CN113105169A

CN113105169A - 一种以河道底泥为原材料的陶粒制备方法

Info

Publication number: CN113105169A
Application number: CN202110378245.8A
Authority: CN
Inventors: 陆胤; 许晓路; 赵永纲; 叶明立; 毛玉琴
Original assignee: Zhejiang Shuren University
Current assignee: Zhejiang Shuren University
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2021-07-13

Abstract

本发明提供了一种以河道底泥为原材料的陶粒制备方法，该方法通过向河道底泥中添加可被激发的固态粉体废弃物(如粉煤灰、矿渣和火山灰等)和强碱材料(如生石灰、氢氧化钠等)等物质制得余土，并进行多级造粒，再采用通过快硬、早强、低孔隙率的硫铝酸盐水泥基材料对多级造粒获得的陶粒表面进行裹壳，从而制得具有内部多孔、外壳结构致密的硫铝酸盐水泥裹壳陶粒，以降低免烧陶粒在有害金属迁移和臭气挥发方面的负面影响，同时提高单颗陶粒的抗压强度。本发明方法能耗低、无尾气污染，设备投入低，生产效率高，生产工艺易控制，具有良好的工业化前景。

Description

一种以河道底泥为原材料的陶粒制备方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种以河道底泥为原材料的陶粒制备方法。

背景技术

随着城市开发进程加大、人口密集度高，河流污染负荷重、缺乏清洁水源补给，致使水环境容量较小，导致过去十几年发生河流黑臭、生态退化等一系列流域水环境问题。在积极防控污染物进入河道的同时，由污染底泥造成的河道内源性污染也需重视。

河道底泥中沉积的大量有机质、氮磷营养盐和重金属，是产生黑臭水体的重要原因。水体中重金属污染物不易降解，经过转化后绝大部分进入底泥。由河道清淤疏浚所产生的大量底泥，以及高额的运输、处置费用，是开展黑臭水体整治的城市共同面临的重大难题。底泥的资源化利用形式，现有主要包含土地利用、填方材料、建筑材料和水处理材料，但重金属含量超标严重制约了底泥在土地及填方材料中的利用。已有的研究表明典型黑臭底泥的主要成分为弱碱性的大粒径无机砂质，重金属含量虽高但不易浸出。重金属固化处理后的底泥性质可能随着其所处的环境因素发生改变，使重金属等有害物质从固化体中再次释放到环境，给生态环境及人类健康带来巨大风险。同时，通用型重金属固化剂，如水泥等，添加量通常较大，成本较高。而粉煤灰、矿渣等工业废弃物在作为胶凝材料时同样具有重金属固化能力。因此，研究河道底泥理化特征及重金属固化稳定化机理，发展成熟可靠且成本低廉的底泥重金属固化稳定化技术路线，从而实现以废治废，是实现河道底泥资源化利用的重要途径。

由于河湖底泥中含有大量可构成陶粒主要成分的Al₂O₃和SiO₂，因此，利用河湖底泥制备陶粒，是其资源化利用、消纳的有效途径。目前，煅烧是陶粒制备的主要方式之一。很多实验结果表明，采用煅烧炭化工艺制备的陶粒具有强度高、孔隙率高、无有机物污染、重金属固化程度高、稳定性好等优点。但根据政府有关“划定高污染燃料禁燃区”的相关规定，煤制品等高污染燃料在很多一线城市内无法作为煅烧用燃料，煅烧方式在燃料来源、清洁能源成本方面存在一定限制。同时，烧制过程能源消耗大，废气排放量大，需复杂的尾气回收处理装置，提高了轻质陶粒的生产成本。与炭烧制陶法相比，以底泥为原材料，结合底泥重金属固化/稳定化方法，采用免烧方法制备陶粒，具有很大的发展潜力。因此，开发一种以免烧法为基本制备方法、以河道底泥为原材料的底泥陶粒制备技术，并优化不同路径下的制备工艺，是快速消纳河道黑臭底泥，实现河道底泥制备陶粒技术推广的重要基础。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以河道底泥为原材料的陶粒制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。底泥陶粒通过以下方法制备得到：

(1)余土制备。向河道底泥中添加可被激发的固态粉体废弃物和强碱材料等物质，底泥、固态粉体废弃物和强碱材料的质量份配比为90～100份:10～30份:1～2份。反应10～30min后，用板框压滤机进行压滤脱水，使其含水率将至40％以下，形成泥饼(余土)。

(2)余土多级造粒。按上述方案，将余土在粉碎搅拌机中充分粉碎、搅拌，用粉碎机粉碎至100目，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。随后以1～2份水玻璃溶液作为粘接剂，以15～20份初级底泥颗粒为原料，分段加入，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。

(3)底泥颗粒的抛丸裹壳。按上述方案，以15～20份二级底泥颗粒为芯材，选取质量份配比为5～10份的硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对多级造粒后的底泥颗粒置于抛丸机中进行包裹，制得免烧裹壳陶粒。所述硫铝酸盐材料强度等级为42.5，比表面积为350～370m²/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，7天自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％。

(4)养护。将步骤(3)得到的免烧裹壳陶粒进行自然养护，为避免免烧陶粒在养护过程中水分蒸发过快而影响胶凝材料水化硬化，因此陶粒在养护过程中需对其表面进行覆膜，，设定养护时间7天。

(5)干化：将步骤(4)得到的底泥陶粒进行干化，避免阳光直射。干化结束后，得到免烧裹壳陶粒成品。

进一步地，所述可被激发的固态粉体废弃物为粉煤灰、矿渣和火山灰等；强碱材料为生石灰、氢氧化钠等。

进一步地，所述水玻璃溶液的质量分数为35％-45％。

进一步地，所述步骤3中，在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液至粒面完全润湿，

使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层。

进一步地，所述步骤4中，养护过程中每间隔12h进行洒水，保持相对湿度≥90％。

进一步地，所述步骤5中，采用20±3℃自然干化。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)我国制备陶粒采用的生产原料大多是利用不可再生的自然、天然资源，包括粘土、页岩、石粉等等，而这些自然资源数量有限，难以再生。利用废弃物如河道底泥，可以对清淤污染底泥妥善处置消纳，进行资源化利用，拓展其消纳出路，既达成生态效益又实现经济效益，具有十分重要的实际意义和研究价值。

(2)本发明提出的免烧法底泥陶粒制备路径，免烧裹壳制陶能耗低、无尾气污染，设备投入低，生产效率高，生产工艺易控制。

(3)通过快硬、早强、低孔隙率的硫铝酸盐水泥基材料对陶粒表面进行表面包覆，制备一系列具有内部多孔、外壳结构致密的硫铝酸盐水泥裹壳陶粒，以降低免烧陶粒在有害金属迁移和臭气挥发方面的负面影响，同时提高单颗陶粒的抗压强度。

附图说明

图1为河道底泥陶粒模式图；

图2为河道底泥陶粒实物图；

图3为河道底泥矿物成分的XRD衍射图谱；

图4为河道底泥陶粒粒径分析曲线；

图5为通过EDS测试的陶粒界面过渡区Ca元素分布变化曲线，其中，Ca(A)表示为陶粒内部Ca分布，Ca(B)为未裹壳二级底泥颗粒之间的Ca分布。

具体实施方式

本发明结合附图和实施例作进一步的说明。下述实例用以进一步说明本发明，但并不由此限制本发明范围。

实施例1：河道底泥陶粒的制备1

取河道底泥10.00kg，添加粉煤灰3.00kg、生石灰0.20kg，搅拌30min后，用板框压滤机进行压滤脱水，当其含水率将至40％以下后，将余土在粉碎搅拌机中充分粉碎、搅拌，用粉碎机粉碎至100目，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。以2kg初级底泥颗粒为原料，随后加入0.20kg水玻璃溶液(质量百分比为45％)作为粘接剂，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。而后，以2kg二级底泥颗粒为芯材，取0.60kg硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对多级造粒后的底泥颗粒置于抛丸机中进行包裹；并在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液(质量百分比为45％)至粒面完全润湿，使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层，制得免烧裹壳陶粒。所述硫铝酸盐材料强度等级为42.50，比表面积为370m²/kg，初凝时间为38min，终凝时间为200min，7天自由膨胀率为0.07％，标准稠度为30％。而后对底泥陶粒表面进行覆膜，并间隔12h进行洒水。养护7天后，23℃自然干化，避免阳光直射，最终获得免烧裹壳陶粒成品，如图1-2所示。

实施例2：河道底泥陶粒的制备2

取河道底泥3.00kg，添加矿渣0.35kg、氢氧化钠0.05kg，搅拌10min后，用板框压滤机进行压滤脱水，当其含水率将至40％以下后，将余土在粉碎搅拌机中充分粉碎、搅拌，用粉碎机粉碎至100目，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。以0.5kg初级底泥颗粒为原料，随后加入0.05kg水玻璃溶液(质量百分比为35％)作为粘接剂，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。而后，以0.25kg二级底泥颗粒为芯材，取0.15kg硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对多级造粒后的底泥颗粒置于抛丸机中进行包裹；并在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液(质量百分比为35％)至粒面完全润湿，使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层，制得免烧裹壳陶粒。所述硫铝酸盐材料强度等级为42.50，比表面积为350m²/kg，初凝时间为28min，终凝时间为180min，7天自由膨胀率为0.02％，标准稠度为25％。而后对底泥陶粒表面进行覆膜，并间隔12h进行洒水。养护7天后，17℃自然干化，避免阳光直射，最终获得免烧裹壳陶粒成品。

实施例3：河道底泥陶粒的制备3

取河道底泥5.00kg，添加火山灰1.00kg、生石灰0.10kg，搅拌15min后，用板框压滤机进行压滤脱水，当其含水率将至40％以下后，将余土在粉碎搅拌机中充分粉碎、搅拌，用粉碎机粉碎至100目，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。以1.5kg初级底泥颗粒为原料，随后加入0.10kg水玻璃溶液(质量百分比为40％)作为粘接剂，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。而后，以1kg二级底泥颗粒为芯材，取0.25kg硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对多级造粒后的底泥颗粒置于抛丸机中进行包裹；并在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液(质量百分比为40％)至粒面完全润湿，使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层，制得免烧裹壳陶粒。所述硫铝酸盐材料强度等级为42.50，比表面积为358m²/kg，初凝时间为30min，终凝时间为200min，7天自由膨胀率为0.10％，标准稠度为27％。而后对底泥陶粒表面进行覆膜，并间隔12h进行洒水。养护7天后，20℃自然干化，避免阳光直射，最终获得免烧裹壳陶粒成品。

实施例4：底泥的基本物化特性测试

实验原料的疏竣底泥，来源于江苏境内太湖疏挖产生。表层浮泥采用重力采样器采集，底部柱状沉积物采用搭建似海上钻井平台方式进行取样。采集的柱状底泥根据泥的颜色分段装入聚乙烯塑料箱中，保存备用。对挖取的河道原泥进行垃圾分离、泥沙分离、泥水分离等处理后，剩余的底泥作为后续实验用的河道底泥。以下是对太湖底泥理化性能的测试分项：

(1)含水率

称取一定量的太湖底泥，将其置于玻璃蒸发皿中。称重后放在电热恒温鼓风干燥机中，于105℃恒温烘6～8h，直到底泥质量不再发生变化，并将底泥放在千燥器中冷却至室温后，对其进行称重。经过计算，得到太湖底泥的含水率，平行测量3组，计算得到平均值。计算公式如下：

式中：W₁——空蒸发皿质量，g；W₂——底泥湿样和蒸发皿质量，g；W₃——蒸发皿和干样质量，g。

(2)pH

将干化后的太湖底泥与蒸馏水按质量比，即干泥:水＝1:5。将底泥与水搅拌均匀静置，然后利用PHS-3C型酸度计测定混合泥样的上层清液的pH值，平行测试三次取平均值。

(3)密度

疏竣底泥的密度采用比重瓶法测定，具体测定步骤为：在研钵中放入烘干后的泥样进行研磨，称取约10g(精确至0.001g)泥样，倾入100mL比重瓶内。向装有土样的比重瓶加水至瓶内容积的二分之一，慢慢晃动比重瓶排除空气。继续加水至刻线处。称得比重瓶加水及泥样质量总合。而后，倒出比重瓶中的泥样液体，清洗干净比重瓶，并再次装满蒸馏水，称量比重瓶加水质量。根据以下公示计算得出疏浚底泥密度。

式中：ρ_d——疏浚底泥密度，g·cm^-3；ρ_dw——蒸饱水密度，取1.0g·cm^-3；m_g——烘干土样质量，g；m_bwi——比重瓶+水质量，g；m_bwis——比重瓶+水质量+土样质量，g。

(4)容重与孔隙率

容重的意义指的是每单位体积中，烘至绝干的泥样的重量(包括土粒和孔隙)。采用环刀法测定，环刀容积为100cm³，先称量环刀重量，将称重后环刀用于切割土样，使环刀容积刚好被泥样填充满，然后称重。将环刀内的土样放入烘箱烘干6h后再次称重，测量土样含水量。计算公式如下：

式中：ρ——孔隙率，％；ds——土粒密度，g·cm^-3，rs——容重，g·cm^-3。

(5)有机质含量

在普通的鼓风干燥机中，将底泥置于坩埚中，于105℃下将烘2h，以此往复，直到底泥重量不在发生变化。然后在研钵中将干燥底泥研磨成粉末。取出2g左右的底泥放在坩埚中，于600℃下煅烧2h，用过量的重铬酸钾－硫酸溶液氧化土壤有机碳，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，以样品和空白消耗重铬酸钾的差值计算出有机碳量。每组实验平均3次取平均值。计算公式如下：

式中：V₀——滴定空白时消耗的FeSO₄量，mL；V——滴定样品时消耗的FeSO₄量，mL；N——FeSO₄的浓度，mol/L；m——烘干底泥质量，g。

(6)粒径分布

取一定质量泥样放在烧杯中，加入50mL的去离子水，搅拌均匀，然后用激光粒度分析仪测定其粒径分布，平行测试3组。

(7)实验结果

试验底泥基本物性如表1所示，有机质含量较高，为4.52％，部分底泥颜色呈现黑色，主要是由于进入湖中的有机体沉积在湖泊底部，腐烂，分解而导致。

表1：太湖疏浚底泥基本物性

从表2中可以看出，SiO₂和Al₂O₃是太湖底泥的主要成分。

表2：太湖疏浚底泥的化学成分(W/％)

Na<sub>2</sub>O	MgO	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>O	CaO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	TiO<sub>2</sub>	烧失量
									1.29	1.02	12.87	69.42	1.93	0.78	5.61	0.93	6.06

对供试底泥进行处理，做X射线衍射，分析其矿物组成，底泥矿物成分检测的XRD衍射图谱如图3所示。太湖底泥的主要成分为SiO₂，伊利石和钠长石是黏土矿物的主要成分。

实施例5：改性裹壳陶粒性能表征

针对实施例1-3所制作的免烧裹壳陶粒，通过粒径分布、堆积密度、单颗强度、吸水性、抗冻性等指标来分析裹壳陶粒的各项性能，说明本发明制备得到的高强度，不水化，机械性能优异的裹壳陶粒。

(1)粒径分布

疏浚底泥免烧陶粒粒径分布的测定方法，主要是利用不同孔径的标准筛进行筛分。将不同孔径筛子根据孔径从小到大，一次从下到上放置，再将所需筛分的陶粒，从上至下，均匀缓慢的倒入。并将筛子一致频率的进行摇动。筛分结束后，分别取每层筛子上面的陶粒，进行称重。并记录不同粒径对应陶粒的质量，进行计算，得到比值，测试三次取平均值。粒径比值的计算由公式如下：

式中：m₁——样筛上陶粒的质量，g；m_总——陶粒总质量，g。

(2)堆积密度

将需要测量的陶粒置于烘箱中，烘干至恒重，而后均匀自然的装入测量筒里，不要人工按压，轻轻晃几下，让陶粒表面与容器刻度线相切，称重。计算公示如下(精确至1kg/m³)。

式中：ρ——堆积密度，kg/m³；m₂——陶粒与容量筒总质量，kg；m₃——容量筒质量，kg，V——堆积体积，L。

(3)单颗陶粒强度

强度是陶粒基本性能的一个重要指标，单颗强度的测试方法：通过压力试验机，对陶粒进行挤压，通过将陶粒压碎的最大压力来计算陶粒的抗压强度。首先每组选取10颗陶粒进行测试(陶粒尺寸尽量一致，以免影响测试可靠性)，将单颗陶粒置于压力试验机，两平衡板中央。启动仪器后，直到陶粒被破碎，记录陶粒破碎的最大压力，求取平均值。计算公式如下：

式中：σ——陶粒强度，Pa；P——陶粒压碎时最大压力，N；X——平行板距离，cm。

(4)吸水性

吸水性是鉴定陶粒耐用性的一个重要指标，测试吸水性前，将养护结束的陶粒随机抽取，并称重，记录。每组陶粒都取10颗。将陶粒浸入适量装有蒸馏水的容器中，分别在规定测试时间内，将陶粒取出，并用润湿试纸将陶粒表面水渍吸净。此时测量陶粒质量。陶粒吸水性按以下公式计算：

式中：ω——陶粒吸水率；m₅——陶粒初始质量，g；m₄——陶粒吸水后质量，g。

(5)抗冻性

先将测量的陶粒置于有水容器中浸泡，直至质量恒定，开始进行冻融实验。冻融实验温度设置为-18～18℃，每次冻融循环时间为12h，融冻时间间隔不超过2h。每次冻融结束后，取出陶粒，用湿布擦干陶粒表面水分，测试陶粒质量，并计算质量损失率，并观察陶粒外观完整性。陶粒质量损失率按下式计算：

式中：η——陶粒质量损失率；m₆——陶粒初始饱水质量，g；m₇——冻融循环后陶粒质量，g。

(6)通过扫描电子显微镜(SEM)观察界面过渡区水化产物的形貌和种类，同时采用能谱仪(EDS)测试界面过渡区水化产物的元素组成以及由陶粒内部至基材之间的元素变化，以此来探究河道底泥陶粒壳体矿物组成对界面过渡区水化产物以及体积稳定性的影响。

(7)实验结果

粒径分布：陶粒的粒径分布是陶粒的一项重要性质，陶粒的粒径分布会影响陶粒的颗粒级配和堆积密度，陶粒的粒径分布在极大程度上会影响以陶粒为骨料的工业材料的理化性质和机械性能。河道底泥颗粒制备的陶粒粒径分析曲线如图4，本申请实施例1-3制得的陶粒粒径分布均以20～50mm为主。

堆积密度：陶粒的堆积密度是影响陶粒筒压强度的重要因素之一。比较不同配方陶粒的疏浚底泥免烧陶粒的堆积密度，陶粒粒径于8～10mm的，堆积密度相对较大，达到1350kg/m³。陶粒粒径主要趋于20～50mm，堆积密度达1200～1250kg/m³。

陶粒单颗强度：在改变不同裹壳时间的组中，裹壳时间越长，单颗强度越强；在改变物料使用量的组中，物料添加越多，单颗强度越强；在添加了粘结剂水玻璃溶液的组中，添加比例过小反而会使陶粒单颗强度下降，在添加量达到3.8％时，单颗强度开始增加；随着添加量的增大，单颗强度加大。陶粒粒径主要趋于20～50mm，陶粒单颗强度达1.50～2.18MPa。

吸水性：裹壳陶粒浸水后，所有陶粒全部沉入水底，且防水性能良好，吸水过程中液体始终保持澄清，无破损现象，吸水质量最少。陶粒粒径主要趋于20～50mm，吸水性在20％以下。

抗冻性：陶粒抗冻性较好，21次冻融循环之后的质量损失率仅有1.99％。

陶粒表面矿物组成：通过EDS测试的陶粒界面过渡区Ca元素分布变化曲线如图5所示，内部多孔、外壳结构致密的硫铝酸盐水泥裹壳陶粒，降低免烧陶粒在有害金属迁移和臭气挥发达50％以上。

针对上述方法所制作的免烧裹壳陶粒，通过粒径分布、堆积密度、单颗强度、吸水性、抗冻性等指标来分析裹壳陶粒的各项性能，说明本发明方法制备出高强度，不水化，机械性能优异的裹壳陶粒。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims

1.一种以河道底泥为原材料的陶粒制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)余土制备：向河道底泥中添加可被激发的固态粉体废弃物和强碱材料，底泥、固态粉体废弃物和强碱材料的质量份配比为90～100份:10～30份:1～2份。反应10～30min后，用板框压滤机进行压滤脱水，使其含水率降至40％以下，形成余土。

(2)余土多级造粒：将余土充分粉碎至100目并搅拌后，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。随后以1～2份水玻璃溶液作为粘接剂，以15～20份初级底泥颗粒为原料，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。

(3)底泥颗粒的抛丸裹壳：以15～20份二级底泥颗粒为芯材，选取质量份配比为5～10份的硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对步骤2获得的二级底泥颗粒进行包裹，制得免烧裹壳陶粒；所述硫铝酸盐材料强度等级为42.5，比表面积为350～370m²/kg，初凝时间为25～40min，终凝时间为180～240min，7天自由膨胀率为0.00～0.15％，标准稠度为25～30％。

(4)养护：在步骤(3)得到的免烧裹壳陶粒表面覆膜进行自然养护，设定养护时间7天。

2.根据权利要求1所述的陶粒制备方法，其特征在于，所述可被激发的固态粉体废弃物为粉煤灰、矿渣和火山灰等；强碱材料为生石灰、氢氧化钠等。

3.根据权利要求1所述的陶粒制备方法，其特征在于，所述水玻璃溶液的浓度为35％-45％波美度。

4.根据权利要求1所述的陶粒制备方法，其特征在于，所述步骤3中，在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液至粒面完全润湿，使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层。

5.根据权利要求1所述的陶粒制备方法，其特征在于，所述步骤4中，养护过程中每间隔12h进行洒水，保持相对湿度≥90％。

6.根据权利要求1所述的陶粒制备方法，其特征在于，所述步骤5中，采用20±3℃自然干化。