，

所述固化剂由质量比为25～50：12～26：0～18：10～30：1～3：0.1～0.5的提钛渣、石灰、偏高岭土、钢渣微粉、激发剂和丙烯酸盐配置而成；

5.根据权利要求4所述的固化淤泥的方法，其特征在于，所述淤泥孔隙比为1.6～2.0，含水率为80～95％。

6.根据权利要求4所述的固化淤泥的方法，其特征在于，固化后所述淤泥的7天无侧限抗压强度达到0.7MPa以上，28天无侧限抗压强度超过1.5MPa，90天无侧限抗压强度达到2.0～5.5MPa。