CN113998911A - 一种基于二次铝灰地聚物胶凝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次铝灰地聚物胶凝材料及其制备方法，该地聚物胶凝材料以二次铝灰、建筑陶瓷粉、垃圾焚烧飞粉为主要原料，在碱激发剂作用下制得。本发明工艺简单，需要设备少，以工业固废为原料，制得的地聚物胶凝材料固化体具有良好的抗压强度和重金属浸出浓度远低于垃圾焚烧飞粉填埋重金属浸出限值，可用作部分特定的建筑材料。该地聚物胶凝材料制备应用可以实现危险废物二次铝灰与垃圾焚烧飞粉的资源化利用，成本低廉，环境效益明显，可推广性强，具有良好的社会环境经济效益。
Description
技术领域
本发明属于无机胶凝材料技术领域，特别涉及一种基于二次铝灰地聚物胶凝材料及其制备方法。
背景技术
垃圾焚烧过程中产生的垃圾焚烧飞灰，因含有多种重金属以及二噁英等有机污染物，被国家列为HW18类危险废物。据统计显示，每焚烧1000吨垃圾，飞灰产量在30-50吨，我国飞灰年产生量超过了100万吨，堆存待处理量巨大，目前，至少有50％的飞灰未得到妥善处置。
垃圾焚烧飞灰中含有大量有害污染物，汞、铅、镉等重金属难以被生物降解，会在生物体内富集，最终通过食物链进入人体，重金属与人体内蛋白质及酶反应，使蛋白质及酶失活，最终造成慢性中毒。二噁英类污染物的毒性是砒霜的900多倍，是一类剧毒物质，具有极强的致癌性。飞灰中的各种有害成分易通过淋洗转移到地面水或地下水中，具有很强的潜在危害性。此外，根据《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB/T 16889-2008)要求垃圾燃烧飞灰处理达标后进入生活垃圾填埋场进行填埋处理。生态环保部于近期颁布了《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范(试行)》，着眼于飞灰的治理。因此，飞灰的资源化利用至关重要，降低垃圾焚烧飞灰重金属浸出率及实现资源化利用成为具有重要意义的课题。
随着《国家危险废物名录(2021年版)》的颁布与实施，铝灰被明确定义为危险废物(HW48)，受限于铝灰遇水强反应难受控的特点，铝灰渣的安全处理、处置和利用成为棘手的技术难题，更成为近来关注的热点，如何实现铝灰渣降容、减量和资源化利用更是成为研究重点。
地聚物是一种由碱激发硅铝质材料形成的胶凝材料，其由于在制备过程中生成[SiO4]4-四面体和[AlO4]5-四面体中间体，然后发生缩聚反应而生成新的-O-Si-O-Al-O-的无机聚合物网络结构胶凝材料，与普通硅酸盐胶凝材料相比，具有力学性能更好、早期强度高、原料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点，是一种环保水泥，是近年来国际上研究非常活跃的材料之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于二次铝灰地聚物胶凝材料及其制备方法，基于二次铝灰、建筑陶瓷粉及垃圾焚烧飞灰地质聚合反应制备胶凝材料，实现危险废物二次铝灰、垃圾焚烧飞灰以及建筑固废陶瓷料的资源化利用，达到“以废治废”的目的，在改善环境质量，提高社会效益的同时，实现资源的循环利用。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于二次铝灰地聚物胶凝材料，包括如下质量份(或质量分数)的组份：
二次铝灰 40～60份；
建筑陶瓷粉 12～30份；
垃圾焚烧飞灰 20～40份；
碱激发剂 4～8份。
作为优选，所述二次铝灰为铝熔铸、铝冶炼或电解铝行业的二次铝灰。
作为优选，所述建筑陶瓷粉为建筑废陶瓷球磨成粉而得。
作为优选，所述碱激发剂为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属硅酸盐、碱金属铝酸盐、碱金属硫酸盐和碱金属氟酸盐中的一种或几种。
本发明还提供了上述基于二次铝灰地聚物胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)碱激发剂溶液的制备
向水中加入碱激发剂，制备成浓度为2mol/L～5mol/L的碱激发剂溶液；
(2)高温活化二次铝灰与建筑陶瓷粉
先将二次铝灰与建筑陶瓷粉分别研磨成细粉，于800℃下焙烧4h，制得高活性二次铝灰与建筑陶瓷粉细粉；
(3)制备地聚物胶凝材料
1)将二次铝灰、建筑陶瓷粉与垃圾焚烧飞灰混合搅拌均匀，再加入碱激发剂溶液和水，继续搅拌制得地聚物浆料；
2)将地聚物浆料装模、成型并脱模，继续养护即制得地聚物胶凝材料。
作为优选，步骤1)中，按照水灰比为0.3～0.4，二次铝灰与建筑陶瓷粉按活性分Al/Si为3.0/1，垃圾焚烧飞灰添加份数为20～40份，碱激发剂溶液掺量份数4～8份。
本发明中，二次铝灰主要化学成分中含有Al、Al2O3、AlN、Al4C3、CaO和SiO2等，尤其Al2O3的含量比较高，一般在20％～40％；建筑陶瓷粉主要化学成分中含有SiO2、Al2O3·SiO2，Ca2SiO3和Mg2SiO3等，故它具有制备地聚物胶凝材料所需要的主要成分。此外，除前述两种原料外，垃圾焚烧飞灰也含碱性，可以进一步增强制备地聚物胶凝材料过程中所需碱激发剂的功能。因此，研究利用二次铝灰、建筑陶瓷粉以及垃圾焚烧飞灰制备地聚物胶凝材料，对二次铝灰和垃圾焚烧飞灰的综合利用具有很重要的意义。
本发明工艺简单，需要设备少，可以大量处理二次铝灰、垃圾焚烧飞灰，成本低廉，可推广性强，受环境影响小，且制得的地聚物胶凝材料固化体具有良好的抗压强度和重金属浸出浓度远低于垃圾焚烧飞粉填埋重金属浸出限值，可用作部分特定的建筑材料。
具体实施方式
实施例1
(1)碱激发剂溶液制备
向1000mL纯水中加入160g NaOH，待完全溶解制备成浓度为4mol/L的溶液；
(2)高温活化二次铝灰与建筑陶瓷粉
将大颗粒的二次铝灰与建筑陶瓷粉分别研磨成细粉，分别取两种细粉在马弗炉中于800℃条件下焙烧4小时，制得高活性二次铝灰与建筑陶瓷粉细粉，待其冷却后，通过密封式研磨机研磨成混合细粉，分别装袋待用；
(3)制备地聚物胶凝材料
1)按照碱激发剂溶液掺量为6份、水灰比为0.35，以及二次铝灰与建筑陶瓷粉按活性分Al/Si为3.0/1，二次铝灰与建筑陶瓷粉分别添加30份和20份，添加垃圾焚烧飞灰添加量25份，步骤(1)制得的碱激发剂溶液、步骤(2)制得的二次铝灰与建筑陶瓷灰，额外加水和垃圾焚烧飞灰；所述碱激发剂溶液掺量为所添加的步骤(2)制得的二次铝灰与建筑陶瓷粉添加量总和百分数，水灰比为水与步骤(2)制得的二次铝灰、建筑陶瓷粉和垃圾焚烧飞灰添加量总和的质量比，水为额外加水、碱激发剂溶液中的水和碱金属氢氧化物转化为其氧化物所脱的水三者之和；
2)将步骤(3)第1)步称取的额外加水，加入到步骤(3)第1)步称取的碱激发剂溶液中，搅拌混合均匀，冷却，制得溶液备用；
3)将步骤(3)第1)步称取的二次铝灰、建筑陶瓷粉与垃圾焚烧飞灰放入搅拌锅中，启动砂浆搅拌机进行搅拌，当搅拌均匀后，开始缓慢加入步骤(3)第2)步制得的溶液，搅拌混合，当浆料的稀稠度适合时停止搅拌，即制得地聚物浆料；
4)将步骤(3)第3)步制得的地聚物浆料装入4cm×4cm×16cm的模具中，并放于振实台上振荡成型，在室温条件下养护3天，待试样硬化后脱模，将脱模后的样品在25℃下继续养护28天，即制得地聚物胶凝材料。
所述碱金属氢氧化物均为工业级；建筑陶瓷粉为建筑废陶瓷球磨成粉而得，二次铝灰为铝熔铸、铝冶炼与电解铝行业二次铝灰。
本实施例制得的地聚物胶凝材料的抗压强度达到15.6MPa，此外在该配方比例下其金属浸出性能也是极低，主要指标浸出浓度Cr(0.081mg/L)、Cd(0.005mg/L)、Zn(0.652mg/L)Pb(n.d.)、Cu(n.d.)，均远低于国标GB1699-2008要求的填埋限，这说明由二次铝灰、建筑陶瓷粉和垃圾焚烧飞灰制得的地聚物在实现“以废治废”的同时，其主要金属浸出毒性远低于国家标准，结合材料本身具备一定的力学性能，其可用于特性的建筑材料。
对比例1
同实施例1，区别仅在于将碱激发剂中NaOH溶液改为Ca(OH)2溶液掺量仍为6份，其余不变，结果表明所制得的地聚物胶凝材料的抗压强度为5.80MPa，其金属浸出性能主要指标浸出浓度Cr(0.852mg/L)、Cd(0.095mg/L)、Zn(15.622mg/L)、Pb(0.252mg/L)、Cu(15.124mg/L)，抗压强度低于实施例1对应值，金属浸出浓度均高于实施例1，Pb浸出浓度高于国标《生活垃圾填埋场控制标准》GB 16889-2008要求的填埋限。
对比例2
同实施例1，区别仅在于将原料建筑陶瓷粉改为粉煤灰，用量不变，其余各步骤不变，结果表明所制得的地聚物胶凝材料的抗压强度为4.80MPa，其金属浸出性能主要指标浸出浓度Cr(0.526mg/L)、Cd(0.065mg/L)、Zn(10.432mg/L)、Pb(0.156mg/L)、Cu(10.122mg/L)，抗压强度远低于实施例1对应值，金属浸出浓度均高于实施例1，Pb浸出浓度低于国标《生活垃圾填埋场控制标准》GB16889-2008要求的填埋限。
对比例3
同实施例1，区别仅在于将原料建筑陶瓷粉改为高岭土，用量不变，其余各步骤不变，结果表明所制得的地聚物胶凝材料的抗压强度为11.53MPa，其金属浸出性能主要指标浸出浓度Cr(0.112mg/L)、Cd(0.012mg/L)、Zn(0.452mg/L)、Pb(0.005mg/L)、Cu(n.d.)，抗压强度稍低于实施例1对应值，金属浸出浓度均明显高于实施例1，符合《生活垃圾填埋场控制标准》GB 16889-2008要求的填埋限。
以上说明由二次铝灰、建筑陶瓷粉和垃圾焚烧飞灰制得的地聚物在实现“以废治废”的同时，其主要金属浸出毒性远低于国家标准，结合材料本身具备较高的力学性能，其可用于特殊建筑材料。本发明对解决二次铝灰和垃圾焚烧飞灰安全处置难度大，环境污染风险大的问题，为实现两种危废的资源化利用提供了新的途径。
Claims (6)
1.一种基于二次铝灰地聚物胶凝材料，其特征在于，包括如下质量份组成：
二次铝灰 40～60份；
建筑陶瓷粉 12～30份；
垃圾焚烧飞灰 20～40份；
碱激发剂 4～8份。
2.根据权利要求1所述的基于二次铝灰地聚物胶凝材料，其特征在于，所述二次铝灰为铝熔铸、铝冶炼或电解铝行业的二次铝灰。
3.根据权利要求1所述的基于二次铝灰地聚物胶凝材料，其特征在于，所述建筑陶瓷粉为建筑废陶瓷球磨成粉而得。
4.根据权利要求1所述的基于二次铝灰地聚物胶凝材料，其特征在于，所述碱激发剂为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属硅酸盐、碱金属铝酸盐、碱金属硫酸盐和碱金属氟酸盐中的一种或几种。
5.权利要求1-4任一项所述的基于二次铝灰地聚物胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)碱激发剂溶液的制备
向水中加入碱激发剂，制备成浓度为2mol/L～5mol/L的碱激发剂溶液；
(2)高温活化二次铝灰与建筑陶瓷粉
先将二次铝灰与建筑陶瓷粉分别研磨成细粉，于800℃下焙烧4h，制得高活性二次铝灰与建筑陶瓷粉细粉；
(3)制备地聚物胶凝材料
1)将二次铝灰、建筑陶瓷粉与垃圾焚烧飞灰混合搅拌均匀，再加入碱激发剂溶液和水，继续搅拌制得地聚物浆料；
2)将地聚物浆料装模、成型并脱模，继续养护即制得地聚物胶凝材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)的1)中，按照水灰比为0.3～0.4，二次铝灰与建筑陶瓷粉按活性分Al/Si为3.0/1，垃圾焚烧飞灰添加份数为20～40份，碱激发剂溶液掺量份数4～8份。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN114920506A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-08-19 | 洛阳绿筑建筑材料有限公司 | 一种硅铝基再生胶凝材料及其制备方法 |
| CN115321887A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 常熟理工学院 | 利用垃圾焚烧飞灰和二次铝灰制备轻质保温材料的方法 |
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| CN111004051A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-14 | 欧亚华都(宜兴)环保有限公司 | 一种废弃陶瓷掺杂垃圾焚烧飞灰烧结多孔陶瓷的方法 |
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-
2021
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