CN115286419B - 一种硫酸法提锂渣制得的轻质陶粒及其制备方法和应用 - Google Patents

一种硫酸法提锂渣制得的轻质陶粒及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于固废处理领域，具体涉及一种硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，将包含硫酸法提锂渣、添加剂A、添加剂B的原料进行造粒制得球团，再将球团进行焙烧处理，即得；所述的添加剂A包含碳酸镁和碳酸钙；所述的添加剂B为钠长石、钾长石中的至少一种。本发明还包含所述制备方法制得的轻质陶粒及其在制备混凝土中的应用。本发明中，针对硫酸法提锂渣物料所致的陶粒难于制备，强度以及堆积密度性能不理想等问题，本发明创新地将硫酸法提锂渣和添加剂A和添加剂B联合，如此能够实现协同，能够解决硫酸法提锂渣成分特点所致的轻质陶粒制备难题，能够制备兼顾优异强度以及轻质优势的陶粒。

Description

一种硫酸法提锂渣制得的轻质陶粒及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于人造轻集料技术领域，具体涉及一种轻质陶粒技术领域。
背景技术
锂作为动力电池的核心元素之一，近几年来锂矿行业发展迅速，我国是世界上锂辉石精矿储量最大的国家，主要采取浓硫酸-碳酸钙法提取碳酸锂，在生产碳酸锂过程中产生了大量的锂渣，锂渣的堆存不仅造成土地资源的浪费，还对周围环境存在安全隐患。在大力发展锂电的同时，锂渣的处理与利用是一个不容忽视的重大问题。
锂渣的化学成分与黏土相似，主要含有二氧化硅、氧化铝和一些其它金属氧化物，因此锂渣是一种生产轻质陶粒的优良原材料。轻质陶粒是一种轻质骨料，主要应用于建筑中结构保温混凝土和高强混凝土的骨料，具有保温、隔热等优良性能。目前制备陶粒的原料主要为黏土和页岩等矿产资源，黏土和页岩是不可再生的宝贵的天然资源，过度依赖和开采会破坏自然植被，在一定程度上打破生态系统的平衡，不利益环境的保护。
固废资源再利用制备陶粒是近年来一个研究热点，然而，现有技术中还没有采用硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的研究。
发明内容
为填补硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的空白，本发明提供了一种硫酸法提锂渣(本发明也简称为锂渣)制备轻质陶粒的方法，旨在填补硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的空白，并制备得到兼顾强度和轻质的陶粒。
本发明第二目的在于，提供所述的制备方法制得的轻质陶粒。
本发明第三目的在于，提供所述制备方法制得的轻质陶粒在混凝土等领域的应用。
本发明在行业内首次提出采用硫酸法提锂渣制备轻质陶粒，然而，研究发现，硫酸法提锂渣中含有大量的硫酸钙，其会很大程度影响陶粒的强度、发泡性能，特别是硫酸法提锂渣的掺量较大时，会进一步加大陶粒的制备难度，使其难于成功制备。针对该问题，本发明提供了以下的改进方案：
一种硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，将包含硫酸法提锂渣、添加剂A、添加剂B的原料进行造粒制得球团，再将球团进行焙烧处理，即得；
所述的添加剂A包含碳酸镁和碳酸钙；
所述的添加剂B为钠长石、钾长石中的至少一种。
本发明中，针对硫酸法提锂渣物料所致的陶粒难于制备，强度以及堆积密度性能不理想等问题，本发明创新地将硫酸法提锂渣和添加剂A和添加剂B联合，如此能够实现协同，能够解决硫酸法提锂渣成分特点所致的轻质陶粒制备难题，能够制备兼顾优异强度以及轻质优势的陶粒。
本发明中，所述的硫酸法提锂渣为含有CaSO4·nH2O的提锂渣。本发明中，硫酸法提锂渣中的硫酸钙的含量没有特别要求，但考虑到技术效果工艺价值最大化，其可以是CaSO4·nH2O含量为15.0-26.0wt.％的高硫酸钙含量提锂渣。
本发明中，所述的硫酸法提锂渣可以为锂辉石硫酸法提锂渣。
本发明中，所述的硫酸法提锂渣中，除了包含所述含量的CaSO4·nH2O外，还允许含有以下质量百分比的成分：烧失量L.O.I为1.0-6.0％，SiO2为45-53％，Al2O3为18-23％，Fe2O3为0.5-2.0％，MgO为0.1-1.0％，Na2O为0.1-0.5％，K2O为0.1-0.6％。所述的渣中，还允许存在微量成分。
本发明中，所述的碳酸镁和碳酸钙的组合添加剂A是协同解决硫酸法提锂渣难于制备高强度、轻质的陶粒的关键；将所述的添加剂A和添加剂B联合，有助于进一步改善硫酸法提锂渣制备高强度的轻质陶粒。
本发明中，添加剂A中的碳酸镁和碳酸钙的比例可根据需要进行调整，考虑到制备效果以及成本，其中的碳酸镁和碳酸钙的摩尔比为1～3：1～3；进一步优选为白云石。本发明研究发现，采用白云石复盐物相，有助于进一步协同解决硫酸法提锂渣成分所致的陶粒的制备难度，有助于进一步制备得到兼顾优异强度和轻质特性的陶粒。
本发明中研究发现，得益于所述附加成分的组合协同，能够实现硫酸法提锂渣制备轻质陶粒，不仅如此，还能够利于高掺量的轻质陶粒的制备。例如，所述的原料中，按重量百分比计，所述的硫酸法提锂渣的含量为60-80％，所述的添加剂A的含量为10-20％，所述的添加剂B的含量为10-20％。优选地，所述的硫酸法提锂渣的含量为60-65％，所述的添加剂A的含量为15-20％，所述的添加剂B的含量为15-20％。本发明研究发现，在所述的高掺量下，配合所述的添加成分的联合，能够进一步实现协同，可以获得更优的轻质陶粒制备效果，能够制得兼顾优异强度和轻质性能的轻质陶粒。
本发明中，可基于常规的造球工艺进行球团制备。例如，控制原料的粒径、加水造粒后干燥，制得球团。
作为优选，控制原料的粒径小于或等于100目；
优选地，水为原料重量的20-30％；
优选地，球团的直径大小为10-20mm。
本发明中，将球团进行焙烧处理，制得所述的轻质球团。
本发明中，焙烧过程包括两段保温平台，其中，第一保温平台的温度为500-600℃；第一保温平台保温时间优选为10-30分钟。
第二保温平台的温度为1100-1200℃，第二保温平台保温时间优选为10-30分钟。
本发明优选的制备过程，步骤包括：
S1、将硫酸法提锂渣、钠长石粉和白云石粉磨细至100目以下，然后将锂渣、钠长石粉和白云石粉按所述质量百分比混合配料并均匀搅拌；
S2、将混合料加入圆盘造球机中，待转速稳定向球盘中均匀喷水，加水量占原料量的20-30％，产生直径大小为10-20mm的球形颗粒；
S3、将球形颗粒在烘箱中烘干，然后转入马弗炉中；
S4、马弗炉升温至500-600℃，保温10-30分钟；然后再升温至1100-1200℃，保温10-30分钟；最后在炉中随炉冷却到常温，得到轻质陶粒成品。
本发明还提供了一种所述制备方法制得的轻质陶粒。
本发明中，得益于所述特殊的制备工艺，能够赋予制得的产物特殊的微观结构和性质特点，且所述的产品兼顾优异的强度和轻质性能。
本发明中，所述的轻质陶粒1h吸水率为小于5％，筒压强度3.5-8.8MPa，堆积密度480-650kg/m3。
本发明还提供了一种所述的轻质陶粒的应用，将其作为骨料，用于制备混凝土。
本发明中，所述制备方法制得的轻质陶粒可应用在建筑中结构保温混凝土和高强混凝土的骨料，具有保温、隔热等优良性能。
有益效果：
1、本发明填补了硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的空白，且进一步通过组合的添加剂A和添加剂B联合解决硫酸法提锂渣成分特点所致的难于制备轻质陶粒的问题；能够制备得到兼顾强度和轻质密度的轻质陶粒。
2、本发明提供了一种全新的硫酸法提锂渣的消纳以及资源化利用方法，且制备工艺简单，容易实现，制得的产品的性能优异国标，能够带来优异的环保、经济价值。
附图说明
图1是实施例1制得的轻质陶粒图。
具体实施方式
以下案例中，所述的吸水率、筒压强度和堆积密度参考轻集料及其测试方法(GB/T17431.1-2010)进行测定。
实施例1
该案例的硫酸法提锂渣的成分特点为：
以下案例中，采用的硫酸法提锂渣(简称为锂渣)的特点在于：按质量百分比计，烧失量L.O.I为3.8％，SiO2为49.4％，Al2O3为20.3％，Fe2O3为1.8％，CaSO4·nH2O为20.4％，MgO为0.8％，Na2O为0.5％，K2O为0.4％，其他微量成分共2.6％。
制备步骤包括为：
S1、将硫酸法提锂渣、钠长石粉和白云石粉磨细至100目以下，然后按质量百分比硫酸法提锂渣60％、钠长石粉20％和白云石粉20％混合配料并均匀搅拌；
S2、将混合料加入圆盘造球机中，待转速稳定向球盘中均匀喷水，加水量占原料量的25％，产生直径大小为10-20mm的球形颗粒；
S3、将球形颗粒在105℃的烘箱中烘干，然后转入马弗炉中；
S4、马弗炉以10℃/min的速率升温至500℃(T1)，保温10分钟；然后再以10℃/min的速率升温至1100℃(T2)，保温10分钟；最后在炉中随炉冷却到常温，得到轻质陶粒成品。
利用上述方法制备的轻质陶粒成品的特性为1h吸水率为3.8％，筒压强度8.4MPa，堆积密度650kg/m3。
实施例2
和实施例1相比，区别仅在于，S1中，原料的混合比例为：硫酸法提锂渣65％、钠长石粉20％和白云石粉15％。其他操作和参数同实施例1。
测试结果为：1h吸水率4.0％，筒压强度8.0MPa，堆积密度635kg/m3。
实施例3
和实施例1相比，区别仅在于，改变S1的成分类型，具体的组别为：
(A)：采用等重量的钾长石替换所述的钠长石。
(B)：采用摩尔比为1:1的碳酸镁和碳酸钙混合物替换所述的白云石，其中混合物和钠长石的添加含量相同。
测试结果为：
(A)：1h吸水率4.2％，筒压强度8.2MPa，堆积密度660kg/m3。
(B)：1h吸水率3.5％，筒压强度7.8MPa，堆积密度695kg/m3。
通过实验B和实施例比较可知，采用复盐形态的复合添加剂A，能够进一步实现协同，能够进一步解决锂渣制备轻质陶粒的难题，能够获得兼顾更优强度和轻质的陶粒。
实施例4
和实施例1相比，区别仅在于，改变硫酸法提锂渣的特点，分别为：
A：按质量百分比计，烧失量L.O.I为1.8％，SiO2为52.8％，Al2O3为22.9％，Fe2O3为0.7％，CaSO4·nH2O为15.9％，MgO为0.7％，Na2O为0.8％，K2O为0.6％，其他微量成分共3.8％。
B：按质量百分比计，烧失量L.O.I为5.2％，SiO2为46.2％，Al2O3为18.9％，Fe2O3为0.5％，CaSO4·nH2O为25.6％，MgO为0.5％，Na2O为0.7％，K2O为0.4％，其他微量成分共2.0％。
测试结果为：
(A)：1h吸水率4.0％，筒压强度8.8MPa，堆积密度615kg/m3。
(B)：1h吸水率4.2％，筒压强度8.1MPa，堆积密度610kg/m3。
实施例5
S1、将硫酸法提锂渣(同实施例1)、钠长石粉和白云石粉磨细至100目以下，然后按质量百分比硫酸法提锂渣70％、钠长石粉15％和白云石粉15％混合配料并均匀搅拌；
S2、将混合料加入圆盘造球机中，待转速稳定向球盘中均匀喷水，加水量占原料量的25％，产生直径大小为10-20mm的球形颗粒；
S3、将球形颗粒在105℃的烘箱中烘干，然后转入马弗炉中；
S4、马弗炉以10℃/min的速率升温至550℃，保温20分钟；然后再以10℃/min的速率升温至1150℃，保温20分钟；最后在炉中随炉冷却到常温，得到轻质陶粒成品。
利用上述方法制备的轻质陶粒成品的特性为1h吸水率为5％，筒压强度5.6MPa，堆积密度535kg/m3。
实施例6
S1、将硫酸法提锂渣(同实施例1)、钠长石粉和白云石粉磨细至100目以下，然后按质量百分比硫酸法提锂渣80％、钠长石粉10％和白云石粉10％混合配料并均匀搅拌；
S2、将混合料加入圆盘造球机中，待转速稳定向球盘中均匀喷水，加水量占原料量的25％，产生直径大小为10-20mm的球形颗粒；
S3、将球形颗粒在105℃的烘箱中烘干，然后转入马弗炉中；
S4、马弗炉以10℃/min的速率升温至600℃，保温30分钟；然后再以10℃/min的速率升温至1200℃，保温30分钟；最后在炉中随炉冷却到常温，得到轻质陶粒成品。
利用上述方法制备的轻质陶粒成品的特性为1h吸水率为3.5％，筒压强度3.5MPa，堆积密度480kg/m3。
对比例1
和实施例1相比，区别仅在于，采用等含量的碳酸钙替换所述的白云石，其他步骤和参数均同实施例1。本案例制得的轻质陶粒成品的特性为1h吸水率为5.8％，筒压强度6.4MPa，堆积密度850kg/m3。
对比例2
和实施例1相比，区别仅在于，采用等含量的云母替换所述的白云石，其他步骤和参数均同实施例1。本案例制得的轻质陶粒成品的特性为1h吸水率为6％，筒压强度5.6MPa，堆积密度800kg/m3。
对比例3
和实施例1相比，区别仅在于，采用等含量的碳酸镁替换所述的白云石，其他步骤和参数均同实施例1。本案例制得的轻质陶粒成品的特性为1h吸水率为5.8％，筒压强度6.2MPa，堆积密度780kg/m3。
以上所述对比例可以看出，发泡剂采用传统的碳酸钙粉和云母粉与本发明采用的白云石相比，制备的陶粒的吸水率更高，强度更低，密度更高，即制备的陶粒性能较差。因此选择白云石为发泡剂对以高掺量的锂辉石硫酸提硫酸法提锂渣为主制备轻质陶粒具有重要意义。

Claims (13)

1.一种硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，以硫酸法提锂渣、添加剂A、添加剂B为原料进行造粒制得球团，再将球团进行焙烧处理，即得；
所述的添加剂A为白云石，或者碳酸镁和碳酸钙的混合物；
所述的添加剂B为钠长石、钾长石中的至少一种；
所述的硫酸法提锂渣为含有CaSO4·nH2O的提锂渣，其CaSO4·nH2O含量为15.0-26.0wt.%；
所述的添加剂A中，碳酸镁和碳酸钙的摩尔比为1~3：1~3；
所述的原料中，按重量百分比计，所述的硫酸法提锂渣的含量为60-80%，所述的添加剂A的含量为10-20 %，所述的添加剂B的含量为10-20%。
2.如权利要求1所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，所述的硫酸法提锂渣为锂辉石硫酸法提锂渣。
3.如权利要求2所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，所述的硫酸法提锂渣中，还包含以下质量百分比成分：烧失量L.O.I为1.0-6.0%，SiO2为45-53%，Al2O3为18-23%，Fe2O3为0.5-2.0%，MgO为0.1-1.0%，Na2O为0.1-0.5%，K2O为0.1-0.6%。
4.如权利要求1所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，所述的原料中，按重量百分比计，所述的硫酸法提锂渣的含量为60-65%，所述的添加剂A的含量为15-20%，所述的添加剂B的含量为15-20%。
5.如权利要求1所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，控制原料的粒径小于或等于100目。
6.如权利要求1所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，向原料中加入水，造粒后烘干，制得球团。
7.如权利要求6所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，水为原料重量的20-30%。
8.如权利要求6所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，球团的直径大小为10-20mm。
9.如权利要求1所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，焙烧过程包括两段保温平台，其中，第一保温平台的温度为500-600℃；
第二保温平台的温度为1100-1200℃。
10.如权利要求9所述的硫酸法提锂渣制备轻质陶粒的方法，其特征在于，第一保温平台保温时间为10-30分钟；
第二保温平台保温时间为10-30分钟。
11.一种权利要求1~10任一项所述制备方法制得的轻质陶粒。
12.如权利要求11所述制备方法制得的轻质陶粒，其特征在于，所述轻质陶粒1h吸水率为小于5%，筒压强度3.5-8.8MPa，堆积密度480-650kg/m3。
13.一种权利要求11或12所述的轻质陶粒的应用，其特征在于，将其作为骨料，用于制备混凝土。
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