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一种核壳轻集料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种核壳轻集料及其制备方法，该核壳轻集料包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1～2∶1；按质量百分数计，内核包括以下组分：污泥：65％～85％，过磷酸钙：6％～12％，硫酸钾：5％～10％，硝酸锰：3％～8％，磷酸铵：5％～11％，氯化钠：4％～10％；按质量百分数计，外壳包括以下组分：污染土壤：75％～85％，污泥：10％～15％，玻璃粉：5％～10％。本发明的核壳轻集料采用污泥为主要原料并加入无机盐类和含氮磷类的植物营养素制备内核，然后，采用污染土壤为主要原料并加入烧结助剂玻璃粉制备外壳，通过高温烧结的方法将外壳包覆在内核上，一方面，提高了污泥和污染土壤等固废资源化利用率，另一方面，开发了一种适用于植物水培用的轻集料，具有十分重要的经济、环保、科研意义。

Description

一种核壳轻集料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种核壳轻集料及其制备方法。
背景技术
目前，水培植物市场前景广阔，专用产品选择较少。轻集料在很多领域具有广泛应用，由于其具有一定孔隙率和透过性，其在自然水体的修复方面有所应用，但在植物水培方面的应用较少，其在植物水培方面的应用主要集中在保水保湿方面。而且，随着矿产资源开发、土壤化学污染等产生的大量固废，带来了严重的环境和社会问题。
因此，开发一种适用于植物水培，且能够利用污泥、污染土壤等固废的轻集料具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种核壳轻集料，以解决现有植物水培用轻集料匮乏，固废资源化利用率低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种核壳轻集料，包括内核和外壳；所述内核和外壳的质量比为1∶1～2∶1；
按质量百分数计，所述内核包括以下组分：污泥：65％～85％，过磷酸钙：6％～12％，硫酸钾：5％～10％，硝酸锰：3％～8％，磷酸铵：5％～11％，氯化钠：4％～10％；
按质量百分数计，所述外壳包括以下组分：污染土壤：75％～85％，污泥：10％～15％，玻璃粉：5％～10％。
可选地，所述污泥的含水率为30％～40％；所述污泥烘干后的有机质含量为60％～70％。
可选地，所述污染土壤的细度为0.074～0.080mm；按质量百分数计，所述污染土壤中氧化硅含量为60％～70％，氧化铝含量为10％～20％，氧化钙和氧化镁的总含量为1～10％。
可选地，所述玻璃粉的平均粒径为小于2.5μm。
可选地，所述过磷酸钙、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述磷酸铵、所述氯化钠的纯度大于90％。
本发明的第二目的在于提供一种制备上述核壳轻集料的方法，该制备方法包括以下步骤：
1)将所述污泥与所述磷酸钙、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述磷酸铵、所述氯化钠混合，然后，造粒，得到内核坯体；
2)将所述污染土壤、所述污泥、所述玻璃粉混合，得到外壳粉料；
3)将所述外壳粉料包覆在所述内核坯体表面并烘干，然后，在还原性气氛中烧结，制得核壳轻集料。
可选地，所述步骤1)中所述造粒包括：将混合后的所述污泥、所述磷酸钙、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述磷酸铵、所述氯化钠在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下造粒成球。
可选地，所述步骤3)中所述烧结的烧结工艺为：在400～600℃的条件下预烧10～30min，然后，在900～1000℃条件下烧结10～30min。
可选地，所述步骤3)中将所述外壳粉料包覆在所述内核坯体表面包括：将所述外壳粉料在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下包覆在所述内核坯体表面。
相对于现有技术，本发明所述的核壳轻集料具有以下优势：
1、本发明的核壳轻集料采用污泥为主要原料并加入无机盐类和含氮磷类的植物营养素制备内核，然后，采用污染土壤为主要原料并加入烧结助剂玻璃粉制备外壳，通过高温烧结的方法将外壳包覆在内核上，形成内外不同物质、不同含水量的核壳结构，一方面，提高了污泥和污染土壤等固废资源化利用率，另一方面，开发了一种适用于植物水培用的轻集料，具有十分重要的经济、环保、科研意义。
2、本发明采用在还原气氛中高温烧结的方法制备核壳轻集料，高温烧结过程中，一方面，可将污染土壤中的有害成分重金属离子等充分固化在材料内部，避免其对水培植物的生产造成不利影响，另一方面，可较大程度地保留内核中的无机盐类和含氮磷类的植物营养素，避免高温烧结，造成营养素的损失，且本发明将污泥集中在内核，将污染土壤集中在外壳，通过高温烧结形成核壳结构，可很大程度上降低污泥气味。
3、本发明采用在高温烧结的方法制备核壳轻集料，在高温烧结过程中，一方面，污泥中的有机质分解会产生丰富的孔隙结构，使得内核和外界水形成一定浓度差，从而形成持续的扩散效应，而外壳作为具有一定密封效果的过渡截面，能较好的控制扩散的速度，两者共同作用，使得本发明的核壳轻集料在用于植物水培时其中的营养元素可稳定持久的扩散到水中，以供植物生长，进而有利于延长其使用寿命，另一方面，污泥中的有机质在高温下脱水成碳，可使本发明的核壳轻集料较强的吸附能力，进而使其具有良好的自我净化功能。
4、本发明核壳轻集料的制备工艺简单，原料成本低，易用于实际生产和快速推广。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
以下实施例中，污染土壤来自冶金厂搬迁后原厂所在地的地表土壤，其主要用于形成具有一定强度的外壳，并延缓内核所含物质向外扩散的速度，其细度为0.074～0.080mm，且按质量百分数计，污染土壤种氧化硅含量为64％，氧化铝含量为14％，氧化钙含量为2％、氧化镁含量为1％；污泥为来自自来水厂的污泥经过脱水得到，其可在内核形成过程中提供骨架支撑作用，并提供良好的孔隙结构，以控制内部营养成分的释放，其含水率为40％，其烘干后的有机质含量为65％，自来水厂的污泥未脱水前的含水率为80～95％；玻璃粉为磨细得到的硅酸盐类白色粉末，其平均粒径为小于2.5μm，其可提高用于形成外壳的材料在高温烧结时的粘度，防止由内核和外壳形成核壳结构时发生破裂或变形；过磷酸钙、硫酸钾、硝酸锰、磷酸铵、氯化钠的纯度大于90％，其可为水培植物提供所需的各类营养物质以及提供对水培植物常见病症有治愈作用的物质。
实施例1
一种核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1；
按质量百分数计，内核包括以下组分：污泥：65％，过磷酸钙：8％，硫酸钾：6％，硝酸锰：7％，磷酸铵：5％，氯化钠：9％；
按质量百分数计，外壳包括以下组分：污染土壤：75％，污泥：15％，玻璃粉：10％。
制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
1)按照上述原料比例，将污泥与磷酸钙、硫酸钾、硝酸锰、磷酸铵、氯化钠搅拌，以混合均匀，然后，通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体；
2)按照上述原料比例，将污染土壤、污泥、玻璃粉混合均匀，得到外壳粉料；
3)采用成球机在转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面并烘干，然后，先在400℃的条件下预烧20min，再在900℃还原性气氛中烧结10min，制得核壳轻集料。
对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为7.84MPa，吸水率为15.37％。
实施例2
一种核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1；
按质量百分数计，内核包括以下组分：污泥：73％，过磷酸钙：8％，硫酸钾：5％，硝酸锰：4％，磷酸铵：6％，氯化钠：4％；
按质量百分数计，外壳包括以下组分：污染土壤：75％，污泥：15％，玻璃粉：10％。
制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
1)按照上述原料比例，将污泥与磷酸钙、硫酸钾、硝酸锰、磷酸铵、氯化钠搅拌，以混合均匀，然后，通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体；
2)按照上述原料比例，将污染土壤、污泥、玻璃粉混合均匀，得到外壳粉料；
3)采用成球机在转速为30r/min，圆盘旋转倾角为60°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面并烘干，然后，先在400℃的条件下预烧20min，再在900℃还原性气氛中烧结30min，制得核壳轻集料。
对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为8.18MPa，吸水率为13.28％。
实施例3
一种核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1；
按质量百分数计，内核包括以下组分：污泥：65％，过磷酸钙：8％，硫酸钾：6％，硝酸锰：7％，磷酸铵：5％，氯化钠：9％；
按质量百分数计，外壳包括以下组分：污染土壤：75％，污泥：15％，玻璃粉：10％。
制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
1)按照上述原料比例，将污泥与磷酸钙、硫酸钾、硝酸锰、磷酸铵、氯化钠搅拌，以混合均匀，然后，通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体；
2)按照上述原料比例，将污染土壤、污泥、玻璃粉混合均匀，得到外壳粉料；
3)采用成球机在转速为30r/min，圆盘旋转倾角为55°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面并烘干，然后，先在400℃的条件下预烧20min，再在1000℃还原性气氛中烧结10min，制得核壳轻集料。
对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为12.14MPa，吸水率为8.35％。
实施例4
一种核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1；
按质量百分数计，内核包括以下组分：污泥：73％，过磷酸钙：8％，硫酸钾：5％，硝酸锰：4％，磷酸铵：6％，氯化钠：4％；
按质量百分数计，外壳包括以下组分：污染土壤：75％，污泥：15％，玻璃粉：10％。
制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
1)按照上述原料比例，将污泥与磷酸钙、硫酸钾、硝酸锰、磷酸铵、氯化钠搅拌，以混合均匀，然后，通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体；
2)按照上述原料比例，将污染土壤、污泥、玻璃粉混合均匀，得到外壳粉料；
3)采用成球机在转速为30r/min，圆盘旋转倾角为60°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面并烘干，然后，先在400℃的条件下预烧20min，再在950℃还原性气氛中烧结10min，制得核壳轻集料。
对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为8.67MPa，吸水率为11.58％。
实施例5
一种核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1；
按质量百分数计，内核包括以下组分：污泥：73％，过磷酸钙：8％，硫酸钾：5％，硝酸锰：4％，磷酸铵：6％，氯化钠：4％；
按质量百分数计，外壳包括以下组分：污染土壤：75％，污泥：15％，玻璃粉：10％。
制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
1)按照上述原料比例，将污泥与磷酸钙、硫酸钾、硝酸锰、磷酸铵、氯化钠搅拌，以混合均匀，然后，通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体；
2)按照上述原料比例，将污染土壤、污泥、玻璃粉混合均匀，得到外壳粉料；
3)采用成球机在转速为30r/min，圆盘旋转倾角为60°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面并烘干，然后，先在400℃的条件下预烧20min，再在950℃还原性气氛中烧结20min，制得核壳轻集料。
对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为13.78MPa，吸水率为7.52％。
实施例6
一种核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1；
按质量百分数计，内核包括以下组分：污泥：73％，过磷酸钙：8％，硫酸钾：5％，硝酸锰：4％，磷酸铵：6％，氯化钠：4％；
按质量百分数计，外壳包括以下组分：污染土壤：75％，污泥：15％，玻璃粉：10％。
制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
1)按照上述原料比例，将污泥与磷酸钙、硫酸钾、硝酸锰、磷酸铵、氯化钠搅拌，以混合均匀，然后，通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体；
2)按照上述原料比例，将污染土壤、污泥、玻璃粉混合均匀，得到外壳粉料；
3)采用成球机在转速为30r/min，圆盘旋转倾角为60°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面并烘干，然后，先在400℃的条件下预烧20min，再在1000℃还原性气氛中烧结20min，制得核壳轻集料。
对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为15.11MPa，吸水率为6.63％。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核壳轻集料，其特征在于，包括内核和外壳；所述内核和外壳的质量比为1∶1～2∶1；
按质量百分数计，所述内核包括以下组分：污泥：65％～85％，过磷酸钙：6％～12％，硫酸钾：5％～10％，硝酸锰：3％～8％，磷酸铵：5％～11％，氯化钠：4％～10％；
按质量百分数计，所述外壳包括以下组分：污染土壤：75％～85％，污泥：10％～15％，玻璃粉：5％～10％。
2.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述污泥的含水率为30％～40％；所述污泥烘干后的有机质含量为60％～70％。
3.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述污染土壤的细度为0.074～0.080mm；按质量百分数计，所述污染土壤中氧化硅含量为60％～70％，氧化铝含量为10％～20％，氧化钙和氧化镁的总含量为1～10％。
4.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述玻璃粉的平均粒径为小于2.5μm。
5.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述过磷酸钙、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述磷酸铵、所述氯化钠的纯度大于90％。
6.制备权利要求1至5任一项所述的核壳轻集料，其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述污泥与所述磷酸钙、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述磷酸铵、所述氯化钠混合，然后，造粒，得到内核坯体；
2)将所述污染土壤、所述污泥、所述玻璃粉混合，得到外壳粉料；
3)将所述外壳粉料包覆在所述内核坯体表面并烘干，然后，在还原性气氛中烧结，制得核壳轻集料。
7.根据权利要求6所述的核壳轻集料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所述造粒包括：将混合后的所述污泥、所述磷酸钙、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述磷酸铵、所述氯化钠在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下造粒成球。
8.根据权利要求6所述的核壳轻集料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中所述烧结的烧结工艺为：在400～600℃的条件下预烧10～30min，然后，在900～1000℃条件下烧结10～30min。
9.根据权利要求6所述的核壳轻集料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中将所述外壳粉料包覆在所述内核坯体表面包括：将所述外壳粉料在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下包覆在所述内核坯体表面。
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