CN114591743A - 一种适用于北方矿区生态修复的材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种适用于北方矿区生态修复的材料及其制备方法，属于基固废综合利用及矿区生态修复的材料制备技术领域，所述修复材料，包括煤基固废、胶凝材料、发泡剂和水。该生态修复材料主要以煤矸石等常见的煤基固废为原料，就地取材，原材料数量巨大，成本较低，且制备成的生态修复材料主要用于矿区的生态修复，不种植农作物或其他可能进入食物链的植物，只种植观赏性或者有益于改善矿区生态的耐环境且易成活的植物，以此实现矿区的修复和生态植被的恢复。该生态修复材料结构疏松多孔，具有一定的保水性、抗流失性和环境安全性，对多种植物具有非常好的适用性，并且能够抵抗环境因素的影响，特别是北方地区经常发生的冻融现象。
Description
技术领域
本发明属于基固废综合利用及矿区生态修复的材料制备技术领域，具体涉及一种适用于北方矿区生态修复的材料及其制备方法。
背景技术
我国北方地区气候特点主要以寒冷干燥为主，气温在-20℃至40℃范围内发生季节性变化，由于气候特点所致，经常性的发生冻融现象。冻融是因为冬季气温低，导致土壤表层温度和部分深层土壤温度在0℃左右循环性变化，土壤内部水分以“液态-固态-液态”的形式发生相态变化并发生位置迁移，改变了土壤原有的结构组成和微生物活性，影响地表的热力学性质和水文特征，对土壤氮素、碳素的释放及生物地球循环过程造成一定影响，继而影响到土壤的肥力和植物的生长发育。据统计，目前我国存在冻融现象的地区面积多达七百多万平方千米，包括季节性冻融和多年冻融，后者主要集中在东北部地区和高海拔地区，即常年处于冻融作用的影响下。矿区的生态修复目前主要集中在本身结构的改善、重塑、矿区土壤肥力恢复以及相应的土壤砷、镉、铬、铅、锌等重金属元素的处理方面，其主要关注点在于水的保有量、流失率，植物的生长情况以及重金属的析出问题，即矿区环境安全性。
冻融作用会破坏生态修复材料的结构，导致其性能发生一定的退化，且由于本身原料来源于煤基固废、水泥等固废，所以其受冻融作用的影响会发生一定的重金属析出问题。材料结构的改变直接影响着矿区生态修复结果的好坏，包括矿区土壤的保水性能、抗流失性能、土壤容重、土壤强度以及土壤的透气性能。
煤矸石等煤基固废是煤炭开采过程中及工业生成中常见的固体废弃物，产量巨大，占地面积广，处理难度大，随意的堆积排放对堆放地的环境造成非常大的影响。研究发现，煤矸石等煤基固废的元素组成与土壤类似，是一种天然的富含硅、铝、铁、硫、钙等元素，且含有少量钾、有机质以及对植物生长有益的微量元素的潜在性土壤替代品或者补充品，可将煤矸石与土壤结构改善、土壤生态修复等结合起来，起到固废的资源化处置与生态修复的协同化处理作用。
利用煤基固废制备生态修复材料近年来成为研究的重点，而将这种材料与实际环境相结合的研究与专利报道较少，国内专利“一种固废基多孔材料、制备及用于煤矸石山生态修复的材料”（公开号：CN112897972B）公开了以煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、水泥等为原料，加入某种菌根菌固体菌剂，制备固废基多孔材料，用于煤矸石山的生态修复。并未发现利用煤基固废制备用于矿区生态修复且具有一定环境适应能力的材料的专利文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用煤矸石等煤基固废制备具备疏松多孔结构、拥有优良保水性能、抗流失性能以及一定的抗冻融能力的可以用于北方矿区生态修复的材料，以解决矿区生态问题及实际修复中所遇到的冻融现象。
本发明采用如下技术方案：
一种适用于北方矿区生态修复的材料，包括煤基固废、胶凝材料、发泡剂和水，其中，煤基固废和胶凝材料的质量百分数为：煤基固废70-75%、胶凝材料25-30%；发泡剂占煤基固废的质量百分数为0.062-0.075%；水占煤基固废的质量百分数为60-75%。
进一步地，所述煤基固废煤矸石、尾矿中的任意一种或两种。
进一步地，所述胶凝材料包括水泥、硅酸钠、生石灰中的任意一种或由水泥、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰组成的多组分胶凝材料。
进一步地，所述水泥、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰的质量百分比为：水泥41-45%、粉煤灰1%、高炉炉渣40-44%、硅灰14%。
进一步地，所述发泡剂包括铝粉和双氧水中的任意一种。
一种适用于北方矿区生态修复的材料的制备方法，包括如下步骤：
第一步，准备原料，将煤基固废破碎并用球磨仪球磨至80目的细粉，按比例称取各组分；
第二步，混合原料制备浆体：将煤基固废和胶凝材料混合于容器内，设置搅拌机转速为2000-3200r/min，搅拌均匀后，加入发泡剂，控制整个搅拌温度为50-70℃，继续搅拌3-5min；
第三步，浆体注模进行发泡养护：将搅拌均匀的浆体倒入模具内，覆膜并置于70℃恒温恒湿养护箱内进行发泡并进行养护；
第四步，发泡体脱模：在养护箱内养护8-12小时后取出发泡体，脱去模具；
第五步，制块干燥并破碎：将脱去模具的成型制块放于105℃干燥箱内干燥14-18h，干燥完成后取出制块，用破碎机破碎成颗粒状；
第六步，筛分粒径控制颗粒级配：将破碎后的颗粒用电动筛筛分，控制颗粒粒径范围为1-3mm，所制即为可以用于北方矿区生态修复的材料。
本发明的有益效果如下：
本发明利用煤矸石等煤基固废制备用于北方矿区生态修复的材料，既解决了煤基固废资源化利用的问题，又起到了以废治废的目的。本发明制备的固废基生态修复的材料，具备非常好的孔隙结构，具备一定的抗冻融能力，与同类型的生态修复的材料相比，其抵抗冻融作用的影响是其最大特点。而本法所进行的冻融操作是以模拟实际情况为主，具有一定的代表性。本法制备的生态修复材料，可以明显改善矿区土壤的组成结构、提高土壤的保水量、降低土壤流失率、改善土壤的透气性，且能够减轻冻融作用对其性能的影响，是一种潜力巨大的矿区生态修复材料。本发明制备工艺和过程简单，原料及工艺成本低，可以进行规模化的生产。
该生态修复材料主要以煤矸石等常见的煤基固废为原料，就地取材，原材料数量巨大，成本较低，且制备成的生态修复材料主要用于矿区的生态修复，不种植农作物或其他可能进入食物链的植物，只种植观赏性或者有益于改善矿区生态的耐环境且易成活的植物，以此实现矿区的修复和生态植被的恢复。该生态修复材料结构疏松多孔，具有一定的保水性、抗流失性和环境安全性，对多种植物具有非常好的适用性，并且能够抵抗环境因素的影响，特别是北方地区经常发生的冻融现象。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程图；
图2为本发明实施例1制备的修复材料的微观扫描电镜图Ⅰ；
图3为本发明实施例1制备的修复材料的微观扫描电镜图Ⅱ；
图4为本发明实施例1制备的修复材料的微观扫描电镜图Ⅲ；
图5为本发明实施例1制备的修复材料抗冻融性能测试图。
具体实施方式
实施例1
本实施提供了一种适用于北方矿区生态修复的材料及其制备方法，具体制备方法为：
第一步，准备原料：将煤矸石破碎并用球磨仪球磨至粒径大小为80目的细粉，按比例分别称取煤矸石粉、水泥、铝粉和水，即总重量以100计，其中煤矸石粉75%，水泥25%；铝粉占煤矸石粉和水泥的质量百分比为0.075%，水占煤矸石粉和水泥的质量百分比为72%；
第二步，混合原料制备浆体：将称量好的原料均匀混合于容器内，设置搅拌机的转速为3200r/min，均匀加入铝粉，并控制整个搅拌温度为65℃，继续搅拌4min；
第三步，浆体注模进行发泡养护：将搅拌均匀的浆体倒入模具内，覆膜并置于70℃恒温恒湿养护箱内进行发泡并进行养护；
第四步，发泡体脱模：在养护箱内养护10h后取出发泡体，脱去模具；
第五步，制块干燥并破碎：将脱去模具的成型制块放于105℃干燥箱内干燥16h，干燥完成后取出制块，用破碎机破碎成颗粒状；
第六步，筛分粒径控制颗粒级配：将破碎后的颗粒用电动筛筛分，控制颗粒粒径范围为1-3mm，所制即为可以用于北方矿区生态修复的材料。
从图2、图3和图4可知，从微观上揭示了其内部结构是充满着针织网状的疏松多孔结构。
实施例2
本实施提供了一种适用于北方矿区生态修复的材料及其制备方法，具体制备方法为：
第一步，准备原料：将煤矸石破碎并用球磨仪球磨至粒径大小为80目的细粉，按比例分别称取煤矸石粉、水泥、铝粉和水，即总重量以100计，其中煤矸石粉70%，水泥30%；铝粉占煤矸石粉和水泥的质量百分比为0.072%，水占煤矸石粉和水泥的质量百分比为65%；
第二步，混合原料制备浆体：将称量好的原料均匀混合于容器内，设置搅拌机的转速为2800r/min，均匀搅拌均匀后加入铝粉，并控制整个搅拌温度为70℃，继续搅拌4min；
第三步，浆体注模进行发泡养护：将搅拌均匀的浆体倒入模具内，覆膜并置于70℃恒温恒湿养护箱内进行发泡并进行养护；
第四步，发泡体脱模：在养护箱内养护9h后取出发泡体，脱去模具；
第五步，制块干燥并破碎：将脱去模具的成型制块放于105℃干燥箱内干燥16h，干燥完成后取出制块，用破碎机破碎成颗粒状；
第六步，筛分粒径控制颗粒级配：将破碎后的颗粒用电动筛筛分，控制颗粒粒径范围为1-3mm，所制即为可以用于北方矿区生态修复的材料。
实施例3
本实施提供了一种适用于北方矿区生态修复的材料及其制备方法，具体制备方法为：
第一步，准备原料：将尾矿破碎并用球磨仪球磨至粒径大小为70目的细粉，按比例分别称取尾矿粉、水泥、铝粉和水，即总重量以100计，其中尾矿粉72%，水泥28%，铝粉占煤矸石粉和水泥的质量百分比为0.07%，水占煤矸石粉和水泥的质量百分比为67%；
第二步，混合原料制备浆体：将称量好的原料均匀混合于容器内，设置搅拌机的转速为2800r/min，均匀搅拌均匀后加入铝粉，并控制整个搅拌温度为60℃，继续搅拌4min；
第三步，浆体注模进行发泡养护：将搅拌均匀的浆体倒入模具内，覆膜并置于70℃恒温恒湿养护箱内进行发泡并进行养护；
第四步，发泡体脱模：在养护箱内养护12小时后取出发泡体，脱去模具；
第五步，制块干燥并破碎：将脱去模具的成型制块放于105℃干燥箱内干燥16h，干燥完成后取出制块，用破碎机破碎成颗粒状；
第六步，筛分粒径控制颗粒级配：将破碎后的颗粒用电动筛筛分，控制颗粒粒径范围为1-3mm，所制即为可以用于北方矿区生态修复的材料。
表1 实施例产品的性能指标
“¬——”表示未检测。
表2为本发明实施例1的产品安全性能测试图，通过产品冻融前和冻融后重金属的析出情况来说明其具备一定的安全性能，其各项数据均远低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）中关于各重金属的含量要求。
表2
Claims (6)
1.一种适用于北方矿区生态修复的材料，其特征在于：包括煤基固废、胶凝材料、发泡剂和水，其中，煤基固废和胶凝材料的质量百分数为：煤基固废70-75%、胶凝材料25-30%；发泡剂占煤基固废的质量百分数为0.062-0.075%；水占煤基固废的质量百分数为60-75%。
2.根据权利要求1所述的一种适用于北方矿区生态修复的材料，其特征在于：所述煤基固废煤矸石、尾矿中的任意一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种适用于北方矿区生态修复的材料，其特征在于：所述胶凝材料包括水泥、硅酸钠、生石灰中的任意一种或由水泥、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰组成的多组分胶凝材料。
4.根据权利要求3所述的一种适用于北方矿区生态修复的材料，其特征在于：所述水泥、粉煤灰、高炉矿渣和硅灰的质量百分比为：水泥41-45%、粉煤灰1%、高炉炉渣40-44%、硅灰14%。
5.根据权利要求1所述的一种适用于北方矿区生态修复的材料，其特征在于：所述发泡剂包括铝粉和双氧水中的任意一种。
6.一种适用于北方矿区生态修复的材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，准备原料，将煤基固废破碎并用球磨仪球磨至80目的细粉，按比例称取各组分；
第二步，混合原料制备浆体：将煤基固废和胶凝材料混合于容器内，设置搅拌机转速为2000-3200r/min，搅拌均匀后，加入发泡剂，控制整个搅拌温度为50-70℃，继续搅拌3-5min；
第三步，浆体注模进行发泡养护：将搅拌均匀的浆体倒入模具内，覆膜并置于70℃恒温恒湿养护箱内进行发泡并进行养护；
第四步，发泡体脱模：在养护箱内养护8-12小时后取出发泡体，脱去模具；
第五步，制块干燥并破碎：将脱去模具的成型制块放于105℃干燥箱内干燥14-18h，干燥完成后取出制块，用破碎机破碎成颗粒状；
第六步，筛分粒径控制颗粒级配：将破碎后的颗粒用电动筛筛分，控制颗粒粒径范围为1-3mm，所制即为可以用于北方矿区生态修复的材料。
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