CN113831082A - 一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖及其制备方法。所述基于钨铁尾矿的光催化透水砖包括光催化面层和基体层，光催化面层和基体层压制成一体结构，所述光催化面层由无机固体废料颗粒、钨尾矿细颗粒、铁尾矿细颗粒、硅酸水泥和粉煤灰制成；所述基体层由硅酸水泥、石英砂、水碎石、脱硫灰、粘土、粉煤灰和减水剂制成。本发明一方面解决了固体废弃物常年堆积的问题，同时提高了固体废弃物的利用率；另一方面利用钨尾矿和铁尾矿制成的透水砖，在光照下产生强烈的氧化作用，能把空气中难分解的有毒污染物氧化为CO2、H2O等无机物，具有分解速度快、除净度高、无二次污染等优点，利用其特点制成的自清洁透水砖，有一定的环保优势。

Description

一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及光催化透水砖制备技术领域，具体涉及一种利用钨铁尾矿制备光催化环保砖的方法。本发明属于建筑材料与资源综合利用领域。
背景技术
钨尾矿是钨矿经研磨细选取其中的含钨矿物后排放的经细粒尾矿浆脱水后形成的固体物料，一般主要由矿石矿物以及围岩矿物组成，主要含有萤石、石英、石榴子石、常是、云母、方解石等矿物，有些含有钼、铋等少量的多金属矿物，主要化学成分为：WO3、SiO2、Al2O3、CaO、CaF2、MgO、Fe2O3等。钨尾矿是有色金属钨在采选过程中产生的废石，随着有色产业的迅猛发展，钨矿开采规模扩大，钨尾矿的堆积量也逐年增加，并常年堆积在尾矿库中。这些固体废弃物污染环境、占用耕地面积、处理困难，不利于经济环境的可持续发展。
铁尾矿是铁矿开采出的矿石经磨细选出有价值的精矿后产生的细砂一样的废渣，是工业固体废弃物的主要组成部分。通常是铁选矿厂在特定技术条件下，将铁矿石破碎磨细，其主要矿物组成是脉石矿物，如石英、高岭石、长石及其蚀变矿物；其化学成分主要以铁、硅、铝、钙、镁的氧化物为主，并伴有少量的磷、硫等。按照尾矿的矿物组成，一般将其分为四种类型：高硅型、高铝型、高钙镁型和低钙镁铝硅型。这种划分，主要视其某种元素的含量，也有利于选择不同的利用途径。近几年，随着工业技术的发展，钢铁的产量不断增长，铁尾矿在工业废弃物中所占的比例也越来越大。
随着我国经济社会的快速发展，利用光催化氧化反应去除大气中的无机或有机污染物成为研究的热点，并成功的将光催化技术应用于办公楼内、家庭、卧室以及汽车内空气的治理，取得了较好的实际效果。如能在混凝土砖表面负载光催化剂，制备具有光催化降解空气中的污染物功能的光催化地砖，将光催化地砖铺设在人行道、公园、小区等地方，即可实现对汽车尾气排放污染的降解，对城市空气质量控制具有重要意义。
如何利用钨尾矿制备地砖，已有研究。如中国专利申请号为CN201410198441.7一种利用钨尾矿和钨矿废石制备蒸压砖的方法，该发明专利是利用钨尾矿、钨矿废石和电石渣为主料制备蒸压砖，主要目的是为钨尾矿、钨矿废石和电石渣提供一条合理利用的途径，该专利采用蒸压的方法将钨尾矿、钨矿废石和电石渣按照不同比例混合制成蒸压砖，虽然制备的蒸压砖具备良好的抗压强度和抗折强度，但是耗能大，所制备的蒸压砖没有降解空气中有机污染物的功能。
如何利用铁尾矿制备地砖，已有研究。如中国专利申请号为200510095347.X尾矿页岩烧结制品及其制备方法，该发明专利采用高铁钙、低硅铝型铁尾矿制砖的工艺技术，用市场技术烧结制成多孔砖、普通砖。虽然该发明专利解决了固体废物堆积的问题，但采用的是烧制的方法制砖，加大了能源消耗，不具备降解空气中有机污染物的功能。
因此，通过对钨铁尾矿进行综合利用，制备具有光催化效应的透水砖，具有很好的市场前景。
发明内容
本发明的目的是利用钨尾矿、铁尾矿等固体废弃物中的氧化钨和氧化铁作为光催化剂原料制备透水砖，该光催化透水砖具有降解空气中污染物的功能，可用于铺设在人行道、公园、广场、停车场、学校或其他建筑物表面等地方，达到净化空气的效果。并且该法工艺简单，操作方便，运行成本低，可以为采矿、选矿之后的钨尾矿及铁尾矿提供一条合理的利用途径，很容易实现工业化生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，包括光催化面层和基体层，光催化面层和基体层压制成一体结构，所述光催化面层由无机固体废料颗粒、钨尾矿细颗粒、铁尾矿细颗粒、硅酸水泥和粉煤灰制成；所述基体层由硅酸水泥、石英砂、水碎石、脱硫灰、粘土、粉煤灰和减水剂制成。
进一步的，上述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，所述光催化面层中，按质量比，无机固体废料颗粒:钨尾矿细颗粒:铁尾矿细颗粒:硅酸水泥:粉煤灰＝4:(4～6):(4～6):0.5:1。
进一步的，上述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，所述基体层中，按质量比，硅酸水泥:石英砂:水碎石:脱硫灰:粘土:粉煤灰:减水剂＝21:24:10:5:5:17:1。
进一步的，上述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，所述无机固体废料颗粒的粒度为1～2.5mm。
进一步的，上述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，所述无机固体废料颗粒为陶瓷废料颗粒或耐火材料废料颗粒。
进一步的，上述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，所述钨尾矿细颗粒是，取钨尾矿，研磨过200目筛，取筛下物。
进一步的，上述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，取铁尾矿，研磨过200目筛，取筛下物，然后取部分200目筛下物继续研磨，过325目筛，取筛下物；所述铁尾矿细颗粒是，按质量份配比，含有200目筛下物400～600份，325目筛下物300～500份。
一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖的制备方法，包括如下步骤：
1)光催化面层混合料：将无机固体废料颗粒、钨尾矿细颗粒、铁尾矿细颗粒、硅酸水泥和粉煤灰，按质量比4:(4～6):(4～6):0.5:1备料后，导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌1min～5min，然后在搅动状态下，按固液比1:0.1～0.2缓慢加入水后，持续搅拌2min～10min；
2)基体层混合料：将硅酸水泥、石英砂、水碎石、脱硫灰、粘土、粉煤灰和减水剂，按质量比21:24:10:5:5:17:1备料后，导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌1min～5min，然后在搅动状态下，按固液比1:0.2～0.3缓慢加入水后，持续搅拌2min～10min；
3)一次压制：将基体层混合料放置在透水砖模具中，之后通过液压震荡机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1～3min，形成基体层；
4)二次压制：将光催化面层混合料放置在步骤3)压制后的基体层表面，再次通过液压振动机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1～3min，脱模，得砖坯；
5)养护：将砖坯自然养护7～28天，得成品。
本发明的有益效果是：
1、本发明，不仅实现了钨尾矿和铁尾矿的高效回收利用，还获得了具有光催化效应的、透水性好的免烧透水砖，所制备的免烧透水砖，光催化面层厚度约为10mm，耐压强度为30.5～35.5MPa，透水系数为1.0×10-2～4.5×10-2cm/s，符合JC/T945-2005《透水砖》行业标准要求。
2、本发明制备的具有光催化效应的透水砖，工艺简单，采用钨尾矿和铁尾矿制得的透水砖的各项性能均达到了透水砖标准中要求的各项指标，在拓展了免烧透水砖原材料范围的同时，增加了透水砖将空气中有机污染物氧化为CO2、H2O等无机物的功能，实现了砖的自清洁，提高了尾矿固体废弃物的利用率，既解决了选矿厂大量的尾矿堆积问题，又能为城市建设提供地表用透水砖，为尾矿的高值化利用开辟了新途径。将光催化地砖铺设在人行道、公园、小区等地方，即可实现对汽车尾气排放污染的降解，对城市空气质量控制具有重要意义。
3、本发明制备的具有光催化效应的免烧透水砖，成本低廉，能源消耗小且对环境无污染，有效的提高了尾矿的利用率，起到保护环境和实现经济效益的双丰收，对资源的循环利用和生态环境的保护有着积极的作用。
因此，本发明一方面解决了固体废弃物常年堆积的问题，同时提高了固体废弃物的利用率；另一方面利用钨尾矿和铁尾矿制成的透水砖，在光照下产生强烈的氧化作用，能把空气中难分解的有毒污染物氧化为CO2、H2O等无机物，具有分解速度快、除净度高、无二次污染等优点，利用其特点制成的自清洁透水砖，有一定的环保优势。
附图说明
图1是本发明光催化透水砖结构示意图；
其中，1为光催化面层、2为基体层。
图2是实施例1-3制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖对吖啶橙染料的降解百分比对时间的曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合实例对本发明进行更进一步的说明。
实施例1基于钨铁尾矿的光催化透水砖
(一)制备方法
1、光催化面层混合料的制备：
将4kg无机固体废料颗粒、4kg钨尾矿细颗粒、4kg铁尾矿细颗粒、0.5kg硅酸水泥和1kg粉煤灰，依次导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌5min，然后在搅动状态下，缓慢加入1.62kg水后，持续搅拌5min，得光催化面层混合料。
无机固体废料颗粒为陶瓷废料，取陶瓷废料研磨至粒度为1～2.5mm。
钨尾矿细颗粒的制备：取钨尾矿，研磨过200目筛，取筛下物。钨尾矿的主要成分为：74.31％的WO3、12.94％的MnO、12.12％的Fe2O3。
铁尾矿细颗粒的制备：取铁尾矿，研磨过200目筛，取筛下物，然后取部分200目筛下物继续研磨，过325目筛，取筛下物。按质量份配比，取200目筛下物400份，325目筛下物300份，作为铁尾矿细颗粒。铁尾矿的主要成分为：38.09％的SiO2、12.26％的Al2O3、12.15％的Fe2O3。
2、基体层混合料的制备：
将21kg硅酸水泥、24kg石英砂、10kg水碎石、5kg脱硫灰、5kg粘土、17kg粉煤灰和1kg减水剂，依次导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌5min，然后在搅动状态下，缓慢加入20.4kg水后，持续搅拌5min，得基体层。
3、一次压制：
将基体层混合料放置在透水砖模具中，通过液压震荡机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1min，形成基体层。
4、二次压制：
将光催化面层混合料放置在步骤3)压制后的基体层表面，再次通过液压振动机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1min，脱模，得砖坯。
5、养护：
将砖坯自然养护7～28天，得成品基于钨铁尾矿的光催化透水砖。
如图1所示，所制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖，由光催化面层1和基体层2制成一体结构，每块砖规格为200×100×40mm，光催化面层厚度为约10mm，基于钨铁尾矿的光催化透水砖耐压强度为31.3MPa，透水系数为1.3×10-2cm/s，符合JC/T945-2005《透水砖》行业标准要求。
(二)检测
将制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖(面积为200cm2)浸泡在浓度为5mg/L的吖啶橙染料水溶液中，并暴露在可见光下，每隔30分钟采集吖啶橙染料水溶液样品，用紫外分光光度计测试其吸光度，计算吖啶橙染料降解率。吖啶橙染料的降解百分比对时间的曲线图显示在图2中。
对照组制备的砖，只是不添加钨尾矿细颗粒和铁尾矿细颗粒，其余与(一)的制备方法完全相同。
由图2结果表明，本实施例制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖在可见光下的光催化活性在180min时，对吖啶橙染料的降解率可达28.26％，相比于对照组透水砖高约9.4％。因此，本发明制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖具有自清洁功能。
实施例2基于钨铁尾矿的光催化透水砖
(一)制备方法
1、光催化面层混合料的制备：
将4kg无机固体废料颗粒、5kg钨尾矿细颗粒、5kg铁尾矿细颗粒、0.5kg硅酸水泥和1kg粉煤灰，依次导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌5min，然后在搅动状态下，缓慢加入1.87kg水后，持续搅拌5min，得光催化面层混合料。
无机固体废料颗粒为陶瓷废料，取陶瓷废料研磨至粒度为1～2.5mm。
钨尾矿细颗粒的制备：取钨尾矿，研磨过200目筛，取筛下物。钨尾矿的主要成分为：74.31％的WO3、12.94％的MnO、12.12％的Fe2O3。
铁尾矿细颗粒的制备：取铁尾矿，研磨过200目筛，取筛下物，然后取部分200目筛下物继续研磨，过325目筛，取筛下物。按质量份配比，取200目筛下物400份，325目筛下物300份，作为铁尾矿细颗粒。铁尾矿的主要成分为：38.09％的SiO2、12.26％的Al2O3、12.15％的Fe2O3。
2、基体层混合料的制备：
将21kg硅酸水泥、24kg石英砂、10kg水碎石、5kg脱硫灰、5kg粘土、17kg粉煤灰和1kg减水剂，依次导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌5min，然后在搅动状态下，缓慢加入20.4kg水后，持续搅拌5min，得基体层。
3、一次压制：
将基体层混合料放置在透水砖模具中，通过液压震荡机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1min，形成基体层。
4、二次压制：
将光催化面层混合料放置在步骤3)压制后的基体层表面，再次通过液压振动机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1min，脱模，得砖坯。
5、养护：
将砖坯自然养护7～28天，得成品基于钨铁尾矿的光催化透水砖。
如图1所示，所制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖，由光催化面层1和基体层2制成一体结构，每块砖规格为200×100×40mm，光催化面层厚度为约10mm，基于钨铁尾矿的光催化透水砖耐压强度为31.3MPa，透水系数为1.3×10-2cm/s，符合JC/T945-2005《透水砖》行业标准要求。
(二)检测
将制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖(面积为200cm2)浸泡在浓度为5mg/l的吖啶橙染料水溶液中，并暴露在可见光下，每隔30分钟采集吖啶橙染料水溶液样品，用紫外分光光度计测试其吸光度，计算吖啶橙染料降解率。吖啶橙染料的降解百分比对时间的曲线图显示在图2中。
由图2结果表明，本实施例制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖在可见光下的光催化活性在180min时，对吖啶橙染料的降解率可达49.70％，相比于对照组透水砖高约30.86％。因此，本发明制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖具有自清洁功能。
实施例3基于钨铁尾矿的光催化透水砖
(一)制备方法
1、光催化面层混合料的制备：
将4kg无机固体废料颗粒、6kg钨尾矿细颗粒、6kg铁尾矿细颗粒、0.5kg硅酸水泥和1kg粉煤灰，依次导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌5min，然后在搅动状态下，缓慢加入2.11kg水后，持续搅拌5min，得光催化面层混合料。
无机固体废料颗粒为陶瓷废料，取陶瓷废料研磨至粒度为1～2.5mm。
钨尾矿细颗粒的制备：取钨尾矿，研磨过200目筛，取筛下物。钨尾矿的主要成分为：74.31％的WO3、12.94％的MnO、12.12％的Fe2O3。
铁尾矿细颗粒的制备：取铁尾矿，研磨过200目筛，取筛下物，然后取部分200目筛下物继续研磨，过325目筛，取筛下物。按质量份配比，取200目筛下物400份，325目筛下物300份，作为铁尾矿细颗粒。铁尾矿的主要成分为：38.09％的SiO2、12.26％的Al2O3、12.15％的Fe2O3。
2、基体层混合料的制备：
将21kg硅酸水泥、24kg石英砂、10kg水碎石、5kg脱硫灰、5kg粘土、17kg粉煤灰和1kg减水剂，依次导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌5min，然后在搅动状态下，缓慢加入20.4kg水后，持续搅拌5min，得基体层。
3、一次压制：
将基体层混合料放置在透水砖模具中，通过液压震荡机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1min，形成基体层。
4、二次压制：
将光催化面层混合料放置在步骤3)压制后的基体层表面，再次通过液压振动机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1min，脱模，得砖坯。
5、养护：
将砖坯自然养护7～28天，得成品基于钨铁尾矿的光催化透水砖。
如图1所示，所制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖，由光催化面层1和基体层2制成一体结构，每块砖规格为200×100×40mm，光催化面层厚度为约10mm，基于钨铁尾矿的光催化透水砖耐压强度为31.3MPa，透水系数为1.3×10-2cm/s，符合JC/T945-2005《透水砖》行业标准要求。
(二)检测
将制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖(面积为200cm2)浸泡在浓度为5mg/l的吖啶橙染料水溶液中，并暴露在可见光下，每隔30分钟采集吖啶橙染料水溶液样品，用紫外分光光度计测试其吸光度，计算吖啶橙染料降解率。吖啶橙染料的降解百分比对时间的曲线图显示在图2中。
由图2结果表明，本实施例制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖在可见光下的光催化活性在180min时，对吖啶橙染料的降解率可达65.13％，相比于对照组透水砖高约46.29％。因此，本发明制备的基于钨铁尾矿的光催化透水砖具有自清洁功能。
上述说明是针对本发明专利较可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (9)

1.一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，包括光催化面层和基体层，光催化面层和基体层压制成一体结构，其特征在于，所述光催化面层由无机固体废料颗粒、钨尾矿细颗粒、铁尾矿细颗粒、硅酸水泥和粉煤灰制成；所述基体层由硅酸水泥、石英砂、水碎石、脱硫灰、粘土、粉煤灰和减水剂制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，其特征在于，所述光催化面层中，按质量比，无机固体废料颗粒:钨尾矿细颗粒:铁尾矿细颗粒:硅酸水泥:粉煤灰＝4:(4～6):(4～6):0.5:1。
3.根据权利要求1所述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，其特征在于，所述基体层中，按质量比，硅酸水泥:石英砂:水碎石:脱硫灰:粘土:粉煤灰:减水剂＝21:24:10:5:5:17:1。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，其特征在于，所述无机固体废料颗粒的粒度为1～2.5mm。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，其特征在于，所述无机固体废料颗粒为陶瓷废料颗粒或耐火材料废料颗粒。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，其特征在于，所述钨尾矿细颗粒是，取钨尾矿，研磨过200目筛，取筛下物。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖，其特征在于，取铁尾矿，研磨过200目筛，取筛下物，然后取部分200目筛下物继续研磨，过325目筛，取筛下物；所述铁尾矿细颗粒是，按质量份配比，含有200目筛下物400～600份，325目筛下物300～500份。
8.一种基于钨铁尾矿的光催化透水砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)光催化面层混合料：将无机固体废料颗粒、钨尾矿细颗粒、铁尾矿细颗粒、硅酸水泥和粉煤灰，按质量比4:(4～6):(4～6):0.5:1备料后，导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌1min～5min，然后在搅动状态下，按固液比1:0.1～0.2缓慢加入水后，持续搅拌2min～10min；
2)基体层混合料：将硅酸水泥、石英砂、水碎石、脱硫灰、粘土、粉煤灰和减水剂，按质量比21:24:10:5:5:17:1备料后，导入搅拌器中，在干燥条件下搅拌1min～5min，然后在搅动状态下，按固液比1:0.2～0.3缓慢加入水后，持续搅拌2min～10min；
3)一次压制：将基体层混合料放置在透水砖模具中，通过液压震荡机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1～3min，形成基体层；
4)二次压制：将光催化面层混合料放置在步骤3)压制后的基体层表面，再次通过液压振动机对模具进行压制，压制过程中模具内部进行振动，压力为20KN，压制1～3min，脱模，得砖坯；
5)养护：将砖坯自然养护7～28天，得成品。
9.权利要求1-8任意一项所述的基于钨铁尾矿的光催化透水砖在建筑材料中的应用。
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