CN113955738A - 一种生物炭及其制备方法和一种泡沫混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种生物炭及其制备方法和一种泡沫混凝土及其制备方法。本发明制备得到一种性能优异的生物炭，再以生物炭和污泥焚烧灰渣为原料制备得到泡沫混凝土：将灰渣、水泥和生物炭进行预混，得到干混料；将所得干混料和水进行湿混，得到湿混料；将所得湿混料和减水剂混合，得到混合料；将所得混合料和泡沫混合，得到浆料；对所得浆料顺次进行预养护和养护，得到所述泡沫混凝土。由实施例可得，本发明成功回收利用了污泥焚烧灰渣，使其资源化，实现了碳元素的固定。所得混凝土孔径分布均匀，物理性能包括抗压、抗折、干密度、耐水性、导热系数等均符合建筑行业标准《泡沫混凝土》(JG/T 266‑2011)。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种生物炭及其制备方法和一种泡沫混凝土及其制备方法。
背景技术
污泥焚烧灰渣作为一种危废，每年大量产生，但迄今为止只能采用填埋方式进行处理，不仅占用土地，污染土壤和地下水，还需要承担较高的费用。随着可用的填埋场地越来越少，污泥焚烧灰渣在不久的未来可能会被禁止采用填埋方式处置，因此，亟待寻找污泥焚烧灰渣的资源化、无害化利用技术。
污泥焚烧灰渣富含无机矿物组分如硅、铝和铁的氧化物，其成分与粘土类似，然而其性状又与粘土有很大差异，且通常存在一定量的重金属污染。如果是生活污水厂来源的污泥，其焚烧所产生的灰渣则重金属含量相对较低。因此，对其进行高值化利用较为困难，而将其转化为建材则是一种相对可行的方式。
研究表明，污泥焚烧灰渣的主要元素包括Ca、Si、Al、Fe、Na和K等，其中Si、Ca和Al是三种主要元素，主要以二氧化硅(SiO2)、氧化钙(CaO)和氧化铝(Al2O3)的矿物形式存在，与粘土的主要成分类似。有研究表明污泥焚烧灰渣中的这三种矿物使其具有火山灰性质，对提高糊状物、砂浆和混凝土的抗压强度是有利的，并且由于焚烧灰渣的粒径非常小，能够提供足够的比表面积进行化学反应。有研究使用800℃温度下烧结2.5小时而成的污泥焚烧灰渣制备水泥基材料，证实了其可提高水泥基材料的强度，最佳掺量达到了20％；也有研究者利用污泥焚烧灰渣和水泥制备干混砂浆，制备出了可用作CO2封存器的绿色建筑材料。但这些都并非轻质泡沫砖，重量大、密度大，保温性能与导热性能都很差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物炭及其制备方法和一种泡沫混凝土及其制备方法，以充分利用污泥焚烧灰渣这种危废，变废为宝，得到一种有用的混凝土材料，并同时实现稳定固碳。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种生物炭的制备方法，包含如下步骤：
将植物类生物质进行破碎，得到生物质颗粒；
将所述生物质颗粒进行炭化热解，生成所述生物炭。
可选的，所述植物类生物质包含大麦草、木屑、秸秆、树枝和花生壳中的一种或几种；
所述生物质颗粒的粒径为2～5mm。
可选的，所述炭化热解的温度为470～530℃，所述炭化热解的时间为1～2h；升温至炭化热解温度的升温速率为10～15℃/min。
可选的，所述炭化热解结束后，对所得炭化产物进行细化，得到生物炭；
所述细化后的粒径为50～500μm。
本发明还提供了所述制备方法得到的生物炭。
本发明还提供了由所述生物炭制备泡沫混凝土的方法，包含如下步骤：
将污泥焚烧灰渣、生物炭和水泥进行预混，得到干混料；
将所得干混料和水进行湿混，得到湿混料；
将所得湿混料和减水剂混合，得到混合料；
将所得混合料和泡沫混合，得到浆料；
对所得浆料顺次进行预养护和养护，得到所述泡沫混凝土。
所述污泥焚烧灰渣和水泥的质量比为不超过1：1；
所述生物炭的添加量为灰渣和水泥总质量的2～5％；
所述干混料和水的质量比为10：(4～5)。
可选的，所述泡沫为将蛋白质类发泡剂用水稀释后，并采用机械搅拌发泡得到；
所述蛋白质类发泡剂和水的质量比为1：(40～50)(w/w)；
所述泡沫的密度为70～90kg/m3；
所述泡沫的添加量为灰渣和水泥总质量的5～8％；
所述减水剂为聚羧酸盐高效减水剂；
所述减水剂的添加量为湿混料质量的0.2～0.3％。
可选的，所述预养护的湿度为93～98％，温度为23～27℃，时间为20～30h；
所述养护的湿度为93～97％，温度为23～27℃，时间为25～30天。
本发明还提供了所述方法得到的泡沫混凝土。
本发明提供了利用污泥焚烧灰渣这种固体废弃物作为主体材料，水泥作为胶凝材料，生物炭作为添加材料，掺入一定量的泡沫和减水剂作为添加剂，将污泥焚烧灰渣转化为泡沫混凝土产品，并保证其抗折强度、抗压强度、干密度与导热系数等均符合GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和JG/T266-2011《泡沫混凝土》的指标要求。同时，混凝土试件的重金属浸出率达到安全水平。在本发明中，生物炭材料的添加不仅强化了混凝土的机械性能，降低了重金属的浸出，还同时提供一种新的固碳途径，为我国早日实现碳达峰、碳中和做出贡献。
附图说明
图1为控制组5-3将浆料倒入模具后的状态图；
图2为控制组5-3预养护后的产品状态图；
图3为控制组5-3所得泡沫混凝土的实物照片。
具体实施方式
本发明提供了一种生物炭的制备方法，包含如下步骤：
将植物类生物质进行破碎，得到生物质颗粒；
将所述生物质颗粒进行炭化热解，生成所述生物炭。
在本发明中，所述植物类生物质包含大麦草、木屑、秸秆、树枝和花生壳中的一种或几种，优选为花生壳；所述生物质颗粒的粒径为2～5mm，还可以为3～4mm。
在本发明中，所述炭化热解的温度为470～530℃，还可以为480～520℃，进一步可以为500～510℃；所述炭化热解的时间为1～2h；升温至炭化热解温度的升温速率为10～15℃/min，还可以为10～12℃/min。
在本发明中，不同热解温度制备的生物炭，其孔隙度、含碳量、碳稳定性等性质存在差异。本发明所得生物炭具有很好的性能，能够得到性能优异的泡沫混凝土。
在本发明中，所述炭化热解可以在马弗炉中进行。
在本发明中，所述炭化热解结束后，对所得炭化产物进行细化，得到生物炭；所述细化后的粒径为50～500μm，还可以为100～300μm，进一步还可以为200～250μm。
本发明还提供了所述制备方法得到的生物炭。
生物炭的多孔特性，可以在水化反应过程中为其提供反应物水，促进了水泥的水化反应，生成了更多的C-S-H凝胶和C-A-H凝胶等物质。同时生物炭对生成碳酸钙有一定促进作用，这皆使其产生了更高的机械强度。生物炭的高比表面积特性，为重金属提供吸附位点将其固定。C-S-H和C-A-H凝胶对重金属同样有吸附作用，能降低重金属在两种极端环境下的浸出浓度。由于生物炭的多孔特性，也为保温隔热性能的提升做了贡献。但是，由于生物炭的制备条件存在差异时，所得生物炭的结构特征也会产生很大的差别。由本发明所述制备方法得到的生物炭能够很好地强化混凝土的机械性能。且本申请所述方法将植物类生物质热解成生物炭的产率为30～35％，生物炭含碳率为70～75％，其芳香化程度高，具有长期碳稳定性。
本发明还提供了由所述生物炭制备泡沫混凝土的方法，包含如下步骤：
将污泥焚烧灰渣、生物炭和水泥进行预混，得到干混料；
将所得干混料和水进行湿混，得到湿混料；
将所得湿混料和减水剂混合，得到混合料；
将所得混合料和泡沫混合，得到浆料；
对所得浆料顺次进行预养护和养护，得到所述泡沫混凝土。
在本发明中，所述污泥焚烧灰渣和水泥的质量比为不超过1：1，例如可以为0.8～0.9:1；所述生物炭的质量为水泥和污泥焚烧灰渣总质量的2～5％，具体的可以为2％、3％、4％和5％；所述预混具体可以为人工预混，所述预混能够使得水泥和污泥焚烧灰渣充分混合均匀，有助于湿混的进行。
在本发明中，所述干混料和水的质量比为10:(4～5)，还可以为10:(4.5～4.7)。
在本发明中，所述湿混的转速为400～500rpm，还可以为450～170rpm；所述湿混的时间为1～5min，还可以为2～3min。
在本发明中，所述减水剂为聚羧酸盐高效减水剂；所述减水剂为湿混料质量的0.2～0.3％。
本发明通过添加减水剂控制料浆流动度，其减水剂的添加量为0.20～0.30％，能够得到料浆流动度为120～280mm。当流动度<120mm，料浆稠度高，影响搅拌，当流动度>280mm，会出现泌水现象。
在本发明中，所述泡沫为将蛋白质类发泡剂用水稀释后发泡得到；所述蛋白质类发泡剂为市售的由动物蛋白提炼而成的蛋白质类发泡剂。
在本发明中，所述蛋白质类发泡剂和水的质量比为1:(40～50)，还可以为1:(45～47)。
本发明所用发泡剂产生的泡沫大小均匀且稳定，其持久性可以达到要求；所得泡沫的密度为70～90kg/m3，还可以为85～87kg/m3。
在本发明中，所述泡沫的添加量为灰渣和水泥总质量的5～8％，优选为6～7％。
本发明所述将所得湿混料和泡沫混合步骤中，混合的转速为250～350rpm，还可以为300～320rpm；混合的时间为10～20s，还可以为15～16s；所得浆料内部形成了大量分布均匀、细小且封闭稳定的气泡。
在本发明中，所述预养护在模具中进行，将所得浆料倒入模具后进行搅拌，直至拌合物中有足量的气泡；且在浆料倒入模具后切勿进行过分的抖动，应轻微震动模具，使浆料在模具中分布均匀但是泡沫却不会磨碎；所述预养护的湿度为93～98％，还可以为95～97％；温度为23～27℃，还可以为25℃；时间为20～30h，还可以为24～26h。
本发明在预养护完成之后，将已经成型的混凝土脱模，放入恒温恒湿恒压的养护箱中进行养护固化；所述养护的湿度为93～97％，还可以为95～97％；温度为23～27℃，还可以为25℃；时间为25～30天，还可以为27～28天。
本发明还提供了所述方法得到的泡沫混凝土。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
在本发明具体实施例中，所述水泥为市售的波特兰水泥，主要成分为CaO(55.0％)、SiO2(19.13％)、Al2O3(5.20％)和Fe2O3(4.26％)。
在本发明具体实施例中，所述污泥焚烧灰渣为污泥焚烧灰渣，污泥焚烧灰渣的主要成分为SiO2(30.15％)、CaO(22.33％)、Al2O3(10.49％)和Fe2O3(13.30％)，具有火山灰特性。本发明对原料污泥焚烧灰渣进行重金属浓度浸出的检测，达到国家固体废物利用要求《危险废物鉴别标准－浸出毒性鉴别》(GB5085.3-1996)，符合固废资源化利用的建材相关利用标准。
实施例1
将花生壳粉碎至粒径为2～5mm后，以10℃/min的升温速率升温至500℃，在该温度下保温1h进行碳化热解。将碳化热解产物粉碎至50～500μm，得到500℃热解的生物炭。
实施例2
将花生壳粉碎至粒径为2～5mm后，以10℃/min的升温速率升温至700℃，在该温度下保温2.5h进行碳化热解。将碳化热解产物粉碎至50～500μm，得到700℃热解的生物炭。
实施例3
将木屑粉碎至粒径为2～5mm后，以15℃/min的升温速率升温至530℃，在该温度下保温2h进行碳化热解。将碳化热解产物粉碎至50～500μm，得到530℃热解的生物炭。
实施例4
将玉米秸秆粉碎至粒径为2～5mm后，以13℃/min的升温速率升温至190℃，在该温度下保温1h进行碳化热解。将碳化热解产物粉碎至50～500μm，得到490℃热解的生物炭。
实施例5
按照表1所述，将水泥、污泥焚烧灰渣和生物炭进行预混，得到干混料；
将所得干混料和水进行湿混，得到湿混料；
将所得湿混料和聚羧酸盐高效减水剂混合，得到混合料；
将所得混合料和密度为80kg/m3的泡沫混合，得到浆料；
对所得浆料顺次进行预养护和养护，得到泡沫混凝土。
其中，预养护的湿度为98％，温度为25℃，时间为25h；养护的湿度为95％，温度为25℃，时间为25天。
表1各原料添加量
对表1各组所得混凝土产品进行性能测定，结果如表2和表3所示
表2力学性能、吸水耐水测试、保温性能测试结果
通过模拟垃圾渗滤液(TCLP：Toxicity Characteristic Leaching Procedure)和酸雨溶液(SPLP：synthetic precipitation leaching procedure)对泡沫混凝土的重金属浸出浓度进行测定，模拟垃圾渗滤液的TCLP浸提液由无机酸(冰乙酸)配制，模拟酸雨的SPLP溶液采用无机酸(硫酸和硝酸)配制，它们的pH分别为2.88与4.2，浸提后发现重金属溶出量极低，基本无风险。
表3重金属浸提浓度
| 组号 | Cu | Cr | Zn | Cd | Mn |
| 控制组 | 0.22614 | 9.27764 | 0.03273 | 0.04777 | 0.025 |
| 5-1 | 0.17129 | 0.17129 | 0.00756 | 0.03534 | 0.0197 |
| 5-2 | 0.13959 | 6.71206 | 0.01801 | 0.00826 | 0.0089 |
| 5-3 | 0.15097 | 6.6936 | 0.01465 | 0.00376 | 0.00483 |
| 5-4 | 0.10809 | 6.92763 | 0.00992 | 0.00151 | 0.00228 |
| 5-5 | 0.09038 | 6.83282 | 0.00837 | 0.00159 | 0.00163 |
| 7-1 | 0.20308 | 6.74355 | 0.01355 | 0 | 0.00169 |
| 7-2 | 0.14903 | 7.51329 | 0.0177 | 0.00173 | 0.00225 |
| 7-3 | 0.15802 | 5.65751 | 0.02333 | 0 | 0.00278 |
| 7-4 | 0.12237 | 5.78668 | 0.02284 | 0 | 0.00135 |
| 7-5 | 0.15092 | 7.03056 | 0.01658 | 0.00112 | 0.00059 |
和原始污水污泥焚烧污泥焚烧灰渣中的重金属浸提浓度(单位：mg/L)相比，将污泥焚烧灰渣制备成泡沫砖之后，其重金属固定率(重金属固定率＝制备成砖之后的重金属浸提浓度/污水污泥焚烧污泥焚烧灰渣的重金属浸提浓度)如下表：
表4重金属固定率
其中5％(500℃)是指添加了5％实施例1在500℃条件下热解的生物炭的泡沫混凝土，3％(实施例2 700℃)同理。选择这两组做浸提率计算是因为，这两组在10组泡沫混凝土里面，有最优秀的力学性能，通过TG和XRD也能看到更高的水化反应程度。
通过与国家标准《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)对比，本申请所得泡沫砖在性能方面完全符合国家的相关要求，并达到了污水污泥焚烧污泥焚烧灰渣固废处理资源化利用的目的，同时还可以固定重金属和固碳。
此外，本发明制备的轻质泡沫混凝土具有固碳效果，通过添加花生壳生物炭，在提高物理性能的同时可以达到碳封存的目的。每使用1吨本发明中制备的花生壳生物炭作为原料制备泡沫混凝土，就能固定二氧化碳1.83吨，实现非常好的固碳效益。
由以上实施例可知，本发明制备得到一种性能优异的生物炭，再以生物炭和污泥焚烧灰渣为原料制备得到泡沫混凝土：将污泥焚烧灰渣、水泥和生物炭进行预混，得到干混料；将所得干混料和水进行湿混，得到湿混料；将所得湿混料和减水剂混合，得到混合料；将所得混合料和泡沫混合，得到浆料；对所得浆料顺次进行预养护和养护，得到所述泡沫混凝土。由实施例可得，本发明成功回收利用了污泥焚烧灰渣，使其资源化，所得混凝土孔径分布均匀，物理性能包括抗压、抗折、干密度、耐水性、导热系数等均符合建筑行业标准《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种生物炭的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
将植物类生物质进行破碎，得到生物质颗粒；
将所述生物质颗粒进行炭化热解，生成所述生物炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述植物类生物质包含大麦草、木屑、秸秆、树枝和花生壳中的一种或几种；
所述生物质颗粒的粒径为2～5mm。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述炭化热解的温度为470～530℃，所述炭化热解的时间为1～2h；升温至炭化热解温度的升温速率为10～15℃/min。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述炭化热解结束后，对所得炭化产物进行细化，得到生物炭；
所述细化后的粒径为50～500μm。
5.权利要求1～4任意一项所述制备方法得到的生物炭。
6.由权利要求5所述生物炭制备泡沫混凝土的方法，其特征在于，包含如下步骤：
将污泥焚烧灰渣、生物炭和水泥进行预混，得到干混料；
将所得干混料和水进行湿混，得到湿混料；
将所得湿混料和减水剂混合，得到混合料；
将所得混合料和泡沫混合，得到浆料；
对所得浆料顺次进行预养护和养护，得到所述泡沫混凝土。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述污泥焚烧灰渣和水泥的质量比为不超过1：1；
所述生物炭的添加量为灰渣和水泥总质量的2～5％；
所述干混料和水的质量比为10：(4～5)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述泡沫为将蛋白质类发泡剂用水稀释后，并采用机械搅拌发泡得到；
所述蛋白质类发泡剂和水的质量比为1：(40～50)；
所述泡沫的密度为70～90kg/m3；
所述泡沫的添加量为灰渣和水泥总质量的5～8％；
所述减水剂为聚羧酸盐高效减水剂；
所述减水剂的添加量为湿混料质量的0.2～0.3％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预养护的湿度为93～98％，温度为23～27℃，时间为20～30h；
所述养护的湿度为93～97％，温度为23～27℃，时间为25～30天。
10.权利要求6～9任意一项所述方法得到的泡沫混凝土。
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