CN110423044B - 提高混凝土吸附pm2.5能力的添加剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂及其制备方法和应用。按质量百分比计，该添加剂由以下组分制成：有机改性膨润土，25％‑55％；硅灰，10％‑50％；水滑石粉，15％‑35％；聚醚改性聚硅氧烷，0.1％‑0.3％。本发明制备方法包括：将上述原料均匀混合后放入研磨机中研磨，至粉末比表面积达到400m2/kg以上后得到添加剂。本发明所得的添加剂在混凝土中使用时，其掺量为混凝土胶凝材料总质量的5％‑20％。本发明采用的主要原材料为无机盐类矿物，在混凝土中应用时不仅能够提高混凝土吸附PM2.5的能力，而且其自身所含矿物成分的水化可以补偿混凝土的强度损失，延长混凝土的水化时间，混凝土吸附实效性延长。

Description

提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及添加剂技术领域，特别是涉及一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂及其制备方法和应用。
背景技术
空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物称为细颗粒，又称PM2.5，它是一种重要的大气污染物。这类颗粒物在大气中的稳定程度高，沉降速度慢，被吸入呼吸道的概率大，相对较粗颗粒而言其比表面积大，能携带更多的有毒有害物质进入细支气管和肺泡区，对人体的危害更大。PM2.5颗粒物中的阴离子主要是硫酸盐、硝酸盐、卤素离子；阳离子主要是铵盐、碱金属和碱土金属离子。考虑到混凝土作为城市建筑的主要构成物，尤其是高吸附性混凝土具有较强的吸湿性，在一定的湿度条件下，PM2.5颗粒作为凝结核能够吸收空气中的水分形成含尘液滴被混凝土吸收，进而达到吸收PM2.5颗粒，有效改善城市空气质量的作用。
目前，利用混凝土吸附性吸收汽车尾气、过滤水质的研究已有一些报道。如专利CN102219458A公开了一种生态混凝土及其制备方法，该发明的生态混凝土配合比为：普通硅酸盐水泥10～15份，石英砂40～60份，水5～10份，加气剂0.15～0.25份，改性粉煤灰15～20份，改性二氧化钛10～15份。虽然该发明赋予混凝土一定的吸附特性，但针对性不强，其制备过程较为繁琐，成本也较贵。还有一些研究将陶粒、黏土、聚合物等材料掺入混凝土中，提高混凝土的吸附性，然而这类添加剂的吸附效果并不是十分理想，对混凝土的强度有一定的影响，其吸附的时效性也有待研究。总之，利用混凝土吸附性去除大气中的PM2.5的相关研究较为少见，现有的添加剂的对PM2.5的吸附效果并不是十分理想，对混凝土的强度也有一定的影响。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种制备工艺简单、成本低、时效性长，且能有效提高混凝土吸附PM2.5性能的混凝土添加剂产品，以缓解城市大气污染问题。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，按质量百分比计，其包括以下组分：
Figure BDA0002142188200000021
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，其中所述有机改性膨润土为有机改性钠基膨润土。
优选的，前述的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，其中所述有机改性膨润土为壳聚糖改性膨润土。
优选的，前述的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，其中所述有机改性膨润土的比表面积大于450m2/kg，其中，蒙脱石的含量大于85％。
优选的，前述的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，其中所述水滑石粉的白度大于90％，平均粒度小于1μm，其中，Mg3[Si4O10](OH)2的含量大于90％。
优选的，前述的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，其中所述硅灰的45μm方孔筛筛余率≤3％，比表面积为15-25m2/g，其中，二氧化硅的含量大于90％。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂的制备方法，其包括：将有机改性膨润土25％-55％，硅灰10％-50％，水滑石粉15％-35％和聚醚改性聚硅氧烷0.1％-0.3％混合均匀，研磨至粉末的比表面积大于400m2/kg，得到有效提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂的制备方法，其中所述的有机改性膨润土35％-45％，硅灰20％-40％，水滑石粉20％-30％和聚醚改性聚硅氧烷0.15％-0.25％。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种混凝土组合物，其包括混凝土和前述的提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，所述添加剂的掺量为所述混凝土总质量的5％-20％。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种成形体，其包括水硬化后的如权利要求9所述的混凝土组合物。。
借由上述技术方案，本发明一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂及其制备方法和应用至少具有下列优点：
1、本发明的添加剂包括有机改性膨润土、硅灰、水滑石粉和聚醚改性聚硅氧烷，以无机盐类矿物为主要原材料，在混凝土中应用时不仅能够提高混凝土吸附PM2.5的能力，而且其自身所含矿物成分的水化可以补偿混凝土的强度损失，延长混凝土的水化时间，混凝土吸附实效性延长。聚醚改性聚硅氧烷的使用可以减少混凝土含气量，混凝土中的封闭小孔减少，毛细孔含量增加，提高了混凝土中毛细孔的吸水能力，混凝土吸附PM2.5的能力提高。
2、本发明中的主要原材料多为层状结构，吸水性较好，提高了混凝土拌合物的抗离析能力。层状结构物中水分的释放减少了混凝土因干燥收缩原因引起的早期裂缝，混凝土耐久性提高。
3、本发明所采用的主要原材料均属自然界中广泛存在的矿物原材料，获得较易，无毒，价格低廉，对环境无不良影响。
4、本发明具有实施简单、投入成本低、效果显著等特点，相关成果可用于路缘石、中央分隔带、装饰混凝土等非承重性结构。由于城市环境中混凝土结构数量巨大，采用本发明能够有效提高混凝土吸附PM2.5的性能，进而改善城市大气环境，降低大气中PM2.5含量。
5、本发明从混凝土吸附性角度出发，研究开发能够有效提高混凝土吸附PM2.5性能的混凝土添加剂，首次提出了利用混凝土吸附性去除大气中PM2.5的方法，填补了国内外去除PM2.5相关产品的空白。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂及其制备方法和应用其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明实施例提出一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，按质量百分比计，其包括以下组分：
Figure BDA0002142188200000041
本发明的添加剂包括有机改性膨润土、硅灰、水滑石粉和聚醚改性聚硅氧烷，以无机盐类矿物为主要原材料，在混凝土中应用时不仅能够提高混凝土吸附PM2.5的能力，而且其自身所含矿物成分的水化可以补偿混凝土的强度损失，延长混凝土的水化时间，混凝土吸附实效性延长。聚醚改性聚硅氧烷的使用可以减少混凝土含气量，混凝土中的封闭小孔减少，毛细孔含量增加，提高了混凝土中毛细孔的吸水能力，混凝土吸附PM2.5的能力提高。
本发明中的主要原材料多为层状结构，吸水性较好，提高了混凝土拌合物的抗离析能力。层状结构物中水分的释放减少了混凝土因干燥收缩原因引起的早期裂缝，混凝土耐久性提高。
优选的，一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，按质量百分比计，其包括以下组分：
Figure BDA0002142188200000051
进一步优选的，一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，按质量百分比计，由以下组分组成：有机改性膨润土40％，硅灰35％，水滑石粉24.8％和聚醚改性聚硅氧烷0.2％。
作为优选实施方式，所述有机改性膨润土为有机改性钠基膨润土。
钠基膨润土是用Na+将蒙脱石晶层中可置换的阳离子Ca2+或Mg2+置换出来，将钙基膨润土转换成钠基膨润土。一般方法是在钙基膨润土中加入钠盐(通常是Na2CO3)，使其发生离子变换反应。钠化改性主要有悬浮液法(湿法)、堆场钠化法(陈化法)、挤压法等。
本发明实施例并不对钠基膨润土的有机改性做具体的限定，进行有机改性的改性剂可选择壳聚糖，也可以选择季铵盐型的阳离子改性剂，季铵盐型的阳离子改性剂可选十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵或双十八烷基二甲基氯化铵。通过有机改性，使有机膨润土的层间距增大，而且改善了其疏水性，使其具有了吸附有机物的能力，从而增强了膨润土去除有机物的能力。
作为优选实施方式，所述有机改性膨润土为壳聚糖改性膨润土。
本发明以钠基膨润土为原料，壳聚糖为改性剂，制备壳聚糖改性膨润土，以提高钠基膨润土的吸附效果。
对膨润土进行改性的目的主要是为了提高膨润土对有机分子的吸附能力，使其既可以同时通过表面吸附和分配两种途径吸附PM2.5中的难溶性成分，又可以利用络合作用去除PM2.5中的可溶性金属离子及有机物。作为优选实施方式，所述有机改性膨润土的比表面积大于450m2/kg，其中，蒙脱石的含量大于85％。
作为优选实施方式，所述水滑石粉的白度大于90％，平均粒度小于1μm，其中，Mg3[Si4O10](OH)2的含量大于90％。
所述水滑石粉的主要成分是滑石含水的硅酸镁，分子式为Mg3[Si4O10](OH)2。水滑石粉是一种层状结构的阳离子性化合物，由于其主体层板带有正电荷，能够有效吸附游离的阴离子，形成稳定的物质。加入水滑石粉能够提高添加剂对PM2.5中游离阴离子的吸附能力。
作为优选实施方式，所述硅灰的45μm方孔筛筛余率≤3％，比表面积为15-25m2/g，其中，二氧化硅的含量大于90％。进一步优选的，比表面积为16-22m2/g，更优选的，比表面积为19m2/g。
加入硅灰能够有效改善混凝土孔结构，提高混凝土毛细孔含量，由于毛细孔吸水能力较强，混凝土的吸附能力提高。另一方面，硅灰的二次水化反应滞后于水泥水化反应，延长了混凝土中胶凝材料水化吸水的时间，赋予混凝土长期吸附PM2.5的能力。
本发明实施例还提出一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂的制备方法，其具体包括以下步骤：将有机改性膨润土25％-55％，硅灰10％-50％，水滑石粉15％-35％和聚醚改性聚硅氧烷0.1％-0.3％混合均匀，研磨至粉末的比表面积大于400m2/kg，得到有效提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂。
作为优选实施方式，有机改性膨润土35％-45％，硅灰20％-40％，水滑石粉20％-30％和聚醚改性聚硅氧烷0.15％-0.25％。
本发明实施例还提出一种混凝土组合物，其包括混凝土和上述的提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，所述添加剂的掺量为所述混凝土总质量的5％-20％。
本发明的添加剂适用于非承载结构的混凝土中，主要用于装饰类的、非承重构件的混凝土，具体混凝土种类、等级没有要求。
本发明实施例还提出一种成形体，其包括水硬化后的上述的混凝土组合物。所述成形体用于非承重性结构。
本发明具有实施简单、投入成本低、效果显著等特点，应用本发明的添加剂得到的混凝土组合物可用于路缘石、中央分隔带、装饰混凝土等非承重性结构。由于城市环境中混凝土结构数量巨大，采用本发明能够有效提高混凝土吸附PM2.5的性能，进而改善城市大气环境，降低大气中PM2.5含量。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
以下实施例1-4使用的壳聚糖改性膨润土由以下步骤制得：将10份钠基膨润土和50份蒸馏水加入到三角烧瓶中，搅拌机以300～500r/min搅拌8min，然后将1.5份壳聚糖和50份醋酸溶液(5％浓度)倒入三口烧瓶，65～80℃恒温水浴锅中以400～500r/min的速度继续搅拌6min后，再静置1小时，然后在微波炉中干燥改性15分钟，再将粉末研磨过80微米圆孔筛得到壳聚糖改性膨润土。其中，钠基膨润土购自苏州非金属矿工业设计研究院有限公司或者巩义市恒鑫滤料厂；壳聚糖、5％醋酸溶液购自国药集团化学试剂有限公司。
实施例1
一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，各组分及质量百分比如下：壳聚糖改性膨润土40％，比表面积为465m2/kg，蒙脱石含量为92％；硅灰39.8％，45μm方孔筛筛余率≤2％，比表面积约为21m2/g；水滑石粉20％，白度为93％，平均粒度0.8μm；聚醚改性聚硅氧烷0.2％。
该添加剂的制备方法如下：将有机改性膨润土、硅灰、水滑石粉和聚醚改性聚硅氧烷均匀混合，放入研磨机中，研磨至粉末的比表面积大于400m2/kg，装袋密封。
该添加剂可应用于混凝土中，提高混凝土吸附PM2.5能力。以下面的混凝土为例来说明本发明的添加剂的作用。
一种混凝土包括：普通硅酸盐水泥220kg/m3，二级粉煤灰60kg/m3，S95矿粉80kg/m3，水185kg/m3，石英砂770kg/m3和碎石1050kg/m3。
将上述混凝土制成试件，标准养护28天后，放入80℃烘箱中，烘干24小时后，进行盐雾吸附试验。
混凝土盐雾吸附测试按照《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Ka：盐雾》(GB/T2423.17-2008)中规定的要求进行。测试时，氯化钠溶液由复合溶液取代，其中，每100克盐溶液中含有硫酸钙0.1克，氯化钾2克，硝酸钠2克，氯化镁1克，PM2.5收集粉末2克。
测试时，本发明的添加剂掺量分别是胶凝材料质量的0％和6％。采用R62混凝土电阻率测试仪测定混凝土电阻率，通过混凝土电阻率来综合衡量混凝土的吸附PM2.5能力。
相关性能测试结果如下所示：
掺0％本发明的添加剂的混凝土电阻率为435 KΩ；
掺6％本发明的添加剂的混凝土电阻率为358 KΩ；
相对于未掺添加剂的混凝土，掺有6％本发明的添加剂后的混凝土的吸附性能提升了18％。
实施例2
一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，各组分及质量百分比如下：壳聚糖改性膨润土35％，比表面积为475m2/kg，蒙脱石含量为94％；硅灰34.75％，45μm方孔筛筛余率≤1％，比表面积约为22m2/g；水滑石粉30％，白度为91％，平均粒度0.6μm；聚醚改性聚硅氧烷0.25％。
该添加剂的制备方法如下：将有机改性膨润土、硅灰、水滑石粉和聚醚改性聚硅氧烷均匀混合，放入研磨机中，研磨至粉末的比表面积大于400m2/kg，装袋密封。
该添加剂可应用于混凝土中，提高混凝土吸附PM2.5能力。以下面的混凝土为例来说明本发明的添加剂的作用。
一种混凝土包括：普通硅酸盐水泥220kg/m3，二级粉煤灰60kg/m3，S95矿粉80kg/m3，水185kg/m3，石英砂770kg/m3和碎石1050kg/m3。
将上述混凝土制成试件，标准养护28天后，放入80℃烘箱中，烘干24小时后，进行盐雾吸附试验。
混凝土盐雾吸附测试按照《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Ka：盐雾》(GB/T2423.17-2008)中规定的要求进行。测试时，氯化钠溶液由复合溶液取代，其中每100克盐溶液中含有硫酸钙0.1克，氯化钾2克，硝酸钠2克，氯化镁1克，PM2.5收集粉末2克。
测试时，本发明的添加剂掺量分别是胶凝材料质量的0％和8％。采用R62混凝土电阻率测试仪测定混凝土电阻率，通过混凝土电阻率来综合衡量混凝土的吸附PM2.5能力。
相关性能测试结果如下所示：
掺0％本发明的添加剂的混凝土电阻率为435KΩ；
掺8％本发明的添加剂的混凝土电阻率为339KΩ；
相对于未掺添加剂的混凝土，掺有8％本发明的添加剂后的混凝土的吸附性能提升了22％。
实施例3
一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，各组分及质量百分比如下：壳聚糖改性膨润土45％比表面积为455m2/kg，蒙脱石含量为95％；硅灰29.85％，45μm方孔筛筛余率≤0.8％，比表面积约为20.5m2/g；水滑石粉25％，白度为92％，平均粒度0.4μm；聚醚改性聚硅氧烷0.15％。
该添加剂的制备方法如下：将有机改性膨润土、硅灰、水滑石粉和聚醚改性聚硅氧烷均匀混合，放入研磨机中，研磨至粉末的比表面积大于400m2/kg，装袋密封。
该添加剂可应用于混凝土中，提高混凝土吸附PM2.5能力。以下面的混凝土为例来说明本发明的添加剂的作用。
一种混凝土包括：普通硅酸盐水泥220kg/m3，二级粉煤灰60kg/m3，S95矿粉80kg/m3，水185kg/m3，石英砂770kg/m3和碎石1050kg/m3。
将上述混凝土制成试件，标准养护28天后，放入80℃烘箱中，烘干24小时后，进行盐雾吸附试验。
混凝土盐雾吸附测试按照《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Ka：盐雾》(GB/T2423.17-2008)中规定的要求进行。测试时，氯化钠溶液由复合溶液取代，其中，每100克盐溶液中含有硫酸钙0.1克，氯化钾2克，硝酸钠2克，氯化镁1克，PM2.5收集粉末2克。
测试时，本发明的添加剂掺量分别是胶凝材料质量的0％和10％。采用R62混凝土电阻率测试仪测定混凝土电阻率，通过混凝土电阻率来综合衡量混凝土的吸附PM2.5能力。
相关性能测试结果如下所示：
掺0％本发明的添加剂的混凝土电阻率为435KΩ；
掺10％本发明的添加剂的混凝土电阻率为326KΩ；
相对于未掺添加剂的混凝土，掺有10％本发明的添加剂后的混凝土的吸附性能提升了25％。
实施例4
一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，各组分及质量百分比如下：壳聚糖改性膨润土50％，比表面积为485m2/kg，蒙脱石含量为90％；硅灰29.85％，45μm方孔筛筛余率≤1.5％，比表面积约为19.8m2/g；水滑石粉20％，白度为95％，平均粒度0.6μm；聚醚改性聚硅氧烷0.2％。
该添加剂可应用于混凝土中，提高混凝土吸附PM2.5能力。以下面的混凝土为例来说明本发明的添加剂的作用。
一种混凝土包括：普通硅酸盐水泥220kg/m3，二级粉煤灰60kg/m3，S95矿粉80kg/m3，水185kg/m3，石英砂770kg/m3和碎石1050kg/m3。
将上述混凝土制成试件，标准养护28天后，放入80℃烘箱中，烘干24小时后，进行盐雾吸附试验。
混凝土盐雾吸附测试按照《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Ka：盐雾》(GB/T2423.17-2008)中规定的要求进行。测试时，氯化钠溶液由复合溶液取代，其中每100克盐溶液中含有硫酸钙0.1克，氯化钾2克，硝酸钠2克，氯化镁1克，PM2.5收集粉末2克。
测试时本发明的添加剂掺量分别是胶凝材料质量的0％和12％。采用R62混凝土电阻率测试仪测定混凝土电阻率，通过混凝土电阻率来综合衡量混凝土的吸附PM2.5能力。
相关性能测试结果如下所示：
掺0％本发明的添加剂的混凝土电阻率为435KΩ；
掺12％本发明的添加剂的混凝土电阻率为349KΩ；
相对于未掺添加剂的混凝土，掺有12％本发明的添加剂后的混凝土的吸附性能提升了20％。
通过以上实施例可知，相对于未掺添加剂的混凝土，掺有本发明的添加剂后的混凝土的吸附性能都有不同程度的提升，说明本发明的添加剂可以提高混凝土吸附PM2.5的能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，其特征在于：按质量百分比计，其由以下组分组成：
有机改性膨润土 25%-55%；
硅灰 10%-50%；
水滑石粉 15%-35%；
聚醚改性聚硅氧烷 0.1%-0.3%；
所述有机改性膨润土为壳聚糖改性钠基膨润土；
所述有机改性膨润土的比表面积大于450 m2/kg，其中，蒙脱石的含量大于85%；
所述水滑石粉的白度大于90%，平均粒度小于1 μm，其中，Mg3[Si4O10](OH)2的含量大于90%；
所述硅灰的45 μm方孔筛筛余率≤3％，比表面积为15-25 m2/g，其中，二氧化硅的含量大于90%。
2.一种如权利要求1所述的提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂的制备方法，其特征在于，包括：将有机改性膨润土25%-55%，硅灰10%-50%，水滑石粉15%-35%和聚醚改性聚硅氧烷0.1%-0.3%混合均匀，研磨至粉末的比表面积大于400 m2/kg，得到提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂。
3.根据权利要求2所述的提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂的制备方法，其特征在于，有机改性膨润土35%-45%，硅灰20%-40%，水滑石粉20%-30%和聚醚改性聚硅氧烷0.15%-0.25%。
4.一种混凝土组合物，其特征在于，包括混凝土和权利要求1所述的提高混凝土吸附PM2.5能力的添加剂，所述添加剂的掺量为所述混凝土总质量的5%-20%。
5.一种成形体，其特征在于，包括水硬化后的如权利要求4所述的混凝土组合物。
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