CN110683832B - 一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷及其制备方法。发泡陶瓷，主要由以下成分制成：按重量份计，珍珠岩尾矿15‑50份，黄金尾矿5‑35份，垃圾焚烧飞灰3‑15份，膨润土5‑15份，高岭土0‑10份，滑石0‑10份，发泡剂0.3‑1.2份。本发明的发泡陶瓷掺杂了大量的垃圾焚烧飞灰，这既降低了发泡陶瓷的烧结温度和能源成本，又利用成分之间的协同作用固化了飞灰中重金属，避免浸出，同时还保证陶瓷具有实用价值的抗压强度(≥4MPa)和容重(在400‑800kg/m3)。

Description

一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别涉及一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷及其制备方法。
背景技术
垃圾焚烧技术的快速发展与应用导致垃圾焚烧飞灰(后简称飞灰)的产生量激增，因飞灰含有Cd、As、Cr、Pb、Hg、Zn、Cu、Sb等重金属，以及二噁英等有机污染物，被国家列为HW18类危险废物，目前已经成为我国环境治理的关键问题。发泡陶瓷近年来作为绿色建筑材料受到广泛关注，是目前世界范围内“建筑保温材料告别有机化、实现无机化”的研究重点。如果能将飞灰作为原材料引入到发泡陶瓷的生产工艺当中，实现废物利用，将解决飞灰激增的难题。然而如何保证飞灰中重金属不浸出和保证陶瓷具有实用性是废物回收要解决的难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，该发泡陶瓷掺杂了大量的垃圾焚烧飞灰，这既降低了发泡陶瓷的烧结温度和能源成本，又利用成分之间的协同作用固化了飞灰中重金属，避免浸出，同时还保证陶瓷具有实用价值的抗压强度(≥4MPa)和容重(在400-800kg/m3)。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，主要由以下成分制成：
按重量份计，珍珠岩尾矿15-50份，黄金尾矿5-35份，垃圾焚烧飞灰3-15份，膨润土5-15份，高岭土0-10份，滑石0-10份，发泡剂0.3-1.2份。
该发泡陶瓷至少具有以下特点：
首先，变废为宝：掺入大量垃圾焚烧飞灰，实现了废物回收利用；
其次，安全性高：利用七种成分之间的协同作用固化了飞灰中重金属，尤其是利用硅酸盐的玻璃网状结构固化多种重金属离子，浸出浓度低于饮用水标准；
第三，烧结温度低：由于掺杂了大量的垃圾焚烧飞灰，而飞灰本身经过焚烧，具有较高的致密性，因此可以制备陶瓷时的烧结温度，节省能耗；
第四，抗压强度高：利用以上配方制得的发泡陶瓷的抗压强度可达到4MPa以上；
第五，容重合理：利用以上配方制得的发泡陶瓷的容重在400-800kg/m3之间。
本发明所述的垃圾焚烧飞灰指生活垃圾或工业垃圾焚烧处置过程中生成的底灰，并不限定垃圾的来源或类型。
本发明还在以上配方基础上优化了配比及每个成分的化学组成，以更大程度改善陶瓷性能，或降低工业成本。
优选地，所述发泡陶瓷仅由珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石和发泡剂七种成分组成，配比如上所述，每种成分可取上述范围内的任意值。例如，垃圾焚烧飞灰可取3份、5、7份、10份、12份、14份、15份等。珍珠岩尾矿可取15份、20份、25份、30份、35份、40份、45份、50份等。黄金尾矿可取5份、7份、10份、12份、14份、15份、20份、25份、30份、35份等。膨润土可取5份、7份、10份、12份、14份、15份等。高岭土可取1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份等。滑石可取1份、2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份等。发泡剂可取0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1.1份等。
优选地，所述发泡陶瓷主要由以下成分制成：
按重量份计，珍珠岩尾矿15-50份，黄金尾矿5-35份，垃圾焚烧飞灰3-15份，膨润土5-15份，高岭土5-10份，滑石5-10份，发泡剂0.3-1.2份。
优选地，所述发泡陶瓷主要由以下成分组成：
按重量百分比计，按重量百分比计，珍珠岩尾矿15-50％，黄金尾矿5-35％，垃圾焚烧飞灰3-15％，膨润土5-15％，高岭土5-10％，滑石5-10％，发泡剂0.3-1.2％。
优选地，所述珍珠岩尾矿主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 70-75份，Al2O310-14份，K2O 2-6份，MgO 0-1份，Na2O 1-4份，Fe2O3 0-1份、CaO 0-1份。
优选地，所述黄金尾矿主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 75-80份，Al2O3 9-13份，K2O 2-6份，MgO 0-1份，Na2O 0-1份，Fe2O3 1-4份、CaO 1-3份。
优选地，所述垃圾焚烧飞灰主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 32-42份，Cl12-28份，SiO2 2-6份，Al2O3 1-4份，K2O 3-7份，MgO 3-7份，Na2O 3-7份，Fe2O3 1-3份，SO3 6-10份。
优选地，所述膨润土主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 68-72份，Al2O3 13-17份，K2O 1-4份，MgO 1-3份，Na2O 0-1份，Fe2O3 1-3份、CaO 1-3份。
优选地，所述高岭土主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 68-72份，Al2O3 13-17份，K2O 2-6份，MgO 0-1份，Na2O 0-1份，Fe2O3 1-3份、CaO 0-1份。
优选地，所述滑石主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 15-20份，MgO 35-45份，Al2O3 0-1份，K2O 0-1份，Na2O 0-1份，Fe2O3 0-1份、CaO 0-1份。
优选地，珍珠岩尾矿、黄金尾矿、膨润土、高岭土、滑石中还含有微量的TiO2。
本发明所述的珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石的化学组成指将各种金属或矿物元素以氧化物计的含量，并非指其在珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石中以氧化物存在的化合物含量。另外，可以通过本领域现有的常规检测方法获得以上化学组成结果，例如典型的烧失后或未烧失的荧光检测方法。
当以烧失后荧光检测的方法时，通常所用烧失温度在900±5℃左右。
优选地，所述发泡剂选自碳化硅、碳粉、硅酸钠、碳酸钙、二氧化锰和三氧化二铁中的一种或多种混合。
采用不同发泡剂时制备陶瓷所需的烧结温度不同。例如，碳化硅作为发泡剂，最佳烧结温度范围在900～1300℃，烧成温度下的保温时间优选以15～25mins为宜；碳粉作为发泡剂，最佳烧结温度范围在600～900℃；硅酸钠作为发泡剂，最佳烧结温度范围在800～900℃；碳酸钙，最佳烧结温度范围在700～1000℃；二氧化锰作为发泡剂，最佳烧结温度范围在900～1200℃；三氧化二铁作为发泡剂，最佳烧结温度范围在600～1200℃。
本发明所用的珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石可以市购，或者自制，只要满足化学组成要求即可。
目前我国的焚烧处理技术主要分为三类：炉排炉技术、流化床技术及其它焚烧技术。通过焚烧技术产生的垃圾焚烧飞灰包括两部分，一部分为烟气净化系统之前热回收利用系统得到的灰，包括(锅炉灰，省煤器灰，过热器灰)，一部分为烟气净化系统(APC)灰，包括湿法或半干法除尘器灰、旋风除尘器灰以及布袋除尘器灰。本发明使用的飞灰采用炉排炉焚烧技术，通过炉排炉技术焚烧产生地飞灰中含有的重金属、二噁英及氯盐都远远高于其他焚烧技术产生的飞灰。然而本发明在使用危害如此大的飞灰制成发泡陶瓷后，仍然显示出较低的金属浸出率，说明本发明飞灰与珍珠岩尾矿、黄金尾矿、膨润土、高岭土、滑石有良好的协同烧结作用，该协同烧结作用可以高效固化飞灰中的重金属，从而减少浸出率，提高发泡陶瓷安全性。
本发明上述的发泡陶瓷可采用本领域常规的陶瓷方法，也可以采用本发明提供的以下优选方法：
按照配方，将所有原料混合进行高温焙烧、降温退火，得到所述发泡陶瓷；
其中，所述发泡剂为碳化硅时，所述高温焙烧优选为两次发泡过程，过程中的升温速率为5～10℃/min；第一次发泡温度在750～900℃，保温1～2小时，第二次发泡温度在1100～1250℃，保温1～3小时。
本发明提供的该制备方法能够激发材料之间的协同作用，提高致密度、以及硅酸盐间的网状结构强度，从而提高陶瓷的抗压强度，并且保留一定的孔隙率，使其满足常见的陶瓷容重要求。
优选地，所述降温退火的过程为：在15min之内降温至900℃，然后自然冷却；
优选地，所有原料的粒径为200目以下。为满足该粒径，可以将所有原料混合后研磨，或者分别研磨后再混。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)提高了垃圾焚烧飞灰的回收利用率；
(2)降低了烧结温度，节省了能耗；
(3)提高了陶瓷强度，及改善容重，还避免了重金属的大量浸出；
(4)制备方法简单。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。
实施例中所用垃圾焚烧飞灰的化学组成：按重量份计，CaO 35.26份，Cl 22.33份，SiO2 5.42份，Al2O3 3.07份，K2O 5.19份，MgO 3.14份，Na2O 7.12份，Fe2O3 1.01份，SO3 8.29份。采用的检测方法为：X射线荧光光谱分析(XRF)，采用XRF-1800型X射线荧光光谱仪测定次级X射线进行物质成分分析。
实施例1
本实施例的一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其主要由以下成分按质量份数组成：珍珠岩尾矿50份，黄金尾矿5份，垃圾焚烧飞灰15份，膨润土10份，高岭土10份，滑石10份，碳化硅0.3份。其中，珍珠岩尾矿、黄金尾矿、膨润土、高岭土、滑石的化学组成如表1，检测方法同飞灰。
制备方法：
将原料上述比例分别称量，大块原料需要破碎，混合球磨至200目以下，采用电炉进行烧结工艺，将配合料放入磨具中，进行二次发泡烧结。
一次发泡温度一般控制在825℃左右，二次发泡温度一般控制在1200℃左右。控制两次发泡的温度和时间可使制品最终的发泡高度和孔尺寸最佳，这对于抗压强度和重金属固化效果有非常重要的影响。烧结温度曲线为：
室温～300℃40分钟，300℃～600℃40分钟，600℃～825℃30分钟，825℃保持60分钟，825℃～1050℃30分钟，1050℃～1180℃30分钟，1180℃保持80分钟，1180℃～900℃15分钟，900℃～室温为炉冷(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。
表1
Figure BDA0002250392260000061
实施例2：
本实施例的一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其主要由以下成分按质量份数组成：珍珠岩尾矿40份，黄金尾矿15份，垃圾焚烧飞灰12份，膨润土15份，高岭土5份，滑石8份，碳化硅0.6份。所用原料同实施例1。
一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其由含有珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石、发泡剂混磨烧结后制成。
制备发泡陶瓷的方法为：
将原料按实施例2所述比例分别称量，大块原料需要破碎，混合球磨至200目以下，采用电炉进行烧结工艺，将配合料放入磨具中，进行二次发泡烧结。
一次发泡温度一般控制在825℃左右，二次发泡温度一般控制在1200℃左右。控制两次发泡的温度和时间可使制品最终的发泡高度和孔尺寸最佳，这对于抗压强度和重金属固化效果有非常重要的影响。烧结温度曲线为：
室温～300℃40分钟，300℃～600℃40分钟，600℃～825℃30分钟，825℃保持60分钟，825℃～1050℃30分钟，1050℃～1185℃30分钟，1185℃保持70分钟，1185℃～900℃15分钟，900℃～室温炉冷。
实施例3：
本实施例的一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其主要由以下成分按质量份数组成：珍珠岩尾矿35份，黄金尾矿25份，垃圾焚烧飞灰10份，膨润土15份，高岭土7份，滑石8份，碳化硅0.9份。所用原料同实施例1。
一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其由含有珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石、发泡剂混磨烧结后制成。
实施例3的利用垃圾焚烧飞灰制备发泡陶瓷的方法为：
将原料按实施例3所述比例分别称量，大块原料需要破碎，混合球磨至200目以下，采用电炉进行烧结工艺，将配合料放入磨具中，进行二次发泡烧结。
一次发泡温度一般控制在825℃左右，二次发泡温度一般控制在1200℃左右。控制两次发泡的温度和时间可使制品最终的发泡高度和孔尺寸最佳，这对于抗压强度和重金属固化效果有非常重要的影响。烧结温度曲线为：
室温～300℃40分钟，300℃～600℃40分钟，600℃～825℃30分钟，825℃保持60分钟，825℃～1050℃30分钟，1050℃～1190℃30分钟，1190℃保持70分钟，1190℃～900℃15分钟，900℃～室温为炉冷。
实施例4：
本实施例的一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其主要由以下成分按质量份数组成：珍珠岩尾矿30份，黄金尾矿30份，垃圾焚烧飞灰12份，膨润土10份，高岭土8份，滑石10份，碳化硅1.0份。所用原料同实施例1。
一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其由含有珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石、发泡剂混磨烧结后制成。
实施:4的利用垃圾焚烧飞灰制备发泡陶瓷的方法为：
将原料按实施4所述比例分别称量，大块原料需要破碎，混合球磨至200目以下，采用电炉进行烧结工艺，将配合料放入磨具中，进行二次发泡烧结。
一次发泡温度一般控制在825℃左右，二次发泡温度一般控制在1200℃左右。控制两次发泡的温度和时间可使制品最终的发泡高度和孔尺寸最佳，这对于抗压强度和重金属固化效果有非常重要的影响。烧结温度曲线为：
室温～300℃40分钟，300℃～600℃40分钟，600℃～825℃30分钟，825℃保持60分钟，825℃～1050℃30分钟，1050℃～1195℃30分钟，1195℃保持100分钟，1195℃～900℃15分钟，900℃～室温为炉冷。
实施例5：
本实施例的一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其主要由以下成分按质量份数组成：珍珠岩尾矿15份，黄金尾矿35份，垃圾焚烧飞灰15份，膨润土15份，高岭土10份，滑石10份，碳化硅1.2份。所用原料同实施例1。
一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其由含有珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石、发泡剂混磨烧结后制成。
实施例5的利用垃圾焚烧飞灰制备发泡陶瓷的方法为：
将原料按实施例5所述比例分别称量，大块原料需要破碎，混合球磨至200目以下，采用电炉进行烧结工艺，将配合料放入磨具中，进行二次发泡烧结。
一次发泡温度一般控制在825℃左右，二次发泡温度一般控制在1200℃左右。控制两次发泡的温度和时间可使制品最终的发泡高度和孔尺寸最佳，这对于抗压强度和重金属固化效果有非常重要的影响。烧结温度曲线为：
室温～300℃40分钟，300℃～600℃40分钟，600℃～825℃30分钟，825℃保持60分钟，825℃～1050℃30分钟，1050℃～1200℃30分钟，1200℃保持90分钟，1200℃～900℃15分钟，900℃～室温为炉冷。
实施例6
本实施例的一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其主要由以下成分按质量份数组成：珍珠岩尾矿50份，黄金尾矿35份，垃圾焚烧飞灰15份，膨润土15份，碳化硅1.2份。所用原料同实施例1。
一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷，其由含有珍珠岩尾矿、黄金尾矿、垃圾焚烧飞灰、膨润土、高岭土、滑石、发泡剂混磨烧结后制成。
实施例6的利用垃圾焚烧飞灰制备发泡陶瓷的方法为：
将原料按实施例6所述比例分别称量，大块原料需要破碎，混合球磨至200目以下，采用电炉进行烧结工艺，将配合料放入磨具中，进行二次发泡烧结。
一次发泡温度一般控制在825℃左右，二次发泡温度一般控制在1200℃左右。控制两次发泡的温度和时间可使制品最终的发泡高度和孔尺寸最佳，这对于抗压强度和重金属固化效果有非常重要的影响。烧结温度曲线为：
室温～300℃40分钟，300℃～600℃40分钟，600℃～825℃30分钟，825℃保持60分钟，825℃～1050℃30分钟，1050℃～1200℃40分钟，1200℃保持150分钟，1200℃～900℃15分钟，900℃～室温为炉冷。
以上所有实施例制得陶瓷的性能如下表2。
表2各实施例的对比
Figure BDA0002250392260000091
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种利用垃圾焚烧飞灰制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述发泡陶瓷主要由以下成分制成：
按重量份计，珍珠岩尾矿 15-50份，黄金尾矿 5-35 份，垃圾焚烧飞灰 3-15份，膨润土5-15 份，高岭土5-10份，滑石5-10份，发泡剂0.3-1.2份；
所述发泡剂为碳化硅；
其制备方法为：按照配方，将所有原料混合进行研磨至粒径为200目以下，然后高温焙烧、降温退火，得到所述发泡陶瓷；
所述焙烧为两次发泡过程，过程中的升温速率为5~10℃/min；第一次发泡温度在750~900℃，保温1~2小时，第二次发泡温度在1100~1250℃，保温1~3小时；所述降温退火的过程为：在15min之内降温至900℃，然后自然冷却。
2.根据权利要求1所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述珍珠岩尾矿主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 70-75份，Al2O3 10-14份，K2O 2-6份，MgO 0-1 份，Na2O 1-4份，Fe2O3 0-1份、CaO 0-1份。
3.根据权利要求1所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述黄金尾矿主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 75-80份，Al2O3 9-13份，K2O 2-6份，MgO 0-1 份，Na2O 0-1份，Fe2O3 1-4份、CaO 1-3份。
4.根据权利要求1所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述垃圾焚烧飞灰主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 32-42份，Cl 15-28份，SiO2 2-6份，Al2O3 1-4份，K2O 3-7份，MgO 3-7 份，Na2O 3-7份，Fe2O3 1-3份，SO3 6-10份。
5.根据权利要求1所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述膨润土主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 68-72份，Al2O3 13-17份，K2O 1-4份，MgO 1-3 份，Na2O 0-1份，Fe2O3 1-3份、CaO 1-3份。
6.根据权利要求1所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述高岭土主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 68-72份，Al2O3 13-17份，K2O 2-6份，MgO 0-1 份，Na2O 0-1份，Fe2O3 1-3份、CaO 0-1份。
7.根据权利要求1所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述滑石主要由以下成分组成：按重量份计，SiO2 15-20份，MgO 35-45份，Al2O3 0-1份，K2O 0-1份， Na2O 0-1份，Fe2O30-1份、CaO 0-1份。
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