CN110642589B - 一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料及其制备方法，该Cu2+缓释功能型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：碳化污泥：70％～80％，磷酸镁水泥：5％～15％，硫酸钾：2％～5％，硝酸锰：3％～8％，氯化钠：4％～7％，硫酸铜：5％～10％；按质量百分数计，外壳包括以下组分：磷酸镁水泥：80％～95％，硼砂：5％～10％。本发明采用污泥和磷酸镁水泥为主要原料并加入无机盐类植物营养素和硫酸铜制备内核，然后，采用磷镁酸盐水泥为主要原料并加入缓凝剂硼砂制备外壳，然后，将外壳包覆在内核上，形成即可适用于植物水培，又具有高效净水功能的Cu2+缓释功能型核壳轻集料，且大大提高了污泥等固废资源化利用率，具有十分重要的经济、环保、科研意义。

Description

一种Cu2+缓释功能型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Cu2+缓释功能型核壳轻集料及其制备方法。
背景技术
目前，水培植物市场以及污水处理前景广阔，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和植物水培有所应用，但两者的结合应用较少，并且其产品缓释效果不明显。另外，随着矿产资源开发、河道污泥等产生的大量固体废弃物，带来了严重的环境和社会问题。
因此，开发一种既适用于植物水培，又能净化水体，且能够利用污泥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Cu2+缓释功能型核壳轻集料，以解决现有植物水培用轻集料匮乏、污泥等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Cu2+缓释功能型核壳轻集料，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：碳化污泥：70％～80％，磷酸镁水泥：5％～15％，硫酸钾：2％～5％，硝酸锰：3％～8％，氯化钠：4％～7％，硫酸铜：5％～10％；
按质量百分数计，所述外壳包括以下组分：磷酸镁水泥：80％～95％，硼砂： 5％～10％。
可选地，所述碳化污泥为污泥经315℃低温碳化后的碳化污泥；所述污泥碳化前的有机质含量为60％～70％。
可选地，所述磷酸镁水泥的细度为0.074～0.080mm，且所述磷酸镁水泥中游离氧化镁含量≤5％。
可选地，所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述氯化钠、所述硫酸铜的纯度＞90％。
可选地，所述硼砂的纯度＞99％，且所述硼砂的平均粒径＜2.5μm。
本发明的第二目的在于提供一种制备上述Cu2+缓释功能型核壳轻集料的方法，该制备方法包括以下步骤：
1)将所述碳化污泥与所述磷酸镁水泥、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述氯化钠、所述硫酸铜加水混合后，造粒，得到内核坯体；
2)将所述磷酸镁水泥、所述硼砂混合，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，制得Cu2+缓释功能型核壳轻集料。
可选地，所述步骤1)中所述造粒包括：将所述碳化污泥、所述磷酸镁水泥、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述氯化钠、所述硫酸铜加水混合后，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Cu2+缓释功能型核壳轻集料具有以下优势：
1、本发明的Cu2+缓释功能型核壳轻集料采用污泥和磷酸镁水泥为主要原料并加入无机盐类植物营养素和硫酸铜制备内核，然后，采用磷镁酸盐水泥为主要原料并加入缓凝剂硼砂制备外壳，通过成球机将外壳包覆在内核上，形成内外不同物质、不同功能的核壳结构，一方面，无机盐类营养素可以通过外壳缓释到外界，供植物吸收，另一方面，该核壳结构轻集料通过磷酸镁水泥外壳缓慢向外界释放Cu2+离子，促进厌氧生物的生长和代谢，提高污水处理能力，使得本发明的Cu2+缓释功能型核壳轻集料即可适用于植物水培，又具有高效净水功能，且大大提高了污泥等固废资源化利用率，具有十分重要的经济、环保、科研意义。
2、本发明采用碳化后的污泥作为植物营养液和Cu2+离子的载体，一方面，污泥碳化脱水成碳，使得本发明的核壳轻集料具有较强的吸附能力，进而促进轻集料的自我净化功能，另一方面，碳化过程污泥有机质分解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，有利于内核物质的缓释，而且，碳化污泥可较大程度地保留内核中的无机盐类植物营养素，避免营养液一次性释放，另外，本发明将污泥集中在内核，将磷酸镁水泥集中在外壳，通过成球机包裹形成核壳结构，可很大程度上降低污泥气味。
3、本发明内核部分通过添加磷酸镁水泥作为增强材料，利用磷酸镁水泥的快速凝结硬化，使得污泥颗粒之间相互粘结在一起，大大增加了内壳的强度和体积稳定性。
4、本发明采用磷酸镁水泥添加缓凝剂硼砂作为轻集料外壳，在磷酸镁水泥水化过程中，硼砂可作为一种缓凝剂控制磷酸镁水泥的水化硬化，能较好的控制内壳物质扩散的速度，使得本发明的核壳轻集料在用于植物水培和污水净化时其中的营养元素和Cu2+可稳定持久的扩散到水中，以供植物生长和厌氧生物的繁殖代谢，延长轻集料使用寿命，达到轻集料稳定持久的净水效果。
5、本发明的Cu2+缓释功能型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，污泥为来自自来水厂的污泥经过脱水得到，其经315℃低温碳化后形成碳化污泥可在内核作为植物营养素和Cu2+离子载体，并可提供良好的孔隙结构，进而可有效控制内部营养成分和Cu2+离子的释放，其碳化前含水率为40％，碳化前的有机质含量为65％，自来水厂的污泥未脱水前的含水率为 80～95％；磷酸镁水泥来自贵州磷镁材料有限公司，其主要用于作为内壳支撑材料，以及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，且磷酸镁水泥中游离氧化镁含量为1％；硼砂为磨细得到的白色粉末，其纯度大于99％，平均粒径小于2.5μm，其可控制磷酸镁水泥的水化速率，防止由内核和外壳形成核壳结构时发生破裂或变形；硫酸钾、硝酸锰、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；硫酸铜为纯度大于90％的灰白色粉末，其可提供促进厌氧生物繁殖和代谢的Cu2+离子，进而有效提高轻集料的持续净水能力。
实施例1
一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1，其中，按质量百分数计，内核的原料组成为：碳化污泥：75％，磷酸镁水泥：10％，硫酸钾：2％，硝酸锰：4％，氯化钠：4％，硫酸铜：5％；按质量百分数计，外壳的原料组成为：磷酸镁水泥：90％，硼砂：10％。
上述Cu2+缓释功能型核壳轻集料具体通过以下方法制得：
1)按照上述原料配比，将污泥与磷酸镁水泥、硫酸钾、硝酸锰、氯化钠、硫酸铜加水搅拌，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，将磷酸镁水泥、硼砂混合，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，制得核壳轻集料。
对本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的单颗粒抗压强度为7.84MPa，吸水率为15.37％，COD去除率74.61％。
实施例2
一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1，其中，按质量百分数计，内核的原料组成为：碳化污泥：70％，磷酸镁水泥：8％，硫酸钾：3％，硝酸锰：4％，氯化钠：5％，硫酸铜：10％；按质量百分数计，外壳的原料组成为：磷酸镁水泥：95％，硼砂：5％。
上述Cu2+缓释功能型核壳轻集料具体通过以下方法制得：
1)按照上述原料配比，将污泥与磷酸镁水泥、硫酸钾、硝酸锰、氯化钠、硫酸铜加水搅拌，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)按照上述原料配比，将磷酸镁水泥、硼砂混合，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，制得核壳轻集料。
对本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的单颗粒抗压强度为8.84MPa，吸水率为15.37％，COD去除率89.15％。
实施例3
一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为1∶1，其中，按质量百分数计，内核的原料组成为：碳化污泥：80％，磷酸镁水泥：5％，硫酸钾：2％，硝酸锰：4％，氯化钠：4％，硫酸铜：5％；按质量百分数计，外壳的原料组成为：磷酸镁水泥：94％，硼砂：6％。
上述Cu2+缓释功能型核壳轻集料具体通过以下方法制得：
1)按照上述原料配比，将污泥与磷酸镁水泥、硫酸钾、硝酸锰、氯化钠、硫酸铜加水搅拌，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)按照上述原料配比，将磷酸镁水泥、硼砂混合，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，制得核壳轻集料。
对本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的单颗粒抗压强度为7.89MPa，吸水率为14.37％，COD去除率78.61％。
实施例4
一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为2∶1，其中，按质量百分数计，内核的原料组成为：碳化污泥：75％，磷酸镁水泥：8％，硫酸钾：3％，硝酸锰：4％，氯化钠：4％，硫酸铜：6％；按质量百分数计，外壳的原料组成为：磷酸镁水泥：91％，硼砂：9％。
上述Cu2+缓释功能型核壳轻集料具体通过以下方法制得：
1)按照上述原料配比，将污泥与磷酸镁水泥、硫酸钾、硝酸锰、氯化钠、硫酸铜加水搅拌，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)按照上述原料配比，将磷酸镁水泥、硼砂混合，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，制得核壳轻集料。
对本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的单颗粒抗压强度为 12MPa，吸水率为10％，COD去除率78.25％。
实施例5
一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为2∶1；其中，按质量百分数计，内核的原料组成为：碳化污泥：75％，磷酸镁水泥：8％，硫酸钾：2％，硝酸锰：4％，氯化钠：4％，硫酸铜：7％；按质量百分数计，外壳的原料组成为：磷酸镁水泥：92％，硼砂：8％。
上述Cu2+缓释功能型核壳轻集料具体通过以下方法制得：
1)按照上述原料配比，将污泥与磷酸镁水泥、硫酸钾、硝酸锰、氯化钠、硫酸铜加水搅拌，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)按照上述原料配比，将磷酸镁水泥、硼砂混合，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，制得核壳轻集料。
对本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的单颗粒抗压强度为6.89MPa，吸水率为15.37％，COD去除率82.36％。
实施例6
一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为2∶1，其中，按质量百分数计，内核的原料组成为：碳化污泥：77％，磷酸镁水泥：5％，硫酸钾：3％，硝酸锰：4％，氯化钠：5％，硫酸铜：6％；按质量百分数计，外壳的原料组成为：磷酸镁水泥：90％，硼砂：10％。
上述Cu2+缓释功能型核壳轻集料具体通过以下方法制得：
1)按照上述原料配比，将污泥与磷酸镁水泥、硫酸钾、硝酸锰、氯化钠、硫酸铜加水搅拌，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)按照上述原料配比，将磷酸镁水泥、硼砂混合，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，制得核壳轻集料。
对本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的Cu2+缓释功能型核壳轻集料的单颗粒抗压强度为16.87MPa，吸水率为9.37％，COD去除率90.15％。
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 (8)

1.一种Cu2+缓释功能型核壳轻集料，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：碳化污泥：70％～80％，磷酸镁水泥：5％～15％，硫酸钾：2％～5％，硝酸锰：3％～8％，氯化钠：4％～7％，硫酸铜：5％～10％；
按质量百分数计，所述外壳包括以下组分：磷酸镁水泥：80％～95％，硼砂：5％～10％。
2.根据权利要求1所述的Cu2+缓释功能型核壳轻集料，其特征在于，所述碳化污泥为污泥经315℃低温碳化后的碳化污泥；所述污泥碳化前的有机质含量为60％～70％。
3.根据权利要求1所述的Cu2+缓释功能型核壳轻集料，其特征在于，所述磷酸镁水泥的细度为0.074～0.080mm，且所述磷酸镁水泥中游离氧化镁含量≤5％。
4.根据权利要求1所述的Cu2+缓释功能型核壳轻集料，其特征在于，所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述氯化钠、所述硫酸铜的纯度＞90％。
5.根据权利要求1所述的Cu2+缓释功能型核壳轻集料，其特征在于，所述硼砂的纯度＞99％，且所述硼砂的平均粒径＜2.5μm。
6.制备权利要求1至5任一项所述的Cu2+缓释功能型核壳轻集料，其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述碳化污泥与所述磷酸镁水泥、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述氯化钠、所述硫酸铜加水混合后，造粒，得到内核坯体；
2)将所述磷酸镁水泥、所述硼砂混合，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，制得Cu2+缓释功能型核壳轻集料。
7.根据权利要求6所述的Cu2+缓释功能型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：将所述碳化污泥、所述磷酸镁水泥、所述硫酸钾、所述硝酸锰、所述氯化钠、所述硫酸铜加水混合后，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Cu2+缓释功能型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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