CN112028660B - 用于制备超轻陶粒的组合物、陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于制备超轻陶粒的组合物，按重量份计，包括页岩60‑100份，粉煤灰0‑40份，铁矾渣2‑20份；以页岩、粉煤灰、铁矾渣的总重量为基准，还添加有0.2‑2％的碳化硅。各组分搭配，实现页岩、铁矾渣等废弃资源的有效利用，减少固废排放，并可获得堆积密度400kg/m3以下，同时具有较低吸水率的超轻陶粒，其原料成本低，产品附加值高，实现了废弃物的高值化利用。还公开了以该组合物为原料制备的陶粒及该陶粒的制备方法。

Description

用于制备超轻陶粒的组合物、陶粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，尤其涉及用于制备超轻陶粒的组合物、以该组合物为原料制备的陶粒，及该陶粒的制备方法。
背景技术
陶粒是一种可以通过烧结而形成的一种陶制的颗粒，外观大多数呈现球状和椭球状，表面是一层坚硬的陶质或釉质，具有隔水保气作用，并且还有一定的强度，在水处理、建材等领域得到广泛应用。
超轻陶粒一般指堆积密度300～500kg/m3的陶粒。这种陶粒一般用于保温隔热混凝土及其制品。以超轻陶粒为轻骨料代替砂石加入混凝土中，制得轻质混凝土，其具有无毒、无味、抗压耐磨、耐腐蚀，并具有良好的吸附性能和强度，适用于各类水质的净化处理；还用于花卉盆景无土栽培，具有材质轻、抗压、保温、防冻、防震、无辐射等优点。
现有陶粒在制备过程中通常需要使用大量粘土等原材料作为骨料，资源消耗量较大；所得陶粒的堆积密度通常在400kg/m3以上，很难获得更低堆积密度的超轻陶粒，也很难兼顾低堆积密度和低吸水率。
铁矾渣是锂电池行业常见的一种固体废弃物。由于锂电池行业发展迅速，锂电行业所产生的废弃物以及废旧的锂电池不能得到很好的处理，由此就会带来十分严重的环境问题。针对湿法即化学浸出法对锂电池正极材料中的有价金属的Li、Co等元素的回收过程中，有大量的三价铁离子，为使回收金属过程中减少铁离子的干扰，常使用黄铁矾法对三价铁离子进行沉淀去除，该方法与传统产生氢氧化铁沉淀的方式相比，有渣粒粗、便于过滤等显著的优势。但铁矾渣对环境的污染有潜在性和长期性，一旦造成严重后果，会给环境造成巨大影响，常见的处置方法有填埋法等，综合利用率较差。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一，提供一种用于制备超轻陶粒的组合物，可实现页岩、铁矾渣等废弃资源的有效利用，减少固废排放，降低生产成本，并获得堆积密度400kg/m3以下，同时具有较低吸水率的超轻陶粒。
根据本发明第一方面的实施例，提供一种用于制备超轻陶粒的组合物，以页岩、铁矾渣等为主要原料，具体实施方式如下：
用于制备超轻陶粒的组合物，按重量份计，包括以下组分：页岩60-100份，粉煤灰0-40份，铁矾渣2-20份；以页岩、粉煤灰、铁矾渣的总重量为基准，还添加有0.2-2％的碳化硅。
在部分实施例中，所述碳化硅选用含铝碳化硅废料，所述含铝碳化硅废料中的碳化硅含量为页岩、粉煤灰、铁矾渣总重量的0.2-2％。所述含铝碳化硅废料，示例为陶瓷研磨过程产生的碳化硅废料。
在部分实施例中，各组分的粒度不粗于100目。
根据本发明第二方面的实施例，提供一种以上述的组合物为原料制备的陶粒。
根据本发明第三方面的实施例，提供上述的陶粒的制备方法，包括以下步骤：
将各组分制成粉料，混合均匀，在混合后的粉料中加入适量水进行造球，制成球坯；
对所得球坯进行干燥，再进行预热，再进行高温烧制，冷却后得到陶粒。
在部分实施例中，将各组分制成粉料的方法为：将各组分破碎后，进行烘干，球磨，过筛。筛分后粉料的粒度示例为不粗于100目。
在部分实施例中，对粉料进行混合的方法为球磨。
在部分实施例中，球坯的制备方法为：在混合后的粉料中加入适量水挤压成团，将球团放入成条器挤出成条，再用压球板将挤出的条压成球坯。示例的，球坯的直径为8-12mm。
在部分实施例中，球坯的干燥方式为烘干。
在部分实施例中，预热的温度为300-600℃。
在部分实施例中，预热的时间为20-40min。
在部分实施例中，高温烧制的温度为900-1250℃。
在部分实施例中，高温烧制的时间为3-10min。
本发明的上述实施例至少具有如下有益效果：
通过组分的有效组合，可充分利用铁矾渣高温烧结过程的自发成孔性能以及碳化硅的造孔特性，实现超轻陶粒产品的有效制备。结果表明，陶粒表面光滑，完整，堆积密度低于400kg/m3，并具有较低吸水率。
各组分搭配，实现废弃页岩、铁矾渣等废弃资源的有效利用，减少固废排放，有效解决工业固体废弃物的环境污染问题。其原料成本低，产品附加值高，实现了废弃物的高值化利用。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细说明。此处所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，不能理解为对本申请保护范围的限制。
本发明实施例提供的用于制备超轻陶粒的组合物，按重量份计，包括以下组分：页岩60-100份，粉煤灰0-40份，铁矾渣2-20份；以页岩、粉煤灰、铁矾渣的总重量为基准，还添加有0.2-2％的碳化硅。
示例的，页岩60-100份，例如可为60份、65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份或100份等。
铁矾渣2-20份，例如可为2份、5份、10份、15份，20份等。
粉煤灰0-40份，例如可为0份、5份、10份、15份、20份、25份、30份、35份、40份等。
以页岩、粉煤灰、铁矾渣的总重量为基准，碳化硅含量为0.2-2％，例如可为0.2％、0.5％、0.7％、1％、1.5％、2％等。
各组分配合，可充分利用铁矾渣高温烧结过程的自发成孔性能以及碳化硅的造孔特性，实现堆积密度低于400kg/m3，同时具有较低吸水率的有益效果。本方案主要原料为页岩、铁矾渣等废弃资源，能实现废弃资源的有效利用，减少固废排放，有效解决了工业固体废弃物的环境污染问题，同时原料成本低，产品附加值高，充分实现了废弃物的高值化利用。
铁矾渣的主要成分是黄钠铁矾，由于黄钠铁矾在高温下分解，产生一定量的气体，对陶粒的造孔有一定的好处，并且分解含有一定钠盐，利于降低陶粒烧结膨胀温度。本实施例采用铁矾渣与页岩、碳化硅搭配，实现了超轻陶粒产品的有效制备，解决了铁矾渣处置难度大的问题。
铁矾渣、页岩的资源化利用，可以充分利用矿产资源，减少固体废物的掩埋堆积，节省大量的资金和土地资源，实现环境效益和经济效益的有效结合和统一。
进一步，可添加适量的粉煤灰，实现粉煤灰的资源化利用。
伴随着我国煤电行业的发展，粉煤灰的产量逐年快速增加，粉煤灰大量的堆积对环境也造成一定的损害，因此粉煤灰的利用也成为了一个亟待解决的环保资源综合利用课题。粉煤灰主要的组成元素有Si、Al、Ca等，处理方式有作为掺合料加入水泥中减少水泥用量，也可作为烧制陶粒的主要成分。本配方中，加入一定量的粉煤灰同样可以获得具有上述优异特性的超轻陶粒，同时解决了粉煤灰的资源化利用问题。
为更充分利用固废资源，碳化硅可选用含铝碳化硅废料替代，控制含铝碳化硅废料中的碳化硅含量为页岩、粉煤灰、铁矾渣总重量的0.2-2％即可。例如，使用陶瓷研磨过程产生的碳化硅废料，其碳化硅的含量一般大于30％。
在实际应用中，各组分的粒度可控制在-100目。
本实施例还提供采用上述组合物制得的陶粒。
对陶粒的制备方法没有特别限定，可采用本领域公知的方法进行制备，工序上可使用间断的烧制工艺，或使用回转窑进行连续化烧制。
示例的制备方法如下：
将各组分制成粉料，混合均匀，在混合后的粉料中加入适量水进行造球，制成球坯；
对所得球坯进行干燥，再进行预热，再进行高温烧制，冷却后得到陶粒。
该方法制得的陶粒具有上述产品实施例的优异性能，同时工艺简单，适合推广使用。
将各组分制成粉料的方法示例为：将各组分破碎后，进行烘干，球磨，过筛。筛分后粉料的粒度示例为不粗于100目。
对粉料进行混合的方法示例为球磨。
球坯的直径示例为8-12mm。球坯的制备方法示例为：在混合后的粉料中加入适量水挤压成团，将球团放入成条器挤出成条，再用压球板将挤出的条压成球坯。成条器与压球板的直径相对应，例如为获得直径8mm、10mm或12mm的球坯，成条器与压球板规格相应为8mm、10mm或12mm。
球坯的干燥的方式优选为烘干，以提高干燥效率。
干燥后的球坯进行预热，预热的温度示例为300-600℃，例如可为300℃、400℃、500℃、600℃。以及可选的，预热的时间示例为20-40min，例如可为20min、25min、30min、35min、40min等。
预热后的球坯进行高温烧制，高温烧制的温度示例为900-1250℃，例如可为900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1250℃等。以及可选的，高温烧制的时间示例为3-10min，例如可为3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min或10min等。
下面仅以上述示例的制备方法为例，对本发明作进一步说明。其中，所用原料如下：
(1)页岩，为某地产页岩，其化学成分如表1所示。
表1页岩主要化学成分(wt％)
Figure BDA0002647483240000061
(2)铁矾渣，来自某锂电池回收企业，其化学成分如表2所示。
表2铁矾渣主要成分(wt％)
Figure BDA0002647483240000071
(3)粉煤灰，来自内蒙古中部某电厂，其化学成分如表3所示。
表3粉煤灰主要成分(wt％)
Figure BDA0002647483240000072
(4)含铝碳化硅废料，来自陶瓷行业固废为陶瓷抛光废渣，其化学成分如表4所示。
表4含铝碳化硅废料主要成分(wt％)
Figure BDA0002647483240000073
按照《GBT17431.2-2010轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》测试陶粒的堆积密度和吸水率。
实施例1
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料，质量比为185:15:2。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按185:15:2的质量比称取页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为10mm成条器挤出成条，利用10mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在500℃电炉内预热30min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1150℃的马弗炉中，烧制4min后，取出降温，制得陶粒。
本实施例所制陶粒的堆积密度为0.325g/cm3，吸水率为4.33％。
实施例2
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料，质量比为90:10:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按90:10:1的质量比称取页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为10mm成条器挤出成条，利用10mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在500℃电炉内预热30min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1150℃的马弗炉中，烧制4min后，取出降温，制得陶粒。
本实施例所制陶粒的堆积密度为0.334g/cm3，吸水率为1.83％。
实施例3
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料，质量比为85:15:2。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按85:15:2的质量比称取页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为10mm成条器挤出成条，利用10mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在500℃电炉内预热30min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1175℃的马弗炉中，烧制4min后，取出降温，制得陶粒。
本实施例所制陶粒的堆积密度为0.303g/cm3，吸水率为2.73％。
实施例4
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料，质量比为85:15:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按85:15:1的质量比称取页岩、铁矾渣和含铝碳化硅废料的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为8mm成条器挤出成条，利用8mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在600℃电炉内预热25min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1125℃的马弗炉中，烧制3min后，取出降温，制得陶粒。
本实施例所制陶粒的堆积密度为0.324g/cm3，吸水率为2.36％。
实施例5
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料，质量比为80:10:10:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按80:10:10:1的质量比称取页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为10mm成条器挤出成条，利用10mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在500℃电炉内预热30min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1150℃的马弗炉中，烧制5min后，取出降温，制得陶粒。
本实施例所制陶粒的堆积密度为0.312g/cm3，吸水率为2.56％。
实施例6
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料，质量比为70:20:10:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按70:20:10:1的质量比称取页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为12mm成条器挤出成条，利用12mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在500℃电炉内预热30min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1200℃的马弗炉中，烧制5min后，取出降温，制得陶粒。
本实施例所制陶粒的堆积密度为0.382g/cm3，吸水率为4.36％。
实施例7
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料，质量比为30:10:10:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按30:10:10:1的质量比称取页岩、铁矾渣、粉煤灰和含铝碳化硅废料的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为10mm成条器挤出成条，利用10mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在500℃电炉内预热30min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1200℃的马弗炉中，烧制5min后，取出降温，制得陶粒。
本实施例所制陶粒的堆积密度为0.355g/cm3，吸水率为4.26％。
对比例1
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、铁矾渣和粉煤灰，质量比为18:1:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、铁矾渣和粉煤灰在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按18:1:1的质量比称取页岩、铁矾渣和粉煤灰的粉料。
(3)混合：将称好的粉料放入球磨机，混合5min。
(4)成型：将混合后的物料加入适量水充分挤压成团，将球团放入出孔为10mm成条器挤出成条，利用10mm规格的压球板将挤出的条压成球坯。
(5)烘干：将所有的球坯放入105℃烘箱中烘干。
(6)预热：将烘干后的球坯拿出，放在500℃电炉内预热30min。
(7)烧制：将预热后的球坯立即放入温度1150℃的马弗炉中，烧制5min后，取出降温，制得陶粒。
本对比例所制陶粒的堆积密度为0.736g/cm3，吸水率为5.12％。
对比例2
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩、粉煤灰和含铝碳化硅废料，质量比为80:20:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩、粉煤灰和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按80:20:1的质量比称取页岩、粉煤灰和含铝碳化硅废料的粉料。
步骤(3)-(7)与对比例1相同。
本对比例所制陶粒的堆积密度为0.605g/cm3，吸水率为8.36％。
对比例3
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩和含铝碳化硅废料，质量比为100:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩和含铝碳化硅废料在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按100:1的质量比称取页岩和含铝碳化硅废料的粉料。
步骤(3)-(7)与对比例1相同。
本对比例所制陶粒的堆积密度为0.521g/cm3，吸水率为8.64％。
对比例4
用于制备超轻陶粒的组合物，其组分为页岩和铁矾渣，质量比为9:1。
陶粒的制备步骤如下：
(1)烘干磨细：将破碎后的页岩和铁矾渣在105℃烘箱中烘干至恒重，将烘干后的物料放入球磨机磨细，过100目筛，得到粉料。
(2)称量：按9:1的质量比称取页岩和铁矾渣的粉料。
步骤(3)-(7)与对比例1相同。
本对比例所制陶粒的堆积密度为0.715g/cm3，吸水率为6.87％。
各实施例和对比例的陶粒性能比较见表5。
表5陶粒性能对比
Figure BDA0002647483240000151

Claims (10)

1.用于制备超轻陶粒的组合物，其特征在于：
按重量份计，包括以下组分：页岩60-100份，粉煤灰0-40份，铁矾渣2-20份；
以页岩、粉煤灰、铁矾渣的总重量为基准，还添加有0.2-2％的碳化硅。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述碳化硅选用含铝碳化硅废料，所述含铝碳化硅废料中的碳化硅含量为页岩、粉煤灰、铁矾渣总重量的0.2-2％。
3.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，各组分的粒度均不粗于100目。
4.一种陶粒，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的组合物制成。
5.如 权利要求4所述的陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述组合物的各组分制成粉料，混合均匀，在混合后的粉料中加入适量的水进行造球，制成球坯；
对所得球坯进行干燥，再进行预热，再进行高温烧制，冷却后得到陶粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将各组分制成粉料的方法为：将各组分破碎后，进行烘干，球磨，过筛。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，球坯的制备方法为：在混合后的粉料中加入适量水挤压成团，将球团放入成条器挤出成条，再用压球板将挤出的条压成球坯。
8.根据权利要求5或7所述的制备方法，其特征在于，球坯的干燥方式为烘干。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，预热的温度为300-600℃；可选的，预热的时间为20-40min。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，高温烧制的温度为900-1250℃；可选的，高温烧制的时间为3-10min。
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