CN114014689B - 一种利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒及其制备方法，该蓄水型陶粒主要原料市政污泥和污染土壤的质量份比为50‑80：20‑50，两者合计100份，还含有秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和柠檬酸，其添加量分别为市政污泥和污染土壤总质量的10‑25％、1‑5％、1‑3％、0‑1％、0‑1％。本发明以市政污泥为原料，充分利用了市政污泥、污染土壤、废弃秸秆等固体废弃物，所制备的蓄水材料具有优异的吸水率和较高的强度，可广泛应用于节能、蓄水储水等领域。

Description

一种利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒及其制备 方法

技术领域

本发明属于以废物作为配合料的制备原料的黏土制品技术领域，具体涉及一种利用固体废弃物市政污泥制备的低温造孔蓄水型陶粒及其制备方法。

背景技术

随着建筑材料的快速发展，人们环保意识的提高，以及其对生活环境的要求也越来越高。因此，将工业废渣应用到建筑材料，将给社会产生巨大的社会和环保效益。

随着工业化和城市化的发展，产生的工业废水和城市污水越来越多，这些废水污水处理后产生由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的非均质体，即污泥。从工业废水中脱离出来的污泥，成分复杂，有机物含量高且含有大量的微生物、机质及丰富的氮、钾等营养物质，还有细菌、无机颗、重金属、病原微生物等有害物质，由于污水处理厂“重水轻泥”，大量的市政污泥被简单地堆积或简易填埋，容易对环境造成二次污染。目前对于污泥的处理主要有卫生填埋、土地利用和污泥焚烧等，然而，这几种方式具有一定的局限性，且消除有害物质、减少环境二次污染的效果不够理想。进行卫生填埋时，污泥的含水率不能超过60％，且处理不当会产生CO₂、CH₄等温室气体，对环境造成污染，同时CH₄作为一种能源气体，没有得到充分利用，造成资源浪费；而进行土地利用前则需要对污泥进行严格的处理(超标的重金属、某些病原细菌和寄生虫卵等)，保证污泥的安全利用，工序较为复杂；污泥焚烧则存在能耗大、成本高等缺点。因此寻找一种既无害又可以合理利用污泥资源的方法处理大量的污泥已迫在眉睫。

蓄水型陶粒由于特殊的多孔性结构，使其具有高比表面积、高孔隙率、高透过性、高吸附性、可组装性等诸多优异的物理化学性能，因此得到广泛应用。蓄水型陶粒是目前使用广泛的储水、净水材料，综合吸水率最高可达110％；每立方陶土可吸储400-500Kg雨水，蓄水陶土埋于地表土壤之下，与植物结合可以有效储存自然雨水，大幅度减少雨水的流失，并逐渐释放给周围干燥的土层，供应植被正常生长所需要的水源。陶粒最开始是由黏土、页岩等作为原材料，随着资源的短缺和人们环保意识的增强，希望使用包括污泥、赤泥、河道底泥、石粉、粉煤灰以及牡蛎壳等固体废弃物代替黏土、页岩等成为陶粒的主要原料，这样不仅可以解决大量废弃物的处置问题，还降低了废弃物资源化利用的成本，一举两得。然而目前制备的蓄水型陶粒仍然存在一些问题：陶粒的制备过程多采用高温造孔的方式，在一定程度上限制了孔隙的生成，导致陶粒中存在大量闭气孔，开孔隙率不高，蓄水能力有待提升这也。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种利用市政污泥制备的低温造孔蓄水型陶粒及其制备方法，利用市政污泥中的产甲烷菌及体系中含有的营养物质，在较低温度下形成闭气孔，再烧结固化得到蓄水性能和力学性能良好的蓄水型陶粒。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒，其主要原料市政污泥和污染土壤的质量份比为50-80：20-50，两者合计100份，还含有秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和柠檬酸，其添加量分别为市政污泥和污染土壤总质量的10-25％、1-5％、1-3％、0-1％、0-1％。

可选地，所述市政污泥取自于武汉市某污水处理厂，其含水率为80-95％，其烘干物中各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂ 30-50％，Al₂O₃ 10-20％，Fe₂O₃ 5-15％，K₂O 0-10％，CaO 0-10％。污泥中的含水率很高且含有大量的有机质，此外还含有钙、铁、铝硅等无机物，因此可以应用在蓄水陶粒上，代替其他的有机质原料，降低蓄水陶粒的生产成本，并且具有显著的环保效益。

可选地，所述污染土壤的含水率为10-30％，且其烘干物中各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂ 50-65％，Al₂O₃ 10-20％，Fe₂O₃ 0-5％，K₂O 0-5％，CaO 5-10％，MgO 0-3％，TiO₂ 0-3％。

可选地，所述秸秆为农作物秸秆用破碎机破碎后得到，长度小于1cm，含水量低于5％，烧失量大于50％。

优选的是，所述农作物秸秆为水稻秸秆，小麦秸秆，棉花秸秆，甘蔗秸秆，玉米秸秆中的一种。

可选地，所述锂云母尾矿粉末为锂云母尾矿回收后经破碎细磨制成，平均粒径为2.5μm以下，其中各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂ 50-70％，Al₂O₃ 10-20％，Na₂O 0-10％，K₂O 0-10％，LiO₂ 0-2％，Fe₂O₃ 0-1％。

可选的，所述硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)粒径为0.6-0.8mm。

可选的，所述尿素的纯度≥99％(质量百分含量)。

可选的，所述柠檬酸为一水柠檬酸(C₆H₈O₇·H₂O)，纯度≥99.5％(质量百分含量)。在本发明体系中一水柠檬酸作为厌氧微生物的生长、繁殖场所，吸附、聚集高密度的微生物群落及环境中的营养物质，提高底物、营养物质的利用效率，加速有机质分解，最终大幅提高沼气产量。

本发明还提供上述低温造孔蓄水型陶粒的制备方法，包括如下步骤：

1)按比例称取原料，备用；

2)将所述市政污泥、锂云母尾矿粉末、硼砂与秸秆混合，根据需要加入尿素和柠檬酸，混合搅拌均匀，得到固体混合料；

3)将步骤2)所得固体混合料置于密闭的环境中培养(培养的作用在于给产甲烷菌类一定的生长环境，进行发气，产生气孔)，得到混合培养料；

4)将所述污染土壤破碎过筛后与步骤3)所得混合培养料混合，采用挤出成型装置造粒，并将得到的颗粒料置于密闭容器中静置发泡，随后干燥并烧结得到蓄水型陶粒成品。

可选地，步骤3)中所述培养的温度为35-55℃，培养的时间为7-14d。

可选地，步骤4)中的筛为200目筛。

可选地，步骤4)中所述静置发泡的温度为35-55℃，发泡时间为24-48h。

可选地，步骤4)中所述干燥的温度为100-110℃，干燥时间为12-24h。

可选地，步骤4)中所述烧结工艺条件为：从室温(15-35℃)下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30min，再以10℃/min的升温速率升温至900-950℃，保温30-60min。

本发明的主要技术原理为：

由于市政污泥中本身就存在大量的菌类，其中也包括产甲烷菌，秸秆中也含有大量的含碳物质，可以作为沼气发酵的接种物，在低温造孔阶段，通过调节适宜的温度、pH值(本发明原料混合后pH值在6.5-8之间，适合菌类生长)、接种物含量和密闭厌氧的环境，给这些产甲烷菌提供合适的生长环境，使其产生甲烷，在较低温度下形成闭气孔，提高蓄水型陶粒的吸水率，在这个阶段中，尿素可以给微生物提供氮营养，提高微生物活性并促进新陈代谢，提高甲烷的产量，而一水柠檬酸作为厌氧微生物的生长、繁殖场所，吸附、聚集高密度的微生物群落及环境中的营养物质，提高底物、营养物质的利用效率，加速有机质分解，最终大幅提高沼气产量，在尿素和一水柠檬酸的联合作用下，可以在低温造孔阶段形成大量的闭气孔。而在高温成型阶段，秸秆作为造孔剂，其中不稳定的半纤维素和纤维素开始分解产生气体释放，在高温下燃烧构建多孔形状，通过调控其用量，构建相互贯通的内部孔隙，有效提升其导热性能和蓄水性能；同时，本发明引入的污染土壤能够代替黏土提供硅铝质原料，构成陶粒的骨架结构，维持其强度(污染土壤中的污染物分为有机物残留、微生物、重金属，其中有机物和微生物均可以在后期烘干、烧结过程中去除，并提供一定孔隙，而陶粒本身可以固化重金属)，锂云母尾矿粉末在高温下形成的玻璃相将在烧结体中强化骨架，可显著提升多孔材料的烧结强度，通过对锂云母尾矿粉末添加量进行调控，有效兼顾其蓄水性能和力学性能。

相对于现有技术，本发明所述的低温造孔蓄水型陶粒具有以下优势：

1.本发明采用的原料基本为工业、农业废气物或次生有害物质，具有重要的环境和社会效益，降低了固体废弃物对环境的污染，大大降低了蓄水型陶粒的生产成本；

2.本发明通过市政污泥中携带的各种菌类和有机质，利用沼气发酵的原理进行低温造孔，形成闭气孔，增加了蓄水型型陶粒的吸水率；

3.本发明通过添加锂云母尾矿粉末，在成型过程中生成熔点较低的共熔混合物，强化骨架，增加蓄水型陶粒的强度(抗压强度达0.71-0.87MPa)；

4.本发明所得蓄水型陶粒具有相互贯通的内部孔隙，闭孔少，开孔多(开孔隙率达56.81-77.46％)，且蓄水(吸水率达74.57-95.33％)、吸音效果非常好，可在海绵城市的建设中发挥非常大的作用。

具体实施方式

下面将结合实施例来详细说明本发明。

以下实施例中采用的市政污泥来自武汉市某污水处理厂，其含水率为90％，烘干后有机质含量为27％，其余主要成分及质量百分含量为：SiO₂ 48％、Al₂O₃ 17％、Fe₂O₃10％、K₂O3.5％、CaO 5.5％、SO₃ 4％；秸秆为水稻秸秆，其烧失量＞50％，含水率＜5％，长度经过破碎机破碎后＜1cm；污染土壤含水率为22％，烘干后各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂60.5％、Al₂O₃ 13.3％、Fe₂O₃ 2.4％、K₂O 3.5％、CaO 7.8％、MgO 2.2％、TiO₂1.7％。

以下实施例中采用的锂云母尾矿粉末为锂云母尾矿回收后经破碎细磨制成，平均粒径为2.5μm以下，其中各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂ 68％，Al₂O₃ 15％，Na₂O4.3％，K₂O 3.2％，LiO₂ 1.7％，Fe₂O₃ 0.83％；硼砂粒度0.7mm左右；尿素纯度为分析纯，其质量百分含量≥99％；一水柠檬酸纯度为分析纯，其质量百分含量≥99.5％。

实施例1

一种低温造孔蓄水型陶粒，主要原料为市政污泥和污染土壤，按质量份计，比例如下：60份市政污泥，40份污染土壤，同时外掺市政污泥和污染土壤总质量10％的秸秆、2.5％的锂云母尾矿粉末、3％的硼砂、0.5％的尿素、0.5％的一水柠檬酸。

该低温造孔蓄水型陶粒的制备方法具体包括以下步骤：

1)按照上述配方称取原料，将市政污泥、秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和一水柠檬酸混合，得到固体混合料；

2)将固体混合料置于密闭的环境中，在40℃下进行为期两周的密闭培养，得到混合培养料；

3)将污染土壤破碎过200目筛后与混合培养料混合搅拌，采用挤出成型装置造粒成型，并将得到的颗粒料置于密闭容器中，在40℃下静置24h，进行发泡，然后将所得样品在105℃下干燥24h，随后将干燥后的样品进行烧结，烧结工艺条件为：室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30min，再以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温30min，烧制成型，待其冷却至室温即得到蓄水陶粒成品。

经测试，本实施例的低温造孔蓄水型陶粒抗压强度为0.71MPa，开孔隙率为66.74％，吸水率为81.82％。

实施例2

一种低温造孔蓄水型陶粒，主要原料为市政污泥和污染土壤，按质量份计，比例如下：60份市政污泥，40份污染土壤，同时外掺市政污泥和污染土壤总质量10％的秸秆、2.5％锂云母尾矿粉末、3％的硼砂、0.5％的尿素和0.5％的一水柠檬酸。

该低温造孔蓄水型陶粒的制备方法具体包括以下步骤：

1)按照上述配方称取原料，将市政污泥、秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和一水柠檬酸混合，得到固体混合料；

2)将固体混合料放于密闭的环境中，在40℃进行为期两周的密闭培养，得到混合培养料；

3)将污染土壤破碎过200目筛后与混合培养料混合搅拌，采用挤出成型装置造粒成型，并将得到的颗粒料置于密闭容器中，在40℃下静置24h，进行发泡，然后将所得样品在105℃下干燥24h，随后将干燥后的样品进行烧结，烧结工艺条件为：室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30min，再以10℃/min的升温速率升温至950℃，保温30min，烧制成型，待其冷却至室温即得到蓄水陶粒成品。

经测试，本实施例的低温造孔蓄水型陶粒抗压强度为0.82MPa，开孔隙率为56.81％，吸水率为74.57％。

实施例3

一种低温造孔蓄水型陶粒，主要原料为市政污泥和污染土壤，按质量份计，比例如下：60份市政污泥，40份污染土壤，同时外掺市政污泥和污染土壤总质量10％的秸秆、2.5％锂云母尾矿粉末、3％的硼砂、0.5％的尿素和0.5％的一水柠檬酸。

该低温造孔蓄水型陶粒的制备方法具体包括以下步骤：

1)按照上述配方称取原料，将市政污泥、秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和一水柠檬酸混合，得到固体混合料；

2)将固体混合料置于密闭的环境中，在50℃进行为期两周的密闭培养，得到混合培养料；

3)将污染土壤破碎过200目筛后与混合培养料混合搅拌，采用挤出成型装置造粒成型，并将得到的颗粒料置于密闭容器中，在50℃下24h，进行发泡，然后将所得样品在105℃下干燥24h，随后将干燥后的样品进行烧结，烧结工艺条件为：室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30min，再以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温30min，烧制成型，待其冷却至室温即得到蓄水陶粒成品。

经测试可知，本实施例的低温造孔蓄水型陶粒抗压强度为0.74MPa，开孔隙率为74.25％，吸水率为94.38％。

实施例4

一种低温造孔蓄水型陶粒，主要原料为市政污泥和污染土壤，按质量份计，比例如下：60份市政污泥，40份污染土壤，同时外掺市政污泥和污染土壤总质量10％的秸秆、2.5％锂云母尾矿粉末、3％的硼砂、0.5％的尿素和0.5％的一水柠檬酸。

该低温造孔蓄水型陶粒的制备方法具体包括以下步骤：

1)按照上述配方称取原料，将市政污泥、秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和一水柠檬酸混合，得到固体混合料；

2)将固体混合料置于密闭的环境中，在50℃进行为期两周的密闭培养，得到混合培养料；

3)将污染土壤破碎过200目筛后与混合培养料混合搅拌，采用挤出成型装置造粒成型，并将得到的颗粒料置于密闭容器中，在50℃下静置24h，进行发泡，然后将所得样品在105℃下干燥24h，随后将干燥后的样品进行烧结，烧结工艺条件为：室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30min，再以10℃/min的升温速率升温至950℃，保温30min，烧制成型，待其冷却至室温即得到蓄水陶粒成品。

经测试，本实施例的低温造孔蓄水型陶粒抗压强度为0.87MPa，开孔隙率为58.34％，吸水率为77.64％。

实施例5

一种低温造孔蓄水型陶粒，主要原料为市政污泥和污染土壤，按质量份计，比例如下：60份市政污泥，40份污染土壤，同时外掺市政污泥和污染土壤总质量15％的秸秆、2.5％锂云母尾矿粉末、3％的硼砂、0.5％的尿素和0.5％的一水柠檬酸。

该低温造孔蓄水型陶粒的制备方法具体包括以下步骤：

1)按照上述配方称取原料，将市政污泥、秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和一水柠檬酸混合，得到固体混合料；

2)将固体混合料置于密闭的环境中，在50℃进行为期两周的密闭培养，得到混合培养料；

3)将污染土壤破碎过200目筛后与混合培养料混合搅拌，采用挤出成型装置造粒成型，并将得到的颗粒料置于密闭容器中，在50℃下静置24h，进行发泡，然后将所得样品在105℃下干燥24h，随后将干燥后的样品进行烧结，烧结工艺条件为：室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30min，再以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温30min，烧制成型，待其冷却至室温即得到蓄水陶粒成品。

经测试，本实施例的低温造孔蓄水型陶粒抗压强度为0.72MPa，开孔隙率为77.46％，吸水率为98.42％。

实施例6

一种低温造孔蓄水型陶粒，主要原料为市政污泥和污染土壤，按质量份计，比例如下：60份市政污泥，40份污染土壤，同时外掺市政污泥和污染土壤总质量15％的秸秆、2.5％锂云母尾矿粉末、3％的硼砂、0.5％的尿素和0.5％的一水柠檬酸。

该低温造孔蓄水型陶粒的制备方法具体包括以下步骤：

1)按照上述配方称取原料，将市政污泥、秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和一水柠檬酸混合，得到固体混合料；

2)将固体混合料置于密闭的环境中，在50℃进行为期两周的密闭培养，得到混合培养料；

3)将污染土壤破碎过200目筛后与混合培养料混合搅拌，采用挤出成型装置造粒成型，并将得到的颗粒料置于密闭容器中，在50℃下静置24h，进行发泡，然后将所得样品在105℃下干燥24h，随后将干燥后的样品进行烧结，烧结工艺条件为：室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30min，再以10℃/min的升温速率升温至950℃，保温30min，烧制成型，待其冷却至室温即得到蓄水陶粒成品。

经测试，本实施例的低温造孔蓄水型陶粒抗压强度为0.78MPa，开孔隙率为75.84％，吸水率为95.33％。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒，其特征在于，其主要原料市政污泥和污染土壤的质量份比为 50-80：20-50，两者合计100份，还含有秸秆、锂云母尾矿粉末、硼砂、尿素和柠檬酸，其添加量分别为市政污泥和污染土壤总质量的 15-25%、 1-5%、 1-3%、0.5-1%、0.5-1%；

其制备方法包括如下步骤：

1）按比例称取原料，备用；

2）将所述市政污泥、锂云母尾矿粉末、硼砂与秸秆混合，加入尿素和柠檬酸，混合搅拌均匀，得到固体混合料；

3）将步骤2）所得固体混合料置于密闭的环境中培养，培养的温度为50-55℃，培养的时间为14 d，得到混合培养料；

4）将所述污染土壤破碎过筛后与步骤3）所得混合培养料混合，采用挤出成型装置造粒，并将得到的颗粒料置于密闭容器中静置发泡，静置发泡的温度为50-55℃，发泡时间为24-48 h，随后干燥并烧结得到蓄水型陶粒成品，所述烧结工艺条件为：从室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30 min，再以10℃/min的升温速率升温至900-950℃，保温30-60 min。

2.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒，其特征在于，所述市政污泥取自于武汉市某污水处理厂，其含水率为80-95%，其烘干物中各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂ 30-50%，Al₂O₃ 10-20%，Fe₂O₃ 5-15%，K₂O 0-10%，CaO 0-10%。

3.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒，其特征在于，所述污染土壤的含水率为10-30%，且其烘干物中各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂ 50-65%，Al₂O₃ 10-20%，Fe₂O₃ 0-5%，K₂O 0-5%，CaO 5-10%，MgO 0-3%，TiO₂ 0-3%。

4.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒，其特征在于，所述秸秆为农作物秸秆用破碎机破碎后得到，长度小于1 cm，含水量低于5%，烧失量大于50%。

5.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒，其特征在于，所述锂云母尾矿粉末为锂云母尾矿回收后经破碎细磨制成，平均粒径为2.5 μm以下，其中各组分及其所占质量百分比包括：SiO₂ 50-70%，Al₂O₃ 10-20%，Na₂O 0-10%，K₂O 0-10%，LiO₂0-2%，Fe₂O₃ 0-1%。

6.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备的低温造孔蓄水型陶粒，其特征在于，所述柠檬酸为一水柠檬酸，纯度≥99.5%。

7.一种权利要求1-6任一项所述的低温造孔蓄水型陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按比例称取原料，备用；

2）将所述市政污泥、锂云母尾矿粉末、硼砂与秸秆混合，加入尿素和柠檬酸，混合搅拌均匀，得到固体混合料；

3）将步骤2）所得固体混合料置于密闭的环境中培养，培养的温度为50-55℃，培养的时间为14 d，得到混合培养料；

4）将所述污染土壤破碎过筛后与步骤3）所得混合培养料混合，采用挤出成型装置造粒，并将得到的颗粒料置于密闭容器中静置发泡，静置发泡的温度为50-55℃，发泡时间为24-48 h，随后干燥并烧结得到蓄水型陶粒成品，所述烧结工艺条件为：从室温下以10℃/min的升温速率升温至600℃预热30 min，再以10℃/min的升温速率升温至900-950℃，保温30-60 min。