CN110078423A - 一种吸附性透水砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸附性透水砖及其制备方法，属于环保透水材料技术领域。本发明包括电解锰渣、废陶瓷、高岭土和沸石，其质量比为(1～2)：(2～4)：(1～3)：1。本发明以废陶瓷和电解锰渣作为骨料成分，再添加高岭土作为黏结成分，将骨料充分黏结，同时加入沸石作为添加剂，制得的透水砖透水系数≥1cm/s、抗压强度大于40MPa，对地表径流中溶解态的重金属和磷元素吸附容量大、吸附效果好。

Description

一种吸附性透水砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及环保透水材料技术领域，具体涉及一种吸附性透水砖及其制备方法。

背景技术

目前，城市地表大规模的铺设水泥、地面砖等不透水硬化路面，在带来交通便利的同时，阻断了地表径流入渗地下。含铅汽油的燃烧、燃煤的燃烧产生大量的Hg、Pb等重金属粒子排放到空气中，并沉降在道路表面，随着雨水冲刷地表而被携带进入地表水、地下水或饮用水源，造成自然水体的严重污染。同时，洗涤剂、有机磷农药、磷肥等含磷化合物的不当使用，导致水体富营养化严重。

现有污水中重金属的去除方法有沉淀法、膜法和吸附法；含磷废水的治理方法有生化法。由于地表径流分布具有分散、量大的特点，因此采用前述方法治理难度大。同时，现有的透水砖对重金属和氮磷化合物的不具有吸附效果或者吸附效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸附性透水砖及其制备方法，以解决地表径流的重金属污水和含磷污水的治理难度大问题同时弥补现有透水砖对重金属以及氮磷元素吸附的空缺。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种吸附性透水砖，包括：电解锰渣、废陶瓷、高岭土和沸石，其质量比为(1～2)：(2～4)：(1～3)：1。

本发明以废陶瓷和电解锰渣作为骨料成分，以确保透水砖具有足够的抗压抗折性能，再添加高岭土作为黏结成分，将骨料充分黏结，同时加入沸石作为添加剂，其具有催化性、吸附性、离子交换性和稳定性，发挥吸附过滤重金属离子和磷元素的作用。

电解锰渣主要含有SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、SO₃、TiO₂、CaO、MnO₂等物质。其中三氧化硫含量占13.3％，由此推算CaSO₄·2H₂O含量为30.59％，属于CaSO₄·2H₂O含量较高的工业废料，废弃的电解锰渣占用大片土地，严重危害环境，且资源没有得到有效利用。本发明以电解锰渣作为骨料，利用锰渣中含有大量的CaSO₄、二氧化硅等有效成分，实现资源的回收利用。另外，由于电解锰渣颗粒小在100μm以下，无需再次破碎即可直接用于透水砖的制备，并且能够与废陶瓷在上述配比条件下紧密结合，制得的透水砖结构致密，满足透水砖的力学强度要求。

同时，本发明通过控制每种原料的配比以获得透水性好、力学性能好以及吸附性能好的透水砖，施以相应的温度及压力条件可使透水砖烧结熔融状态较好，坯体烧结致密，气孔率较低，各种力学性能指标较高。本发明将电解锰渣的含量限定在上述配比范围内，既可以保证砖体致密性，又能够减少因掺量过高所导致的气孔增多，烧成损失率上升，比重下降，进而降低力学强度。废陶瓷作为本发明透水砖的主要骨料，通过对其掺量的控制，既保证良好的力学强度，又能避免因比重过高而降低砖体的吸附性能。通过控制高岭土掺量，以避免其含量过高而导致骨料比例降低，砖体力学性能下降，以及含量过低而导致骨料和添加剂之间的粘接作用不强。通过控制沸石掺量，使之能够在不影响砖体力学性能的前提下获得较佳的吸附作用。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，电解锰渣、废陶瓷、高岭土和沸石的质量比为(1.2～1.8)：(2.5～3.5)：(1.5～2.5)：1。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述电解锰渣的粒径为50μm～100μm。

本发明通过废陶瓷渣和电解锰渣的协同作用，以大颗粒的废陶瓷渣提供骨料作用，粒径为50μm～100μm的小颗粒电解锰渣填补空隙，从而形成较为致密的结构，满足抗折抗压等力学性能要求，又可以允许水分子通过。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述废陶瓷的粒径为300μm～500μm。

在同样的工艺条件下，随着废瓷颗粒粒径的增大，试样透水系数也随之增大，而抗压强度则随之减小。这是由于当废瓷颗粒粒径较小时，骨料的堆积较为密集，其靠堆积而形成的气孔孔径较小，气孔率也较小，因此透水系数也相应较低。同时骨料颗粒之间的接触较多，经高温烧结之后颗粒之间的黏结性较好，因此抗压强度也相应较高。因此选用该尺寸下的陶瓷颗粒较为合适，若废瓷颗粒粒径较大，骨料的堆积结构也变得较为松散，形成的气孔较多，孔径较大，经烧结之后颗粒的黏结性较差，会导致透水系数增大，抗压强度减小。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述沸石按照以下方式进行处理：

将沸石按照(90-110)g:1L的料液比于无机酸水溶液中浸泡20h-30h，然后用去离子水清洗至中性；

其中，所述无机酸水溶液是浓度为0.5mol/L-2mol/L的硝酸溶液，浓度为0.5mol/L-2mol/L的盐酸溶液或浓度为0.25-1mol/L的硫酸溶液。

由于天然沸石中存在空旷构架，沸石内部存在许多孔穴，并且在其中分布有大量杂质，例如水分子和阳离子。对天然沸石的吸附能力产生一定的影响。本发明通过将沸石于无机酸溶液中进行浸泡处理，使得硅铝比发生改变，并且明显增大了其孔隙率，提升了表明活性，从而明显提升沸石的吸附性能以及离子交换性能，进而进一步提升天然沸石吸附水体污染物质的能力。酸改性是沸石浸在无机酸中，从而无机酸溶解了沸石孔道中的杂质，并且孔穴被打通。同时，沸石晶体结构原有的杂质离子比H⁺的半径大，杂质离子被H⁺置换出，有效地增大了沸石比表面积，提高去除污染物离子的能力。并且采用上述料液比和浓度范围的无机酸溶液能够在保证充分溶解杂质的前提下，保证沸石原有的结构不被破坏，避免过分酸腐蚀给沸石原有结构产生不利影响，降低砖体强度。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述沸石的粒径为1mm～2mm。

上述吸附性透水砖的制备方法，包括：将电解锰渣、粉碎研磨后的废陶瓷、高岭土以及处理后的沸石按照上述配比混合，向得到的混合料中加入占混合料重量8％-12％的水搅拌均匀再陈化，然后在低于15MPa的压力下保持45min-70min压制成型，将成型后的坯体在650℃-800℃下焙烧4h-8h，制得透水砖。

本发明基于本发明透水砖的原料配方，设计出一套相适应的制备工艺，通过的参数条件的优化，获得最佳力学性能、透水性能和吸附性能的透水砖。本发明在成型阶段通过设定成型压力使得在砖坯压制成型过程中，原材料颗粒间相互接触紧密，原材料颗粒之间的物理作用及化学作用得以进展得迅速、高效，为初步成型后的物理和化学作用的发挥及初期强度的形成提供了条件，奠定了基础，避免直接入窑烧制后难以成型、烧成品呈松散不规则状态的缺陷。

在配料比等其它工艺条件相同的情况下，抗折抗压强度的大小随着成型压力的增大而增大。若免烧砖试件的成型压力越大，则免烧砖试件的颗粒物则被压缩得更密实，试件颗粒物之间的孔隙则更小。随着成型压力的增大，试件中在骨料颗粒之间形成的胶凝材料的水化物的形成更加高效，颗粒间结合得更加紧密，最终形成的试件抗折抗压强度更高；但是过高的压力会使得将导致透水砖的透水性能下降，另外，动力消耗大，生产效率相对低，生产设备复杂和成本居高不下。因此，综合个方面考虑，本发明将成型压力控制在低于15MPa的范围内。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述沸石的处理方法为：

将沸石按照(90-110)g:1L的料液比于无机酸水溶液中浸泡20h-30h，然后用去离子水清洗至中性；

其中，所述无机酸水溶液是浓度为0.5mol/L-2mol/L的硝酸溶液，浓度为0.5mol/L-2mol/L的盐酸溶液或浓度为0.25-1mol/L的硫酸溶液。

本发明具有以下有益效果：

本发明的透水砖透水系数≥1cm/s、抗压强度大于40MPa，对地表径流中溶解态的重金属和磷元素吸附容量大、吸附效果好，尤其适合铺设在水源地周边，对排入水源的地表径流实现渗滤和净化。本发明的透水砖可净化重金属污水和含磷废水，补充地下水或实现雨水的再利用，具有良好的环境和社会效益。本发明制备的透水砖，对地表径流中汞、铅、铜离子和磷元素的去除率可达到90％以上，吸附净化效果较好。而且本发明的对透水对油污、悬浮物和有机氯农药也具有良好的吸附作用，吸附能力强。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下述实施例所制备的透水砖，分别测试其对重金属汞、铅、铜离子和磷元素吸附去除率。测试方法为渗滤过水，测定过水前后模拟污水的污染物浓度，计算净化效率。吸附性能测试采用模拟渗滤方式进行，滤速1cm/s。模拟废水中，汞、铅和铜离子浓度均为0.1mg/L，含磷酸氢二钾浓度为50mg/L(以P元素计)。

下列实施例制得的透水砖尺寸均为长100mm，宽60mm，高15mm。

实施例1

本实施例的透水砖的原料组分包含废陶瓷、电解锰渣、沸石和高岭土，其质量比为1：2：1：1，其制备方法如下所述：

(1)将沸石于0.5mol/L的硝酸水溶液中浸泡30h，然后用去离子水清洗至中性；将处理后的沸石、粉碎研磨后的废陶瓷颗粒、干燥后的电解锰废渣以及高岭土混合均匀。电解锰渣的粒径为100μm，废陶瓷的粒径为500μm。

(2)向混合料中加入混合料总重量10％的水，搅拌均匀后在自然通风条件下陈化稳定，用钢质模具一次加压成型，最大压力15Mpa下保持1小时，脱模，自然风干。

(3)成型后的透水砖在温度为650℃下焙烧4小时，冷却至常温，养护7天得到透水砖成品。

本实施例的吸附效率见表1。

表1

模拟污染物	进水浓度	出水浓度	吸附效率
				汞	0.1mg/L	0.01mg/L	90％
铅	0.1mg/L	0.008mg/L	92％
				铜	0.1mg/L	0.009mg/L	91％
P元素	50mg/L	2.5mg/L	95％

根据国家检测标准测试其抗压强度为48MPa，透水系数为1.3cm/s。

实施例2

本实施例的透水砖的原料组分包含废陶瓷、电解锰渣、沸石和高岭土，其质量比为2：2：2：1，其制备方法如下所述：

(1)将沸石于2mol/L的硝酸水溶液中浸泡20h，然后用去离子水清洗至中性；将处理后的沸石、粉碎研磨后的废陶瓷颗粒、干燥后的电解锰废渣以及高岭土混合均匀。电解锰渣的粒径为80μm，废陶瓷的粒径为450μm。

(2)向混合料中加入混合料总重量8％的水，搅拌均匀后在自然通风条件下陈化稳定，用钢质模具一次加压成型，最大压力14Mpa下保持65min，脱模，自然风干。

(3)成型后的透水砖在温度为800℃下焙烧4小时，冷却至常温，养护6天得到透水砖成品。

本实施例的吸附效率见表2。

表2

模拟污染物	进水浓度	出水浓度	吸附效率
				汞	0.1mg/L	0.008mg/L	92％
铅	0.1mg/L	0.009mg/L	91％
				铜	0.1mg/L	0.007mg/L	93％
P元素	50mg/L	3.0mg/L	94％

根据国家检测标准测试其抗压强度为50MPa，透水系数为1.28cm/s。

实施例3

本实施例的透水砖的原料组分包含废陶瓷、电解锰渣、沸石和高岭土，其质量比为2：4：3：1，其制备方法如下所述：

(1)将沸石于1mol/L的硝酸水溶液中浸泡24h，然后用去离子水清洗至中性；将处理后的沸石、粉碎研磨后的废陶瓷颗粒、干燥后的电解锰废渣以及高岭土混合均匀。电解锰渣的粒径为90μm，废陶瓷的粒径为400μm。

(2)向混合料中加入混合料总重量12％的水，搅拌均匀后在自然通风条件下陈化稳定，用钢质模具一次加压成型，最大压力10Mpa下保持90min小时，脱模，自然风干。

(3)成型后的透水砖在温度为700℃下焙烧5小时，冷却至常温，养护8天得到透水砖成品。

本实施例的吸附效率见表3。

表3

根据国家检测标准测试其抗压强度为52MPa，透水系数为1.25cm/s。

实施例4

本实施例的透水砖的原料组分包含废陶瓷、电解锰渣、沸石和高岭土，其质量比为1.2：2.5：1.5：1，其制备方法如下所述：

(1)将沸石于1mol/L的硝酸水溶液中浸泡24h，然后用去离子水清洗至中性；将处理后的沸石、粉碎研磨后的废陶瓷颗粒、干燥后的电解锰废渣以及高岭土混合均匀。电解锰渣的粒径为90μm，废陶瓷的粒径为400μm。

(2)向混合料中加入混合料总重量12％的水，搅拌均匀后在自然通风条件下陈化稳定，用钢质模具一次加压成型，最大压力10Mpa下保持90min小时，脱模，自然风干。

(3)成型后的透水砖在温度为700℃下焙烧5小时，冷却至常温，养护8天得到透水砖成品。

本实施例的吸附效率见表4。

表4

模拟污染物	进水浓度	出水浓度	吸附效率
				汞	0.1mg/L	0.005mg/L	95％
铅	0.1mg/L	0.006mg/L	94％
				铜	0.1mg/L	0.008mg/L	92％
P元素	50mg/L	3mg/L	94％

根据国家检测标准测试其抗压强度为49MPa，透水系数为1.35cm/s。

实施例5

本实施例的透水砖的原料组分包含废陶瓷、电解锰渣、沸石和高岭土，其质量比为1.8：3.5：2.5：1，其制备方法如下所述：

(1)将沸石于1mol/L的硝酸水溶液中浸泡24h，然后用去离子水清洗至中性；将处理后的沸石、粉碎研磨后的废陶瓷颗粒、干燥后的电解锰废渣以及高岭土混合均匀。电解锰渣的粒径为90μm，废陶瓷的粒径为400μm。

(2)向混合料中加入混合料总重量12％的水，搅拌均匀后在自然通风条件下陈化稳定，用钢质模具一次加压成型，最大压力10Mpa下保持90min小时，脱模，自然风干。

(3)成型后的透水砖在温度为700℃下焙烧5小时，冷却至常温，养护8天得到透水砖成品。

本实施例的吸附效率见表5。

表5

模拟污染物	进水浓度	出水浓度	吸附效率
				汞	0.1mg/L	0.004mg/L	96％
铅	0.1mg/L	0.005mg/L	95％
				铜	0.1mg/L	0.009mg/L	91％
P元素	50mg/L	2mg/L	96％

根据国家检测标准测试其抗压强度为51MPa，透水系数为1.28cm/s。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (8)

1.一种吸附性透水砖，其特征在于，包括：电解锰渣、废陶瓷、高岭土和沸石，其质量比为(1～2)：(2～4)：(1～3)：1。

2.根据权利要求1所述的吸附性透水砖，其特征在于，电解锰渣、废陶瓷、高岭土和沸石的质量比为(1.2～1.8)：(2.5～3.5)：(1.5～2.5)：1。

3.根据权利要求1所述的吸附性透水砖，其特征在于，所述电解锰渣的粒径为50μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的吸附性透水砖，其特征在于，所述废陶瓷的粒径为300μm～500μm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的吸附性透水砖，其特征在于，所述沸石按照以下方式进行处理：将沸石按照(90-110)g:1L的料液比于无机酸水溶液中浸泡20h-30h，然后用去离子水清洗至中性；

其中，所述无机酸水溶液是浓度为0.5mol/L-2mol/L的硝酸溶液，浓度为0.5mol/L-2mol/L的盐酸溶液或浓度为0.25-1mol/L的硫酸溶液。

6.根据权利要求5所述的吸附性透水砖，沸石的粒径为1mm～2mm。

7.权利要求1至6任一项所述的吸附性透水砖的制备方法，其特征在于，包括：将电解锰渣、粉碎研磨后的废陶瓷、高岭土以及处理后的沸石按照上述配比混合，向得到的混合料中加入占混合料重量8％-12％的水搅拌均匀再陈化，然后在低于15MPa的压力下保持45min-70min压制成型，将成型后的坯体在650℃-800℃下焙烧4h-8h，制得透水砖。

8.根据权利要求7所述的吸附性透水砖的制备方法，其特征在于，所述沸石的处理方法为：将沸石按照(90-110)g:1L的料液比于无机酸水溶液中浸泡20h-30h，然后用去离子水清洗至中性；

其中，所述无机酸水溶液是浓度为0.5mol/L-2mol/L的硝酸溶液，浓度为0.5mol/L-2mol/L的盐酸溶液或浓度为0.25-1mol/L的硫酸溶液。