CN112279677A - 高掺量市政污泥发泡陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高掺量市政污泥发泡陶瓷及其制备方法，高掺量市政污泥发泡陶瓷包括主料和发泡剂；按照质量百分比，所述主料包括市政污泥50～80%、黏土5～20%、钾长石10～25%和烧滑石3～5%，且所述发泡剂的添加量是所述主料总量的0.1～0.5%。本技术方案提出的一种高掺量市政污泥发泡陶瓷，通过对发泡陶瓷配方进行改进和优化，有利于降低市政污泥的使用标准，且能有效提高市政污泥的利用率。进而提出的一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，在确保发泡陶瓷满足生产需求的前提下，有利于简化制备步骤和提高制备方法的操作性。
Description
技术领域
本发明涉及污泥资源化再生利用技术领域，尤其涉及一种高掺量市政污泥发泡陶瓷及其制备方法。
背景技术
市政污泥是市政污水处理过程产生的副产物，随着我国经济的快速增长和城镇化进程的不断推进，市政污泥的产量逐年递增。目前，市政污泥的资源化利用水平较低，其处理手段主要包括焚烧、卫生填埋、农业堆肥、消化制沼气等，焚烧和卫生填埋对空气和土壤均带来不同程度的二次污染，难以真正实现市政污泥的无公害、无污染和资源化利用。
发泡陶瓷是一种形似泡沫的多孔材料，其孔径从纳米级到微米级不等，气孔率在20-95％之间，种类可分为开孔发泡陶瓷材料及闭孔发泡陶瓷材料。由于其结构中分布着大量微孔和孔洞，表现出密度低、比表面积大、热传导率低、隔音降噪性能优良等特点，将发泡陶瓷作为新型建筑材料时，具有明显保温隔热、吸声减震的功能，缓解城市热岛效应，降低能耗。
目前，以工业固体废渣或建筑废渣为原料生产发泡陶瓷的案例屡见不鲜，但以污泥为原料生产发泡陶瓷的案例却极少。这是由于污泥含水量高、强度低、发泡困难，作为发泡陶瓷生产原料时，易出现陶瓷断裂、松散、发泡不均匀、孔隙率低等现象。
一些发泡陶瓷的生产企业为解决市政污泥作为发泡陶瓷生产原料带来的问题时，一般有以下两种做法：第一，将污泥与其他固体废渣共同作为发泡陶瓷的生产原料，利用降低污泥添加量的方法来避免其对发泡陶瓷性能所带来的影响；第二，将污泥进行预处理，从而避免其原料因含水量高、强度低、发泡困难的问题对发泡陶瓷性能所带来的影响。但以上做法同样会带来一系列的生产问题，例如污泥的利用率得不到有效提高、污泥的预处理过程复杂而导致操作性不强、污泥的预先处理对设备要求高而容易造成能源损耗、产品合格率低等。因此，一套步骤简单、操作性强，有利于提高市政污泥的利用率的发泡陶瓷制备工艺具有较高的市场价值和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高掺量市政污泥发泡陶瓷，通过对发泡陶瓷配方进行改进和优化，有利于降低市政污泥的使用标准，且能有效提高市政污泥的利用率，以克服现有技术中的不足之处。
本发明的另一个目的在于提出一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，在确保发泡陶瓷满足生产需求的前提下，有利于简化制备步骤和提高制备方法的操作性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
高掺量市政污泥发泡陶瓷，包括主料和发泡剂，按照质量百分比，所述主料包括市政污泥50～80%、黏土5～20%、钾长石10～25%和烧滑石3～5%，且所述发泡剂的添加量是所述主料总量的0.1～0.5%。
优选的，按照质量百分比，所述主料包括市政污泥50～80%、黏土5～20%、铝矾土0.1～10%、钾长石10～25%、烧滑石3～5%和高温砂0.1～25%。
优选的，所述市政污泥的细度≤40目，且所述市政污泥的含水率≤40%。
优选的，所述钾长石、所述高温砂和所述烧滑石的细度均≤200目。
优选的，所述发泡剂为碳化硅。
优选的，所述碳化硅的细度≤800目。
优选的，所述黏土的塑性指数＞7。
高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，用于制备上述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，包括以下步骤：
（1）将市政污泥破碎后过筛；
（2）按配比称取破碎过筛后的市政污泥、黏土、铝矾土、钾长石、烧滑石、发泡剂和高温砂进行混合，得到混合料；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料；
（4）将粉料定型后进行烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
优选的，步骤（3）中，按照质量百分比，所述水的添加量是所述混合料总量的15～20%。
优选的，步骤（4）中，所述高掺量市政污泥发泡陶瓷的烧制曲线为：
从常温升温至600℃，升温时间为60～120min；
从600℃升温至900℃，升温时间为120～240min；
从900℃升温至1000℃，升温时间为120～240min；
从1000℃升温至1120～1200℃，升温时间为60～240min；
从1120～1200℃降温至650℃，降温时间为120～180min；
从650℃降至室温，降温时间为420～600min。
本发明的有益效果：
1、本技术方案通过对发泡陶瓷的配方进行改进和优化，有利于降低市政污泥的使用标准，免去现有利用污泥制备发泡陶瓷过程中复杂的预处理过程，且能有效扩大市政污泥的可利用范围，提高市政污泥的利用率，使其添加量高达50～80%；
2、本技术方案提出的高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，在确保发泡陶瓷满足生产需求的前提下，有利于简化制备步骤和提高制备方法的操作性，能有效降低发泡陶瓷的生产能耗，从而实现环保。
具体实施方式
目前，以工业固体废渣或建筑废渣为原料生产发泡陶瓷的案例屡见不鲜，但以污泥为原料生产发泡陶瓷的案例却极少。这是由于污泥含水量高、强度低、发泡困难，作为发泡陶瓷生产原料时，易出现陶瓷断裂、松散、发泡不均匀、孔隙率低等现象。
虽然，一些发泡陶瓷的生产企业为解决污泥作为发泡陶瓷生产原料带来的问题而提出了一些制备方法，但由于这些制备方法中，容易引入新的问题，例如污泥的利用率得不到有效提高、污泥的预处理过程复杂而导致操作性不强、污泥的预先处理对设备要求高而容易造成能源损耗、产品合格率低等。
为此，本技术方案提出了一种高掺量市政污泥发泡陶瓷，通过对发泡陶瓷的配方进行改进和优化，有利于降低市政污泥的使用标准，免去现有利用污泥制备发泡陶瓷过程中复杂的预处理过程，且能有效扩大市政污泥的可利用范围，提高市政污泥的利用率，使其添加量高达50～80%。
具体地，高掺量市政污泥发泡陶瓷包括主料和发泡剂，其中，按照质量百分比，所述主料包括市政污泥50～80%、黏土5～20%、钾长石10～25%和烧滑石3～5%；且所述发泡剂的添加量是所述主料总量的0.1～0.5%。
进一步地，本技术方案中的市政污泥指的是市政污泥脱水处理后剩下的干燥污泥，其本身的硅、铝含量偏低，Al2O3含量和SiO2含量均低于15%，且该污泥的含水率一般为20～60%。黏土指的是具有粘性的泥料，本技术方案将黏土添加至高掺量市政污泥发泡陶瓷的配方中，有利于利用泥料的粘性来增强粉料的颗粒强度，从而可以在发泡陶瓷的制备过程中保证各原料成颗粒而不散开，有利于后续定型过程的顺利进行。
钾长石和烧滑石在本技术方案的高掺量市政污泥发泡陶瓷配方中起到助熔作用。具体地，钾长石的烧成范围宽，能有效对发泡陶瓷的发泡温度起到调节作用，防止发泡陶瓷的坯体过烧变形。烧滑石的使用能有效避免在发泡陶瓷配方结构中混入有机物和杂质，更好地稳定配方结构。
现有技术中，一些发泡陶瓷的生产厂家会采用重钙和镁质土作为熔剂添加至发泡陶瓷的配方结构中。具体地，镁质土是含有氧化镁和二氧化硅的黏土，其一般作为釉料熔剂添加至釉料配方中，可改善釉浆的悬浮性能，而非坯体配方。进一步地，由于镁质土的矿物成分中含有滑石成分，若本技术方案将镁质土作为熔剂添加至发泡陶瓷配方中，会增加配方中滑石的含量，不利于稳定配方结构。
更具体地，重钙在高温下极易分解，在温度达到530℃就会产生二氧化碳，且在温度达到900℃时，分解反应比较剧烈。所以，一般的发泡陶瓷配方中会避免加入含钙物质，因为含钙物质的引入容易导致发泡过度，发泡不稳定，不利于控制孔径大小。
更进一步地，由于本技术方案通过对发泡陶瓷的配方进行改进和优化，因此，本技术方案中所使用的发泡剂仅仅需要主料的0.1～0.5%，即可使制备后发泡陶瓷的发泡效果满足生产需求，有利于降低发泡陶瓷的生产成本。
更进一步说明，按照质量百分比，所述主料包括市政污泥50～80%、黏土5～20%、铝矾土0.1～10%、钾长石10～25%、烧滑石3～5%和高温砂0.1～25%。
由于污泥燃烧具有一定的热值，并且本技术方案使用的市政污泥本身的硅、铝含量偏低，其Al2O3含量和SiO2含量均低于15%，容易造成发泡陶瓷坯体过烧变形。因此，本技术方案在配方中添加铝矾土来引入铝元素，从而有利于调节发泡陶瓷的发泡温度，以及增强发泡陶瓷成品的坯体强度。
需要说明的是，本技术方案中的铝矾土可以是煅烧铝矾土或原矿铝矾土中的任意一种，作为本技术方案的一个优选实施例，本技术方案中的铝矾土为325目煅烧铝矾土。
在本技术方案的一个实施例中，高掺量市政污泥发泡陶瓷的主料还包括10～25%的高温砂，高温砂是一种硅含量为68～75wt%、铝含量为16～22wt%、钾含量和钠含量均低于2wt%的生产原料的俗称。本技术方案在配方中引入高温砂，一方面可以利用该原料的熔融温度较高，将其添加至高掺量市政污泥发泡陶瓷的原料配方中，有利于提高坯体的始融温度；另一方面可以提升配方体系中铝元素和硅元素的含量，从而避免因污泥本身的硅、铝含量偏低引入发泡陶瓷坯体过烧变形。
更进一步说明，所述市政污泥的细度≤40目，且所述市政污泥的含水率≤40%。
一些泡沫陶瓷的生产企业为解决市政污泥作为泡沫陶瓷生产原料的制备方法中，一般需要将污泥进行预处理，从而避免其原料因含水量高、强度低、发泡困难的问题对泡沫陶瓷性能所带来的影响。但由于本技术方案中对发泡陶瓷的配方进行了改进和优化，调整了配方结构，使得制备方法可直接利用市政污泥进行发泡陶瓷的制备，免去了污泥的前期处理过程。
进一步地，在对本技术方案制备的高掺量市政污泥发泡陶瓷的相关性能进行优化时，本技术方案进一步将使用的市政污泥的细度限定为≤40目，且其含水率限定为≤40%，从而更有利于确保制备后发泡陶瓷的性能优越。
更进一步说明，所述钾长石、所述高温砂和所述烧滑石的细度均≤200目。
在本技术方案的一个实施例中，本技术方案进一步对钾长石、高温砂和烧滑石的细度共同进行精确控制，他们彼此之间产生协同效应，在确保市政污泥高掺量参与发泡陶瓷制备的前提下，有利于提升制备后发泡陶瓷的综合性能。
更进一步说明，所述发泡剂为碳化硅。
更进一步说明，所述碳化硅的细度≤800目。
在本技术方案的一个实施例中，采用了细度≤800目的碳化硅粉作为发泡剂，有利于确保碳化硅粉在原料配方中的混合均匀和发泡充分，从而保证高掺量市政污泥发泡陶瓷的发泡孔径具有较好的均匀度。
更进一步说明，所述黏土的塑性指数＞7。
由于泥料的粘性能有效增强粉料的颗粒强度，从而可以在发泡陶瓷的制备过程中保证各原料成颗粒而不散开，有利于后续定型过程的顺利进行，因此，本技术方案进一步采用塑性指数＞7的黏土，有利于进一步增强粉料的颗粒强度。
优选的，所述黏土可以为球土等。
高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，用于制备上述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，包括以下步骤：
（1）将市政污泥破碎后过筛；
（2）按配比称取破碎过筛后的市政污泥、黏土、铝矾土、钾长石、烧滑石、发泡剂和高温砂进行混合，得到混合料；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料；
（4）将粉料定型后进行烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
本发明还提出了一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，在确保发泡陶瓷满足生产需求的前提下，有利于简化制备步骤和提高制备方法的操作性，能有效降低发泡陶瓷的生产能耗，从而实现环保。
需要说明的是，在本技术方案的步骤（4）中，粉料的定型可以通过机械干压成型，也可经过散装匣钵装料定型。散装匣钵的定型方法可以不受成型设备的限制，大小厚度调节灵活。机械干压成型可对坯体的外形通过压机模具定型，定型工艺方便快捷，便于操作。
更进一步说明，步骤（3）中，按照质量百分比，所述水的添加量是所述混合料总量的15～20%。
在本技术方案的一个实施例中，将水的添加量限定为混合料总量的15～20%。这是由于市政污泥含有一定的油性物质，当水添加量过少时，颗粒之间不容易粘结，后期难以定型；当水添加量过多时，粉料逐渐成粘稠状，导致造粒困难。
更进一步说明，步骤（4）中，所述高掺量市政污泥发泡陶瓷的烧制曲线为：
从常温升温至600℃，升温时间为60～120min；
从600℃升温至900℃，升温时间为120～240min；
从900℃升温至1000℃，升温时间为120～240min；
从1000℃升温至1120～1200℃，升温时间为60～240min；
从1120～1200℃降温至650℃，降温时间为120～180min；
从650℃降至室温，降温时间为420～600min。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1-一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法
（1）将含水率为40%的市政污泥破碎后过40目筛；
（2）称取破碎过筛后的市政污泥80%、球土5%、钾长石10%和烧滑石5%进行混合，再加入主料总量0.3%的碳化硅进行混合得到混合料；其中，钾长石和烧滑石的细度为200目，碳化硅的细度为800目；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料，其中，水的添加量是混合料总量的15%；
（4）将粉料放入匣钵后，放入窑炉中烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
实施例2-一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法
（1）将含水率为40%的市政污泥破碎后过40目筛；
（2）称取破碎过筛后的市政污泥70%、球土10%、铝矾土5%、钾长石10%和烧滑石5%进行混合，再加入主料总量0.5%的碳化硅进行混合得到混合料；其中，钾长石和烧滑石的细度为200目，碳化硅的细度为800目；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料，其中，水的添加量是混合料总量的15%；
（4）将粉料放入匣钵后，放入窑炉中烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
实施例3-一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法
（1）将含水率为40%的市政污泥破碎后过40目筛；
（2）称取破碎过筛后的市政污泥60%、球土10%、钾长石25%和烧滑石5%进行混合，再加入主料总量0.5%的碳化硅进行混合得到混合料；其中，钾长石、烧滑石的细度为200目，碳化硅的细度为800目；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料，其中，水的添加量是混合料总量的15%；
（4）将粉料放入匣钵后，放入窑炉中烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
实施例4-一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法
（1）将含水率为40%的市政污泥破碎后过40目筛；
（2）称取破碎过筛后的市政污泥50%、球土20%、钾长石25%和烧滑石5%进行混合，再加入主料总量0.2%的碳化硅进行混合得到混合料；其中，钾长石和烧滑石的细度为200目，碳化硅的细度为800目；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料，其中，水的添加量是混合料总量的15%；
（4）将粉料放入匣钵后，放入窑炉中烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
实施例5-一种高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法
（1）将含水率为40%的市政污泥破碎后过40目筛；
（2）称取破碎过筛后的市政污泥60%、球土10%、钾长石20%、烧滑石5%和高温砂5%进行混合，再加入主料总量0.3%的碳化硅进行混合得到混合料；其中，钾长石、高温砂和烧滑石的细度为200目，碳化硅的细度为800目；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料，其中，水的添加量是混合料总量的15%；
（4）将粉料放入压机干压成型后，放入窑炉中烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
按照上述实施例的制备方法制备发泡陶瓷，并按照T/CBCSA 12-2019《发泡陶瓷隔墙板》团体标准和GB/T 33500-2017《外墙外保温泡沫陶瓷》国家标准对获得的发泡陶瓷进行密度、吸水率和抗压强度检测，其结果如下表1：
表1 不同发泡陶瓷的对比性能测试结果
由实施例1～5的性能测试结果可以看出，本技术方案通过对发泡陶瓷配方进行改进和优化，有利于降低市政污泥的使用标准，利用本技术方案制备的发泡陶瓷的孔径均匀细腻，密度大且吸水率小，其抗压强度至少可达到1.0MPa。
结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.高掺量市政污泥发泡陶瓷，其特征在于：包括主料和发泡剂；
按照质量百分比，所述主料包括市政污泥50～80%、黏土5～20%、钾长石10～25%和烧滑石3～5%，所述发泡剂的添加量是所述主料总量的0.1～0.5%；
且按照质量百分比，所述市政污泥的Al2O3含量＜15%,所述市政污泥的SiO2含量＜15%。
2.根据权利要求1所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，其特征在于：按照质量百分比，所述主料包括市政污泥50～80%、黏土5～20%、铝矾土0.1～10%、钾长石10～25%、烧滑石3～5%和高温砂0.1～25%。
3.根据权利要求2所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，其特征在于：所述市政污泥的细度≤40目，且所述市政污泥的含水率≤40%。
4.根据权利要求2所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，其特征在于：所述钾长石、所述高温砂和所述烧滑石的细度均≤200目。
5.根据权利要求2所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，其特征在于：所述发泡剂为碳化硅。
6.根据权利要求5所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，其特征在于：所述碳化硅的细度≤800目。
7.根据权利要求2所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，其特征在于：所述黏土的塑性指数＞7。
8.高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求2～7任意一项所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷，包括以下步骤：
（1）将市政污泥破碎后过筛；
（2）按配比称取破碎过筛后的市政污泥、黏土、铝矾土、钾长石、烧滑石、发泡剂和高温砂进行混合，得到混合料；
（3）将混合料加水混合造粒，过筛后得到粉料；
（4）将粉料定型后进行烧制，得到高掺量市政污泥发泡陶瓷。
9.根据权利要求8所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，按照质量百分比，所述水的添加量是所述混合料总量的15～20%。
10.根据权利要求8所述的高掺量市政污泥发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述高掺量市政污泥发泡陶瓷的烧制曲线为：
从常温升温至600℃，升温时间为60～120min；
从600℃升温至900℃，升温时间为120～240min；
从900℃升温至1000℃，升温时间为120～240min；
从1000℃升温至1120～1200℃，升温时间为60～240min；
从1120～1200℃降温至650℃，降温时间为120～180min；
从650℃降至室温，降温时间为420～600min。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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