CN114195481A - 一种锯泥基瓷化骨料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种锯泥基瓷化骨料及其制备方法和应用。为了解决现有技术存在的含有重金属污染土壤的骨料吸水率高的问题，以及石材锯泥材料制备骨料过程中需要添加粘结剂的限制，本发明提出一种锯泥基瓷化骨料的制备方法，在该制备方法中，无需使用粘结剂，就能促进石材锯泥材料制备完整骨料，并且得到的骨料吸水率较低，仅为0.76～4.33％，同时制备得到的骨料同高强度为17.24～30.82MPa，满足使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种锯泥基瓷化骨料及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
锯泥是指在石材锯切、磨削过程中产生的粉末，这些于石材行业的利用价值不高的粉末被大量堆放。锯泥的长期、大量堆放不经占用大量土地，造成二次资源浪费。此外，干燥后的锯泥由于粒径较小，大风天气产生的扬尘对空气质量产生严重危害，雨水天气使得锯泥随水流进入附近土壤、河流中，造成土壤破坏、地下水污染，带来严重的环境和安全隐患。实现难利用固体废物的大宗高效资源化，成为我国工业可持续发展过程中亟需解决的重要难题。
目前，石材锯泥的主要处置方式包括以下几种：一是露天存放或填埋，二是作为原材料生产灰渣砖、加气混凝土砌块等，三是粉碎制砂等。但这些方法总体存在易产生二次污染、锯泥的消耗量达不到处理的要求等问题。
发明人在研究石材锯泥材料的过程中发现，石材锯泥材料再利用作为陶瓷材料时，必须使用粘土或者粘结剂才能制备成型，否则无法成型，不具备骨料的结构功能和效果。此外，重金属污染土壤因为存在较多的污染元素，容易对环境造成二次污染。
发明内容
为了解决现有技术存在的含有重金属污染土壤的骨料吸水率高的问题，以及石材锯泥材料制备骨料过程中需要添加粘结剂的限制，本发明提出一种锯泥基瓷化骨料的制备方法，在该制备方法中，无需使用粘结剂，就能促进石材锯泥材料制备完整骨料，并且得到的骨料吸水率较低，仅为0.76～4.33％，同时制备得到的骨料同高强度为17.24～30.82MPa，满足使用要求。
具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种锯泥基瓷化骨料的制备方法，包括：以锯泥和污染土壤为原料，经过粉碎、混合、加水搅拌、造粒、预热、高温烧结即可。
本发明第二方面，提供一种锯泥基瓷化骨料的制备方法制备得到的锯泥基瓷化骨料。
本发明第三方面，提供一种锯泥基瓷化骨料在固体废弃物资源化利用领域或者吸附材料领域中的应用。
上述一个或多个技术方案具有以下有益效果：
1)锯泥的主要成分包括SiO2、Al2O3，以及少量的Na2O、K2O、Fe2O3、CaO等，可以作为人造骨料的原材料资源化利用，本发明一些技术方案通过将锯泥与污染土壤结合，在不使用粘合剂的条件下制备具有一定结构的骨料，锚定重金属。
2)单一的污染土壤和石材锯泥均不能制成骨料，实验发现，将二者结合使用，不仅能克服二者的不足，制备出具有一定结构和形状的骨料，而且该骨料吸水率低，力学性能高，高强瓷化骨料重金属元素浸出量低于0.0045mg/L。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
发明人研究发现，石材锯泥材料再利用作为陶瓷材料时，必须使用粘土或者粘结剂才能制备成型，否则无法成型，不具备骨料的结构功能和效果。此外，重金属污染土壤因为存在较多的污染元素，容易对环境造成二次污染，发明人发现，单独使用重金属污染土壤无法制备出骨料，结构极易坍塌，与其他粘结剂制备的骨料存在吸水率高的问题。
因此为了解决现有技术存在的含有重金属污染土壤的骨料吸水率高的问题，以及石材锯泥材料制备骨料过程中需要添加粘结剂的限制，本发明提出一种锯泥基瓷化骨料的制备方法，在该制备方法中，无需使用粘结剂，就能促进石材锯泥材料制备完整骨料，并且得到的骨料吸水率较低，仅为0.76～4.33％，同时制备得到的骨料同高强度为17.24～30.82MPa，满足使用要求。
具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
本发明第一方面，提供一种锯泥基瓷化骨料的制备方法，包括：以锯泥和污染土壤为原料，经过粉碎、混合、加水搅拌、造粒、预热、高温烧结即可。
锯泥的主要成分包括SiO2、Al2O3，以及少量的Na2O、K2O、Fe2O3、CaO等，可以作为人造骨料的原材料资源化利用，本发明一些技术方案通过将锯泥与污染土壤结合，在不使用粘合剂的条件下制备具有一定结构的骨料，锚定重金属。
一些技术公开的方法中锯泥掺量为60％-100％，在外掺硅酸钠粘结剂的条件下制备出的陶粒吸水率在8％左右，筒压强度2.3MPa左右，吸水率较高、强度相对较低，不能满足使用要求。还有一些技术公开了粉煤灰与污染土壤合用实现废物资源化、无害化处理的方案，但仍需使用粘合剂，即使不使用粘合剂，制备的骨料吸水率较高，Cr元素浸出浓度为0.061～0.110mg/L，1h吸水率大于15％。
单一的污染土壤和石材锯泥均不能制成骨料，实验发现，将二者结合使用，不仅能克服二者的不足，制备出具有一定结构和形状的骨料，而且该骨料吸水率低，力学性能高，高强瓷化骨料重金属元素浸出量低于0.0045mg/L，实现了数量级的进步。
在本发明一种或多种实施方式中，所述锯泥指石材锯切、磨削过程中产生的粉末。锯泥SiO2含量在55-75wt.％之间，Al2O3含量在5-18wt.％之间；所述铬污染土壤SiO2含量在25-55wt.％之间，Al2O3含量在10-20wt.％之间，Cr2O3含量在0.2-2.0wt.％之间。
优选地，所述污染土壤包括重金属污染的土壤，所述重金属选自镉、铅、铬、铜、锌中的至少一种。
实验发现，石材锯泥与铬污染的土壤合用，铬浸出浓度最低，低于0.0045mg/L。
在本发明一种或多种实施方式中，所述锯泥和污染土壤干燥、粉碎后按照一定比例混合。
在本发明一种或多种实施方式中，所述水的用量为干燥的锯泥和污染土壤质量之和的18-30％。
在制备过程中添加水是为了使锯泥与污染土壤成球，水的作用不同于粘结剂，添加水后，锯泥与污染土壤依靠自身特点成球，烧结而成的骨料也最大限度保持了锯泥和污染土壤的天然结构，更有助于发挥力学强度、低吸水率、低渗透率的优势。而使用粘结剂时，锯泥与污染土壤会受粘结剂的影响，形成较为紧凑的结构，破坏了锯泥与污染土壤自身的分散性特点和相互的平衡关系，成球后容易在球内部产生应力，经烧结后容易发生内部结构的坍塌，不利于提高骨料的性能。
此外，用水量在不含粘结剂的锯泥和污染土壤体系中尤为重要。用水量高，混合物不易成球，用水量少，部分原料无法成球，即使成球的结构由于润湿不均匀，内部结构容易出现缺陷，经煅烧后，力学强度降低，容易出现表面掉粉的现象。
在本发明一种或多种实施方式中，所述锯泥和污染土壤的质量份数分别为：50-90份和10-50份。
在本发明一种或多种实施方式中，所述预热前还包括烘干的步骤，在一些实施方式中烘干操作也称烘干带操作。所述烘干带温度为150-250℃，骨料在此停留时间10-20min。
在本发明一种或多种实施方式中，所述预热带温度为400-600℃，骨料在此停留时间5-10min。在本发明一种或多种实施方式中，所述高温烧结带温度梯度为1130-1200℃，是最高温度带，骨料在此烧结5-20min。
实验发现，在只有锯泥和污染土壤的体系中，烧结温度直接影响骨料的结构和力学强度、吸水率和重金属元素渗出率。高温烧结温度在1130-1200℃，烧结制备的瓷化骨料强度高、吸水率低。此外，由于骨料表面有一层玻璃体或釉质层覆盖，大大提高了重金属的固化能力，重金属的浸出符合《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)规定的毒性浸出要求，可用于建筑、园林艺术等领域，具有良好的市场前景。
在一些更为具体的实施方式中，锯泥基高强瓷化骨料的制备方法，所述方法步骤包括：
(1)将锯泥、铬污染土壤烘干粉碎，过100-400目筛备用；
(2)将锯泥、铬污染土壤倒入双轴搅拌机混匀，控制锯泥含量在50-90份，铬污染土壤10-50份；
(3)将步骤(2)中混匀后的原料加水搅拌，控制加水量在原料总质量的18-30％，搅拌20-40min；
(4)将步骤(3)中的物料送至对辊成型机进行造粒，然后经过整形过筛一体机进行筛分，得到粒径6-20mm的球状颗粒，不合格的筛下料送绘制双轴搅拌机继续利用；
(5)将步骤(4)中制得的合格骨料生坯送至回转窑烧制，控制烘干带温度为150-250℃，停留时间10-20min；预热带温度为400-600℃，停留时间5-10min，高温烧结带温度为1130-1200℃，停留时间5-20min；烧结后的骨料经过冷却，筛分即得产品。
本发明第二方面，提供一种锯泥基瓷化骨料的制备方法制备得到的锯泥基瓷化骨料。
本发明制备的高强瓷化骨料，外形为规则的球状或椭球状，表面较为光滑，产品粒径在6-20mm，密度等级800-1200kg/m3，筒压强度为13MPa以上，吸水率小于8％，性能远超于GB/T 17431.2-2010《轻集料及其试验方法第一部分：轻集料》。
更为具体地，所述锯泥基瓷化骨料强度为17.24-30.82MPa，1h吸水率低于4.5％。本发明以锯泥与铬污染土壤为原料，来源广泛、成本低廉，既解决了锯泥大量堆存造成的环境污染问题，同时使得锯泥得到了资源化利用，提高了资源利用率。通过添加铬污染土壤，经济、可行地利用固体废弃物制备出高强瓷化骨料，同时所得的瓷化骨料能够很好地固化原料中的重金属铬，在利于资源循环利用和环境保护的同时，减少了陶粒行业对天然原料的需求。
本发明第三方面，提供一种锯泥基瓷化骨料在固体废弃物资源化利用领域或者吸附材料领域中的应用。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种锯泥基高强瓷化骨料产品配方(按质量比计)为：锯泥(干燥基)55％，铬污染土壤45％。
该高强瓷化骨料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将锯泥、铬污染土壤烘干粉碎，过100目筛备用；
(2)将锯泥、铬污染土壤倒入双轴搅拌机混匀，控制锯泥含量在55wt％，铬污染土壤45wt％；
(3)将步骤(2)中混匀后的原料加水搅拌，控制加水量在原料总质量的22％，搅拌40min；
(4)将步骤(3)中的物料送至对辊成型机进行造粒，然后经过整形过筛一体机进行筛分，得到粒径8-12mm的球状颗粒，不合格的筛下料送绘制双轴搅拌机继续利用；
(5)将步骤(4)中制得的合格骨料生坯送至回转窑烧制，烘干温度为200℃，停留时间10min；预热温度500℃，停留时间10min；高温烧结温度1175℃，停留时间10min。烧结后的骨料经过冷却，筛分即得产品。
实施例2
一种锯泥基高强瓷化骨料产品配方(按质量比计)为：锯泥(干燥基)60％，铬污染土壤40％。
该高强瓷化骨料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将锯泥、铬污染土壤烘干粉碎，过120目筛备用；
(2)将锯泥、铬污染土壤倒入双轴搅拌机混匀，控制锯泥含量在60wt％，铬污染土壤40wt％；
(3)将步骤(2)中混匀后的原料加水搅拌，控制加水量在原料总质量的25％，搅拌40min；
(4)将步骤(3)中的物料送至对辊成型机进行造粒，然后经过整形过筛一体机进行筛分，得到粒径8-12mm的球状颗粒，不合格的筛下料送绘制双轴搅拌机继续利用；
(5)将步骤(4)中制得的合格骨料生坯送至回转窑烧制，烘干温度为180℃，停留时间15min；预热温度500℃，停留时间10min；高温烧结温度1165℃，停留时间20min。烧结后的骨料经过冷却，筛分即得产品。
实施例3
一种锯泥基高强瓷化骨料产品配方(按质量比计)为：锯泥(干燥基)75％，铬污染土壤25％。
该高强瓷化骨料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将锯泥、铬污染土壤烘干粉碎，过100目筛备用；
(2)将锯泥、铬污染土壤倒入双轴搅拌机混匀，控制锯泥含量在75wt％，铬污染土壤25wt％；
(3)将步骤(2)中混匀后的原料加水搅拌，控制加水量在原料总质量的27％，搅拌40min；
(4)将步骤(3)中的物料送至对辊成型机进行造粒，然后经过整形过筛一体机进行筛分，得到粒径8-12mm的球状颗粒，不合格的筛下料送绘制双轴搅拌机继续利用；
(5)将步骤(4)中制得的合格骨料生坯送至回转窑烧制，烘干温度为200℃，停留时间10min；预热温度550℃，停留时间7min；高温烧结温度1150℃，停留时间20min。烧结后的骨料经过冷却，筛分即得产品。
实施例4
一种锯泥基高强瓷化骨料产品配方(按质量比计)为：锯泥(干燥基)80％，铬污染土壤20％。
该高强瓷化骨料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将锯泥、铬污染土壤烘干粉碎，过100目筛备用；
(2)将锯泥、铬污染土壤倒入双轴搅拌机混匀，控制锯泥含量在80wt％，铬污染土壤20wt％；
(3)将步骤(2)中混匀后的原料加水搅拌，控制加水量在原料总质量的25％，搅拌45min；
(4)将步骤(3)中的物料送至对辊成型机进行造粒，然后经过整形过筛一体机进行筛分，得到粒径8-12mm的球状颗粒，不合格的筛下料送绘制双轴搅拌机继续利用；
(5)将步骤(4)中制得的合格骨料生坯送至回转窑烧制，烘干温度为150℃，停留时间15min；预热温度450℃，停留时间10min；高温烧结温度1140℃，停留时间12min。烧结后的骨料经过冷却，筛分即得产品。
对比例1
一种锯泥基高强瓷化骨料产品配方(按质量比计)为：锯泥(干燥基)100％，铬污染土壤0％。
该高强瓷化骨料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将锯泥烘干粉碎，过100目筛备用；
(2)将锯泥倒入双轴搅拌机混匀；
(3)将步骤(2)中混匀后的原料加水搅拌，控制加水量在原料总质量的20％，搅拌40min；
(4)将步骤(3)中的物料送至对辊成型机进行造粒，然后经过整形过筛一体机进行筛分，得到粒径8-12mm的椭球状颗粒，不合格的筛下料送绘制双轴搅拌机继续利用；
(5)将步骤(4)中制得的合格骨料生坯送至回转窑烧制，烘干温度为200℃，停留时间10min；预热温度500℃，停留时间10min；高温烧结温度1160℃，停留时间15min。烧结后的骨料经过冷却，筛分即得产品。
对比例2
仅使用铬污染土壤制备骨料
一种锯泥基高强瓷化骨料产品配方(按质量比计)为：铬污染土壤100％。
该高强瓷化骨料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将铬污染土壤烘干粉碎，过100目筛备用；
(2)将锯铬污染土壤倒入双轴搅拌机混匀；
(3)将步骤(2)中混匀后的原料加水搅拌，控制加水量在原料总质量的20％，搅拌40min；
(4)将步骤(3)中的物料送至对辊成型机进行造粒，然后经过整形过筛一体机进行筛分，得到粒径8-12mm的椭球状颗粒，不合格的筛下料送绘制双轴搅拌机继续利用；
(5)将步骤(4)中制得的合格骨料生坯送至回转窑烧制，烘干温度为180℃，停留时间15min；预热温度500℃，停留时间10min；高温烧结温度1165℃，停留时间20min。烧结后的骨料经过冷却，筛分即得产品。
对比例3
与实施例2区别在于，使用粉煤灰和铬污染土壤制备骨料，粉煤灰与实施例2中锯泥用量相同。
骨料性能测试：
对实施例1-4和对比例1-3所得高强瓷化骨料进行堆积密度、筒压强度以及1h吸水率测试，所得数据见表1。
堆积密度、筒压强度以及1h吸水率测试方法参考中华人民共和国国家标准《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》(GB/T 17431.2-2010)。
表1实施例和对比例所得高强瓷化骨料性能测试结果
表1中可以看出，实施例所得的锯泥基高强瓷化骨料，其性能指标均满足国家轻集料的要求。对比例1仅使用了石材锯泥，制备得到的骨料为坍塌的扁平状，不具备骨料的结构特点，即使具有较低的吸水率和较高的强度，但是不满足骨料的结构需求。
对比例2仅使用铬污染土壤、对比例3使用粉煤灰和铬污染土壤制备骨料，堆积密度较小、筒压强度低、吸水率高，应用相对受限。
重金属铬浸出试验
对实施例1-4所得高强瓷化骨料以及对比例1得到的产品，采用《固体废物浸出毒性硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)对其进行浸出毒性试验，测定其铬(六价)的浸出浓度，检测结果如表2所示。
表2实施例1-5所得高强瓷化骨料铬(六价)浸出毒性结果
表2中数据表明，制备成瓷化骨料之后，铬污染土壤中的铬(六价)浸出值大大减小，且同时满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)以及《铬渣污染治理环境保护技术规范》(暂行)(HJ/T 301-2007)中铬渣作为路基材料和混凝土骨料的污染控制指标限值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)
1.一种锯泥基瓷化骨料的制备方法，其特征在于，包括：以锯泥和污染土壤为原料，经过粉碎、混合、加水搅拌、造粒、预热、高温烧结即可。
2.根据权利要求1所述的锯泥基瓷化骨料的制备方法，其特征在于，所述锯泥指石材锯切、磨削过程中产生的粉末；
优选地，所述污染土壤包括重金属污染的土壤，所述重金属选自镉、铅、铬、铜、锌中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的锯泥基瓷化骨料的制备方法，其特征在于，所述锯泥和污染土壤干燥、粉碎后按照一定比例混合；
优选地，所述水的用量为干燥的锯泥和污染土壤质量之和的18-30％。
4.根据权利要求1所述的锯泥基瓷化骨料的制备方法，其特征在于，所述锯泥和污染土壤的质量份数分别为：50-90份和10-50份。
5.根据权利要求1所述的锯泥基瓷化骨料的制备方法，其特征在于，所述预热前还包括烘干的步骤，所述烘干温度为150-250℃，停留时间10-20min。
6.根据权利要求1所述的锯泥基瓷化骨料的制备方法，其特征在于，所述预热温度为450-600℃，停留时间5-10min。
7.根据权利要求1所述的锯泥基瓷化骨料的制备方法，其特征在于，所述高温烧结温度梯度为1130-1200℃，烧结5-20min。
8.权利要求1至7中任一项所述锯泥基瓷化骨料的制备方法制备得到的锯泥基瓷化骨料。
9.根据权利要求8所述的锯泥基瓷化骨料，其特征在于，所述锯泥基瓷化骨料强度为17.24-30.82MPa，1h吸水率低于4.5％。
10.权利要求8或9所述的锯泥基瓷化骨料在建筑领域或者园林艺术领域中的应用。
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