CN109734144B - 一种基于煤气化细渣的污水处理材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于煤气化细渣的污水处理材料及其制备方法，包括以下原料：煤气化细渣、超细水泥、膨润土、短切玻璃纤维和减水剂。其制备方法包括：对原料进行拌和，得混合料；对混合料进行螺旋挤压造粒，得初料；对初料进行养护，干燥，得污水处理材料。本发明采用煤气化后的废渣为主要原料，实现了对污水的高效处理，转废为宝、绿色生态，具有环保和经济效益；且相较于粉煤灰、煤矸石而言，煤气化细渣自身不含重金属离子，避免了对水体产生二次污染；结合超细水泥的水化凝结作用，可增强污水处理材料的水化凝结作用，增强其界面粘结性能，提高材料强度。
Description
技术领域
本发明涉及水污染防治工程研究领域，尤其涉及一种基于煤气化细渣的污水处理材料及其制备方法。
背景技术
我国是一个人口大国，但水资源严重短缺，使得人均水资源占有量处于世界较低水平。近年来，随着我国工业化、城镇化水平的不断提高以及现代农业的不断发展，工农业废水以及城镇生活污水的排放量持续上升，水体污染问题日益严重。大量的污水未经处理直接排入江河湖海，致使水质严重恶化，水体中化学需氧量、重金属、砷、氰化物、挥发酚等都呈上升趋势，对饮用水源、农业生产、食品安全带来极大的隐患，严重危害了人们的身体健康。
对污水进行净化处理是当前解决水体污染问题、提高水体质量的重要手段。目前，污水处理的方法主要包括物理法、化学法和生化法三大类，但由于水体中污染物的多样性、复杂性，往往需要多种方法相结合才能将污水处理到排放合格的标准。吸附法作为一种重要的物理-化学法在污水处理中有着广泛的应用，它是利用多孔性固体或吸附剂吸附污水中的污染物，从而使污水得到净化。常见的吸附材料主要有活性炭、沸石和火山石等，活性炭作为一种常规的吸附材料，来源丰富，具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，适用范围广，但由于高性能活性炭价格昂贵，需消耗大量的生物质和矿物资源，使活性炭的广泛应用受到限制。因此，高性能、强吸附、低成本的吸附材料的研发是目前污水处理中的热点问题。
煤气化技术是在温度为1400～1700℃、压强为3.1～4.1MPa的条件下，以煤炭中的碳组分与水蒸汽经复杂的化学反应，转化为易于净化的燃料(CO+H2)和化学品的过程，达到脱硫除汞的目的，并将煤中灰分以废渣形式排出，分为煤气化粗渣和煤气化细渣。在高温高压条件，煤炭矿物组分高温沸腾，矿物组分高度膨胀、分解，粗渣在反应釜底部排出，漂浮在反应釜顶部的细渣随合成气、水蒸汽气流夹带至激冷水中，受温差、热流的影响，细渣及矿物相再度膨胀，形成悬浮液黑水，经沉降压滤后得到细渣。在材料组成和矿物结构方面，细渣与电厂锅炉燃烧残留的粉煤灰、煤直接燃烧残留的煤渣具有本质区别。高温高压下所形成的煤气化细渣具有较大的比表面积和孔隙率，以及丰富的空间网状结构；此外，煤气化细渣颗粒的含碳量较大，大都以絮状多孔残碳的形式存在，且细渣的表面含有丰富的活性亲水基团，致使细渣的亲水性和对部分有机物的吸附性能十分优异。将煤气化细渣应用于污水吸附材料领域将是一项新兴的环保技术，不仅能降低污水处理成本，而且实现了废物利用，符合绿色、环保、生态发展战略。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于煤气化细渣的污水处理材料及其制备方法，采用工业废料煤气化细渣为主要原料，解决了水体的有机物质、重金属离子、色度等污染问题，所制备的污水处理材料吸附性能卓越且可重复使用；制备方法简单，质量可控，易于工业化生产。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
(一)一种基于煤气化细渣的污水处理材料，包括煤气化细渣和超细水泥。
优选的，还包括膨润土。
优选的，还包括短切玻璃纤维和减水剂。
优选的，所述原料的重量份为：煤气化细渣75～85份、超细水泥15～25份、膨润土1～5份、短切玻璃纤维0.1～0.2份、减水剂0.1～0.25份。
优选的，所述煤气化细渣是絮状疏松多孔的立体结构。
优选的，所述煤气化细渣的密度为1.782g/cm3，比表面积约为240～260m2/kg。
优选的，所述超细水泥为硅酸盐水泥，强度等级不小于52.5，比表面积不小于600m2/kg。
优选的，所述膨润土粒度小于0.075mm，所述膨润土中蒙脱石的含量为95～98wt％。
优选的，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
(二)一种基于煤气化细渣的污水处理材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对煤气化细渣和超细水泥进行拌和，得混合料；对混合料进行螺旋挤压造粒，得初料；
步骤2，对初料进行养护，干燥，得污水处理材料。
优选的，步骤1中，所述拌和的时间为3～10min，拌和的转速为30-50r/min。
优选的，步骤2中，所述养护的温度为20℃，养护的相对湿度为96％，养护的时间28天。
优选的，步骤2中，所述干燥的温度为100～110℃，干燥的时间为3～4h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用煤气化后的废渣为主要原料，实现了对污水的高效处理，转废为宝、绿色生态，具有显著的环保经济效益；且相较于粉煤灰、煤矸石而言，煤气化细渣自身不含重金属离子(Cu2+、Pb2+)，避免了对水体产生二次污染。
(2)本发明的煤气化细渣在气化过程中，残碳与硅、铝、铁、钙矿物相高度膨胀，形成疏松、多孔的矿物组织，具有较大的比表面积；在残碳、硅、铝、铁、钙矿物相的表面接枝了大量的活性羟基，致使煤气化细渣的亲水性提高，同时，对部分有机物的吸附性能也大幅提升。
(3)本发明的煤气化细渣中含有大量的火山灰活性矿物相，可参与超细水泥的水化胶凝反应，增强污水处理材料的水化胶结作用，改善其界面粘结性能，提高材料强度。
(4)本发明的污水处理材料可经过反复冲洗、高温加热蒸发后，实现再生，能够多次重复使用，且再生后仍能保持良好的组织结构，使用寿命长。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种基于煤气化细渣的污水处理材料及其制备方法进行详细描述。
实施例1
一种基于煤气化细渣的污水处理材料，按以下步骤制得：
步骤1，称取煤气化细渣80g和超细硅酸盐水泥20g，将称取的上述原料加入拌和锅，以30r/min的转速，机械搅拌5min，得混合料；将混合料加入造粒机中，进行螺旋挤压造粒，得初料；
步骤2，将初料放入温度为20℃，相对湿度为96％的标准养护室，养护时间28天，干燥的温度为100℃，干燥时间为3h，即得污水处理材料。
实施例2
一种基于煤气化细渣的污水处理材料，按以下步骤制得：
步骤1，称取煤气化细渣80g、超细硅酸盐水泥20g和膨润土2g，将称取的上述原料加入拌和锅，以32r/min的转速，机械搅拌8min，得混合料；将混合料加入造粒机中，进行螺旋挤压造粒，得初料；
步骤2，将初料放入温度为20℃，相对湿度为96％的标准养护室，养护时间28天，干燥的温度为100℃，干燥时间为4h，即得污水处理材料。
实施例3
一种基于煤气化细渣的污水处理材料，按以下步骤制得：
步骤1，称取煤气化细渣85g、超细硅酸盐水泥15g、膨润土2g、短切玻璃纤维0.15g和聚羧酸系高效减水剂0.15g，将称取的上述原料加入拌和锅，以35r/min的转速，机械搅拌10min，得混合料；将混合料加入造粒机中，进行螺旋挤压造粒，得初料；
步骤2，将初料放入温度为20℃，相对湿度为96％的标准养护室，养护时间28天，干燥的温度为105℃，干燥时间为3.5h，即得污水处理材料。
实施例4
一种基于煤气化细渣的污水处理材料，按以下步骤制得：
步骤1，称取煤气化细渣75g、超细硅酸盐水泥20g、膨润土5g、短切玻璃纤维0.2g和聚羧酸系高效减水剂0.2g，将称取的上述原料加入拌和锅，以48r/min的转速，机械搅拌10min，得混合料；将混合料加入造粒机中，进行螺旋挤压造粒，得初料；
步骤2，将初料放入温度为20℃，相对湿度为96％的标准养护室，养护时间28天，干燥的温度为110℃，干燥时间为3h，即得污水处理材料。
实施例5
一种基于煤气化细渣的污水处理材料，按以下步骤制得：
步骤1，称取煤气化细渣85g、超细硅酸盐水泥20g、膨润土5g、短切玻璃纤维0.15g和聚羧酸系高效减水剂0.2g，将称取的上述原料加入拌和锅，以40r/min的转速，机械搅拌9min，得混合料；将混合料加入造粒机中，进行螺旋挤压造粒，得初料；
步骤2，将初料放入温度为20℃，相对湿度为96％的标准养护室，养护时间28天，干燥的温度为108℃，干燥时间为3h，即得污水处理材料。
实施例6
一种基于煤气化细渣的污水处理材料，按以下步骤制得：
步骤1，称取煤气化细渣75g、超细硅酸盐水泥25g、膨润土2g、短切玻璃纤维0.10g和聚羧酸系高效减水剂0.25g，将称取的上述原料加入拌和锅，以45r/min的转速，机械搅拌10min，得混合料；将混合料加入造粒机中，进行螺旋挤压造粒，得初料；
步骤2，将初料放入温度为20℃，相对湿度为96％的标准养护室，养护时间28天，干燥的温度为110℃，干燥时间为3h，即得污水处理材料。
本发明以上各实施例制备的基于煤气化细渣的污水处理材料为黑色柱状固体颗粒，直径3～5mm，长径比1～2，密度2.10～2.30g/cm3。
本发明以上各实施例中使用的煤气化细渣具有絮状疏松多孔的立体结构，密度为1.782g/cm3，比表面积约为240～260m2/kg，化学元素组成为：C、Si、O、Ca、Al、Fe、Mg、Ti；超细水泥为硅酸盐水泥，强度等级不小于52.5，比表面积不小于600m2/kg，最大粒径不大于10μm；膨润土的粒度0.07～0.075mm，膨润土中蒙脱石含量为95％～98wt％；短切玻璃纤维主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等，长度约为3mm，当量直径为10μm，密度为2.70g/cm3，弹性模量为80Gpa，拉伸强度为2800MPa。
对以上实施例制得的污水处理材料分别进行碘吸附值测试、亚甲基蓝吸附值测试和强度测试，参照《木质净水用活性炭》(GB/T 13803.2—1999)吸附性能测试的有关规定；具体的测试方法参照以下试验规范：
参照《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定》(GB/T 12496.8-2015)进行碘吸附值的测定；参照《木质活性炭试验方法亚甲基蓝吸附值的测定》(GB/T 12496.10-1999)进行亚甲基蓝吸附值的测定；参照《木质活性炭试验方法强度的测定》(GB/T 12496.6-1999)的试验规范进行强度测试。
具体测试结果如表1所示：
表1基于煤气化细渣的污水处理材料的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和强度
| 实施例 | 碘吸附值mg/g | 亚甲基蓝吸附值mg/g | 强度/％ |
| 实施例1 | 1008 | 137 | 96.3 |
| 实施例2 | 1013 | 139 | 96.6 |
| 实施例3 | 1037 | 151 | 97.9 |
| 实施例4 | 1014 | 143 | 98.8 |
| 实施例5 | 1042 | 156 | 98.6 |
| 实施例6 | 1005 | 136 | 98.2 |
| 规范要求* | ≥1000 | ≥135 | ≥94.0 |
*《木质净水用活性炭》(GB/T 13803.2—1999)
从表1中数据可以看出，本发明的以上实施例所得的基于煤气化细渣的污水处理材料的碘吸附性能、亚甲基蓝吸附性能和强度，均达到了木质净水用活性炭一等品的规范要求。从实施例1可以看出，只采用煤气化细渣和超细水泥为原料制备的污水处理材料的吸附性能已经达到了木质净水用活性炭一等品的规范要求；比较实施例1-2和实施例3-6可以看出，在煤气化细渣和超细水泥为主材的基础上，膨润土、短切玻璃纤维和减水剂的加入，能够提升材料的吸附性能和强度。从实施例1-6可以看出，随着煤气化细渣含量的增加，材料的碘吸附值以及亚甲基蓝吸附值均有增大趋势。比较实施例6与实施例3和5可以看出，本发明所采用的各原料之间存在相互协同作用，且各原料的用量对材料的吸附性能有较大影响。
综上所述，本发明是利用煤气化细渣作为主材，对污水进行处理，其主要作用原理为：一方面，在高温高压下，煤炭在反应釜中发生剧烈的气化反应，产生大量的合成气体(CO+H2)与水蒸气，使得煤炭中矿物组分高度膨胀，细渣随合成气、水蒸气气流冲入水中急冷，由于温差与气流的作用，细渣的矿物相组织再次发生膨胀，形成多孔疏松的结构，具有超大的比表面积。化学分析表明，细渣主要成分为未完全气化的残碳和富含硅、氧、铝、铁、钙等元素组成的矿物相，相较于粉煤灰、煤矸石而言，煤气化细渣无重金属离子(Cu2+、Pb2+)，不会对水体产生二次污染。另一方面，受高温、高压水蒸汽的影响，在原子热振动、电子热激发的双重作用下，在残碳、硅、铝、铁、钙矿物相的表面接枝了大量的活性羟基，并形成复杂的硅、铝、铁、钙水化络合物，致使细渣的亲水性和对部分有机物的吸附性能大幅提升。将煤气化细渣应用于制备污水处理材料，能够有效利用细渣材料的组成及结构特性，充分发挥细渣对有机物质的吸附性能。
采用超细水泥为胶凝材料，依托水泥自身的水化凝结作用将煤气化细渣由粉状粘结成团。由于煤气化细渣残留的SiO2、CaO、Fe2O3和Al2O3等矿物相，以非晶态玻璃体为主，具有很强的火山灰活性，在水泥发生水化硬化过程中，生成C-S-H凝胶、氢氧化钙(CH)等水化产物时，煤气化细渣中的火山灰活性组分能够参与到水化硬化的反应中，进一步增加水化胶凝产物的含量，两者配合使用能够得到良好的界面粘结性能，提高材料的强度。
本发明使用的膨润土中蒙脱石是三层片状结构，中间为铝氧八面体，上下为硅氧四面体，有很强的离子交换能力，能有效吸附水中的重金属离子，同时蒙脱石还对水中的有机物也有一定的吸附作用；此外，蒙脱石层间含有大量无机离子，表现出极佳的亲水性能，适量的掺入膨润土，能够有效的提高基于煤气化细渣的污水处理材料的亲水性能，进而提高对水体中污染物的吸附效率。短切玻璃纤维的耐高温、增强等特性，能够有效提高材料的耐高温性能和强度，充分保证材料再生后仍具有良好的组织结构。
本发明中使用的试剂均为市售，本发明中使用的方法，若无特殊说明，均为常规方法。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种基于煤气化细渣的污水处理材料，其特征在于，包括以下原料：煤气化细渣、超细水泥、膨润土、短切玻璃纤维和减水剂；
所述原料的重量份为：煤气化细渣75～85份、超细水泥15～25份、膨润土1～5份、短切玻璃纤维0.1～0.2份、减水剂0.1～0.25份；
所述煤气化细渣是絮状疏松多孔的立体结构；所述煤气化细渣的密度为1.782g/cm3，比表面积为240～260m2/kg；
所述超细水泥为硅酸盐水泥，强度等级不小于52.5，比表面积不小于330m2/kg；
所述膨润土的粒度小于0.075mm，所述膨润土中蒙脱石的含量为95～98wt％，所述膨润土中蒙脱石是三层片状结构，中间为铝氧八面体，上下为硅氧四面体；
所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
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