CN110467368A - 一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂及其制备方法，属于固体废弃物资源化利用技术领域。该活性激发剂由C‑S‑H晶种、泡花碱、氢氧化钠、纯碱、脱硫石膏混合组成，所述的C‑S‑H晶种由生石灰和无定形二氧化硅在水热条件下制得。其中泡花碱、氢氧化钠、纯碱、脱硫石膏起到碱激发和硫酸盐激发作用，以促进无机固废中的硅铝钙质矿物和矿物盐转化为水化产物。C‑S‑H晶种促进了高强度结晶态产物的生成，同时晶种的存在还能够降低建材化产品中的平均空隙，减少有害孔及少害孔的比例，进一步提高无机固体废弃物建材化产品的强度和性能。

Description

一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂及其制备方法，属于固体废弃物资源化利用技术领域。

背景技术

无机固体废弃物简称无机固废，是指在工业、采矿业、建筑业等行业生产活动中产生的各种以无机硅、钙、铝质为主的废渣和粉尘，包括高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、废石膏、磷石膏、脱硫灰、陶瓷尾料、电石渣、盐泥、渣土、建筑垃圾、废弃混凝土、河道淤泥等废弃物。随着我国经济的高速发展，无机固废的数量呈爆炸式增长，但目前数量庞大、种类繁多、成分复杂的无机固废仅以粗放的堆场或简易填埋等方式处理，对环境和人们的生产生活都造成了极大危害。

无机固废的处理处置区别于其他废弃物之处在于其庞大的体量和潜在的资源化利用价值，从循环经济和可持续发展的角度出发，应重视无机固废的高值利用，解决环保问题的同时，也能够产生更好的经济效益。

目前，建材化利用已成为了我国无机固废处理处置的主要发展方向之一，将无机固废作为原材料或替代原材料加入到建筑材料生产中，一方面可解决当下建材原料紧缺的问题，另一方面可实现无机固废的资源化目标，发挥“双赢”效益。

然而，由于无机固废中以化学性质稳定的、不具有火山灰活性的硅钙铝质矿物为主，不论是在水泥体系还是蒸压免烧体系，无机固废大多数情况下只能以骨料填充物的形式掺入，掺入量过多对产品的质量也有负面影响。因此，要从根本上解决上述资源化效率问题，技术关键就在于开发合适的活性激发剂，以让无机固废从元素循环角度参与到建材化反应中。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种能够有效激发无机固废反应活性的激发剂及其制备方法。

为实现上述目的，本发明研究发现无机固废中的主要成分为以硅质的石英和复杂硅酸盐矿物、铝质的硬水铝石、铝矾土、铝酸盐矿物和硫铝酸盐矿物以及钙质的石灰石、白云石、石膏和磷灰石等，若要提高无机固废建材化利用效率，应从根本上提高固废中硅质、铝质和钙质料的反应活性。

本发明的技术方案如下：

一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，由C-S-H晶种、泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏按照如下质量份数混合组成，粒径为100目：

所述的C-S-H晶种由生石灰和无定形二氧化硅在水热条件下制得，其中所述的生石灰为氧化镁含量≤5％的粉状钙质生石灰，生石灰的有效钙含量≥90％；所述的无定形二氧化硅为市售的二氧化硅含量不小于99.8％、比表面积160-220m²/g的亲水性纳米二氧化硅。

所述的泡花碱为市售的硅酸钠含量不小于95％的粉末状泡花碱固体。

所述的氢氧化钠为市售的化学纯试剂或化工原料中的一种。

所述的纯碱为市售的化学纯试剂或化工原料中的一种。

所述的脱硫石膏为市售的化学纯试剂或化工原料中的一种，其游离水质量比例不大于5％，二水硫酸钙质量比例不小于90％。

一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂制备方法，包括如下步骤：

(A)晶种制备：先按质量比称取无定形二氧化硅/生石灰＝1.5～1.7，均匀混合，然后放入机械搅拌反应釜中，再往反应釜中加入混合料总质量9-12倍的水，在120-160℃温度下反应4-10小时，然后经过过滤、真空干燥、粉磨、过100目筛，得到C-S-H晶种；

(B)粉磨过筛：将泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏分别粉磨，过100目筛；

(C)混合搅拌：将上一步粉磨好的泡花碱、氢氧化钠、纯碱、脱硫石膏以及合成所得的C-S-H晶种按质量比称取泡花碱：氢氧化钠：纯碱：脱硫石膏：C-S-H晶种＝(15-25)：(5-30)：(5-35)：(10-30)：(10-35)，并均匀混合后，得到用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明基于无机固废的基本组成，针对性地提出了一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂及其制备方法，所述的活性激发剂能够对无机固废中活性较低的硅质、铝制、钙质矿物起到复合激发的作用，以满足后续建材化的高效利用，适用于蒸压、蒸养、自然养护等多种反应体系。

2、本发明所述的用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂中的泡花碱、氢氧化钠和纯碱主要起到碱激发的作用，泡花碱、氢氧化钠和纯碱遇水会释放出的氢氧根离子，而氢氧根离子本身的亲核性和极化作用能够使无机固废中的硅酸盐矿物、硅铝酸盐矿物以及铝酸盐矿物矿物中的硅氧键和铝氧键断裂，形成水合硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物，与此同时水化产物的生成一方面会促进泡花碱、氢氧化钠和纯碱的水解，另一方面在后续建材化反应中，生成的水化产物又起到了晶种的作用。

3、本发明所述的用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂中的脱硫石膏主要起到硫酸盐激发的作用，脱硫石膏中的主要成分硫酸钙水解产生的钙离子和硫酸根离子会与无机固废资源化过程中产生的偏铝酸根离子反应生成水化硫铝酸钙(即钙钒石)，有利于提高固废再生资源化产品的强度和质量。

4、本发明所述的用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂制备方法中所合成的晶种为C-S-H晶种，其晶种表面存在大量的断键和缺陷，具有吸附离子/分子和核化双重作用，能够降低水化反应中的成核势垒，促进更多的晶种和水化产物的生成。另一方面，C-S-H晶种的存在还能够降低平均孔隙，减少建材化产品中有害孔及少害孔的比例，在一定程度上提高建材化产品的强度。

5、本发明所述的用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂主要的激发机理：通过不同方式(碱激发、硫酸盐激发和晶种引入)促进水化反应的发生，生成更多的水化硅酸钙产物和托勃莫来石等高强矿物，而这些水化产物同样有吸附和固化无机固废中重金属离子的能力，因此，本发明高效资源化利用无机固废的同时，在一定程度上还能以较低的成本解决废弃物无害化\稳定化问题。

具体实施方式

以下结合具体实例，对本发明进行进一步的描述，但需要说明的是，实例并不构成对本发明要求保护范围的限制。

实施例1

一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，由C-S-H晶种、泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏按照如下质量比混合组成，粒径为100目：

一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂的制备方法：

(A)晶种制备：先以质量比称取无定形二氧化硅/生石灰＝1.5，均匀混合后放入机械搅拌反应釜中，再往反应釜中加入混合料总质量10倍的水，在140℃温度下反应5小时，然后经过滤、真空干燥、粉磨，过100目筛，得到C-S-H晶种；

(B)粉磨过筛：将泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏分别粉磨，过100目筛；

(C)混合搅拌：按C-S-H晶种40份；泡花碱20份；氢氧化钠10份；纯碱15份；脱硫石膏15份的质量份数计量计量配比，均匀混合后得到用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂。

实施例2

一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，由C-S-H晶种、泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏按照如下质量份数混合组成，粒径为100目：

一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂的制备方法：

(A)晶种制备：将按照质量比称取无定形二氧化硅/生石灰＝1.65，匀混合后放入机械搅拌反应釜中，再往反应釜中加入无定形二氧化硅和生石灰总质量12倍的水，在160℃温度下反应8小时，而后经过滤、真空干燥、粉磨，过100目筛，得到C-S-H晶种；

(B)粉磨过筛：将泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏分别粉磨，过100目筛；

(C)混合搅拌：按质量比称取C-S-H晶种55份；泡花碱25份；氢氧化钠5份；纯碱5份；脱硫石膏10份，均匀混合后得到用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂。

实施例3

按照电厂粉煤灰：水泥：骨料＝45：15：40的质量比分别称取两组配方，一组没有加入激发剂作为对照组，另外一组加入激发剂作为实验组，进行激发剂对建材化产品性能影响测试。实验组所用激发剂为实施例1制备得到活性激发剂，激发剂的加入量是水泥、电厂粉煤灰和骨料总质量的5％，对照组和实验组均加入水泥、电厂粉煤灰和骨料总质量的30％的水，混合均匀后得到混合料，将混合料倒入模具中成型，而后在20±3℃的温度、90％的湿度下养护28天，掺入活性激发剂的实验组样品与未添加活性激发剂的对比空白组样品(除未添加活性激发剂外，其余配方组成和养护条件均相同)性能测试结果如表1，从表1中可以看出，活性激发剂的加入使得水泥体系中的粉煤灰砖凝结时间更短，强度更高，说明了活性激发剂在蒸养条件下能够起到很好的效果。

表1实施例1的激发剂对建材化样品性能测试结果汇总表

实施例4

按照河道淤泥:骨料:生石灰＝50:35:15的质量比分别称取两组配方，一组没有加入激发剂作为空白对照组，另外一组加入激发剂作为实验组，进行激发剂对建材化产品性能影响测试。实验组所用激发剂为实施例2制备得到活性激发剂，激发剂的加入量是河道淤泥、骨料和生石灰总质量的5％，对照组和实验组均加入河道淤泥、骨料和生石灰总质量的15％的水混合均匀后，在20MPa的YP1200的静压机中成型，而后在180℃的饱和水蒸气环境下进行蒸压养护10小时。掺入活性激发剂的建材化样品对比空白组建材化样品(除未添加活性激发剂外，其余配方组成和养护条件均相同)性能测试结果如表2，从表中可以看出，添加了活性激发剂的蒸压产品强度明显优于未添加活性激发剂的产品，通过孔隙率和平均孔径测试结果分析可得，活性激发剂的引入促进水化反应的正向进行，即水化产物的大量生成，水化产物能够随着反应的进行不断填充空隙，从而相互包裹交叉形成密实的空间网状结构，进而提高了产品强度。

表2实施例2的激发剂对建材化样品性能测试结果汇总表

Claims (6)

1.一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，其特征在于，由C-S-H晶种、泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏按照如下质量份数混合组成，粒径为100目：

上述的C-S-H晶种由生石灰和无定形二氧化硅在水热条件下制得，其中所述的生石灰为氧化镁含量≤5％的粉状钙质生石灰，生石灰的有效钙含量≥90％；所述的无定形二氧化硅为市售的二氧化硅含量不小于99.8％、比表面积160-220m²/g的亲水性纳米二氧化硅。

2.一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂制备方法，包括如下步骤：

(A)晶种制备：先按质量份数称取无定形二氧化硅/生石灰＝1.5～1.7，均匀混合，然后放入机械搅拌反应釜中，再往反应釜中加入无定形二氧化硅和生石灰总重量9-12倍的水，在120-160℃温度下搅拌反应4-10小时，然后经过滤、真空干燥、粉磨、过100目筛，得到C-S-H晶种；

(B)粉磨过筛：将泡花碱、氢氧化钠、纯碱和脱硫石膏分别粉磨、过100目筛；

(C)混合搅拌：将上一步粉磨并过筛的泡花碱、氢氧化钠、纯碱、脱硫石膏以及第一步的C-S-H晶种，按质量比量取泡花碱：氢氧化钠：纯碱：脱硫石膏：C-S-H晶种＝(15-25)：(5-30)：(5-35)：(10-30)：(10-35)，并均匀混合后，得到无机固体废弃物建材化专用的活性激发剂。

3.根据权利要求1和2所述的一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，其特征在于，所述的泡花碱为市售的硅酸钠含量不小于95％的粉末状泡花碱固体。

4.根据权利要求1和2所述的一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，其特征在于，所述的氢氧化钠为市售的化学纯试剂或化工原料中的一种。

5.根据权利要求1和2所述的一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，其特征在于，所述的纯碱为市售的化学纯试剂或化工原料中的一种。

6.根据权利要求1和2所述的一种用于无机固体废弃物建材化的活性激发剂，其特征在于，所述的脱硫石膏为市售的化学纯试剂或化工原料中的一种，其游离水质量比例不大于5％，二水硫酸钙质量比例不小于90％。