CN115536364B - 一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法、陶瓷材料 - Google Patents
一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法、陶瓷材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法、陶瓷材料，涉及固体废弃物资源化利用技术领域。本发明提供的利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法，包括以下步骤：将铜尾矿进行研磨，得到尾矿粉末；将所述尾矿粉末与高岭土、粉煤灰、氧化钙和水混合，将所得浆料进行固化成型，陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体进行烧制，得到陶瓷材料。本发明采用铜尾矿和粉煤灰来代替粘土等材料，可以解决粘土材料匮乏的问题，同时对铜尾矿和粉煤灰进行资源化利用；通过添加氧化钙作为活性激发剂进行特殊的化学反应，可以改变尾矿主要物质的晶相，从而提高其材料的基本性能，同时，也可以减少重金属析出。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法、陶瓷材料。
背景技术
尾矿是原生铜矿在选矿过程中产生的废弃物，由不同的粒径组成，且形状不一。以当前生产铜金属的工艺技术，平均每生产1吨铜就可以产生128吨铜尾矿，可以得出，铜尾矿的产量是非常巨大的，据统计铜尾矿的产量每年逐渐递增。虽然铜尾矿储量巨大，但是铜尾矿的平均利用率仅为8.2％。铜尾矿利用率和回收率低是由于没有很好的资源化利用方法，加上管理和技术水平不足，导致大部分铜尾矿被处置在尾矿库中。值得注意的是，铜尾矿的堆积可能会占用大量土地，并造成其他有害影响，例如，铜尾矿中浸出的一些重金属元素会污染周围的土壤和水，破坏尾矿库周围的生态系统和地质结构。另外，值得注意的是，尾矿的处理和处置不采用减量化、无害化、资源化的终端处理方式，尾矿的堆存将影响当地的农业生产或人类日常生活，也将间接阻碍当地的社会经济健康发展。当前，部分尾矿可以用来提取重金属、硫化物和氧化物等重要的化学物质，同时，它可以替代水泥制成免烧砖，但对于目前的技术和生产工艺而言，大部分尾矿只能采用堆场长期堆存的处理方式。
粉煤灰主要来源于燃料燃烧和生活垃圾燃烧后产生的粉尘，该物质主要物相是玻璃体，占50～80％；粉煤灰所含晶体矿物有莫来石、石英、方解石、钙长石、硅酸钙、赤铁矿和磁铁矿等，还有少量未燃的碳；粉煤灰主要含二氧化硅、氧化铝和氧化铁等，同时还有少量的重金属，特别是在工业上，粉煤灰重金属含量较高；由于其粒径小、密度低易于在大气中飘浮，同时也是形成雾霾天气的主要物质。如果在大气层逆温的环境下，粉尘不易降落在地面上；如果在大风环境下，虽可以经风稀释，但降落在地面上后同样可以再次漂浮在空气中，一旦吸入到人体的呼吸系统中，就会导致有关呼吸道疾病的发生。
传统陶瓷主要是由黏土、长石和石英三类传统硅酸盐原料制成，由于不可再生资源的有限性，经过多年大规模开采以及陶瓷产业的粗放型生产，目前硅酸盐原料的储备量大幅度减少，有的优质粘土资源已经枯竭，因此需要其它合适的原材料取之代替。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法、陶瓷材料，本发明采用铜尾矿和粉煤灰来代替粘土等材料，可以解决粘土材料匮乏的问题，同时对铜尾矿和粉煤灰进行资源化利用；通过添加氧化钙作为活性激发剂进行特殊的化学反应，可以改变尾矿主要物质的晶相，从而提高其材料的基本性能，同时，也可以减少重金属析出。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法，包括以下步骤：
将铜尾矿进行研磨，得到尾矿粉末；
将所述尾矿粉末与高岭土、粉煤灰、氧化钙和水混合，将所得浆料进行固化成型，得到陶瓷坯体；
将所述陶瓷坯体进行烧制，得到陶瓷材料。
优选地，所述尾矿粉末的粒径为160～200目。
优选地，所述氧化钙的质量占尾矿粉末、高岭土和粉煤灰总质量的1～10％。
优选地，以所述尾矿粉末、高岭土和粉煤灰的总质量为100％计，所述尾矿粉末的质量含量为35～50％，高岭土的质量含量为10～20％，粉煤灰的质量含量为35～50％。
优选地，所述尾矿粉末、高岭土和粉煤灰的总质量与水的质量比为10：2～3。
优选地，所述烧制的温度为900～1200℃。
优选地，所述烧制的时间为1.5～2h。
优选地，所述烧制的气氛为空气。
本发明提供了采用上述技术方案所述方法制备得到的陶瓷材料。
优选地，所述陶瓷材料的抗折强度为32～46MPa；堆积密度为1.8～2.5g/cm3；吸水率为20～31％。
本发明提供了一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法，包括以下步骤：将铜尾矿进行研磨，得到尾矿粉末；将所述尾矿粉末与高岭土、粉煤灰、氧化钙和水混合，将所得浆料进行固化成型，陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体进行烧制，得到陶瓷材料。本发明利用氧化钙作为活性激发剂对铜尾矿进行高温活化处理，可以改变矿渣的物相，改善陶瓷材料的物理性能；本发明利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰中的二氧化硅，使其晶体化，氧化钙与二氧化硅发生化学反应生成硅酸钙，形成了新的化学键，同时也改变了微观孔隙结构，相比于未使用氧化钙活性激发的陶瓷材料，本发明制备的陶瓷材料的微孔数量和平均孔径减少了25～35％；本发明制备的陶瓷材料能够减少重金属的析出，相较于原材料(铜尾矿)，其中1000℃烧制的陶瓷材料中Hg含量减少了74％，Pb含量减少了99％，Cd含量减少了89％。
本发明能够增加对铜尾矿的回收利用，减少铜尾矿遗留带来的环境问题，也能解决粉煤灰带来的环境危害，并且在对铜尾矿和粉煤灰进行资源化利用的同时，又可解决硅酸盐原料匮乏的问题，降低传统制作陶瓷材料的成本。
具体实施方式
本发明提供了一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法，包括以下步骤：
将铜尾矿进行研磨，得到尾矿粉末；
将所述尾矿粉末与高岭土、粉煤灰、氧化钙和水混合，将所得浆料进行固化成型，陶瓷坯体；
将所述陶瓷坯体进行烧制，得到陶瓷材料。
本发明将铜尾矿进行研磨，得到尾矿粉末。在本发明中，所述铜尾矿在进行研磨前优选还包括干燥处理。在本发明中，所述干燥处理的温度优选为90～120℃，更优选为100～110℃；所述干燥处理的时间优选为24～36h，更优选为24～28h。
在本发明中，所述研磨的转速优选为500～600rpm；所述研磨的介质优选为氧化锆球。
在本发明中，所述研磨后优选还包括过筛。
在本发明中，所述尾矿粉末的粒径优选为160～200目。
得到尾矿粉末后，本发明将所述尾矿粉末与高岭土、粉煤灰、氧化钙和水混合，将所得浆料进行固化成型，得到陶瓷坯体。在本发明中，所述氧化钙的质量优选占尾矿粉末、高岭土和粉煤灰总质量的1～10％，更优选为5％。
在本发明中，以所述尾矿粉末、高岭土和粉煤灰的总质量为100％计，所述尾矿粉末的质量含量优选为35～50％，更优选为40～45％；高岭土的质量含量优选为10～20％，更优选为15～20％；粉煤灰的质量含量优选为35～50％，更优选为40～45％。
在本发明中，所述尾矿粉末、高岭土和粉煤灰的总质量与水的质量比优选为10：2～3。
在本发明中，所述尾矿粉末与高岭土、粉煤灰、氧化钙和水混合优选包括：先将尾矿粉末、高岭土和粉煤灰混合，得到混合粉末；然后依次加入水和氧化钙。
在本发明中，所述固化成型优选在模具中进行；所述固化成型优选在室温自然风干条件下进行；所述固化成型的时间优选在24h以上。
得到陶瓷坯体后，本发明将所述陶瓷坯体进行烧制，得到陶瓷材料。在本发明中，所述烧制的温度优选为900～1200℃，更优选为1000～1100℃；所述烧制的时间优选为1.5～2h。
在本发明中，所述烧制的气氛优选为空气。
本发明在所述烧制过程中，利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰中的二氧化硅，使其晶体化，氧化钙与二氧化硅发生化学反应生成硅酸钙，形成了新的化学键，同时也改变了陶瓷材料的微观孔隙结构。
本发明提供了采用上述技术方案所述方法制备得到的陶瓷材料。在本发明中，所述陶瓷材料的抗折强度优选为32～46MPa；堆积密度优选为1.8～2.5g/cm3；吸水率优选为20～31％。在本发明中，所述陶瓷材料的Hg含量优选为0.009～0.012ppb；Pb含量优选为3.89～4ppb；Cd含量优选为0.07～0.08ppb。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将铜尾矿在90℃恒温条件下烘干24h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为50％，高岭土的质量含量为15％，粉煤灰的质量含量为35％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：2，氧化钙的质量为混合粉末质量的1％；
(3)将所述陶瓷坯料在900℃烧制1.5h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度(测试依据的标准为GB/T 3810.4-2016)为32MPa，堆积密度(依据的标准为GB/T 3810.3-2016)为1.8g/cm3，吸水率(依据的标准为GB/T 3810.3-2016)为31％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量(依据的标准为GB/T3810.15-2016)，Hg含量从0.436ppb减少到0.012ppb，Pb含量从388ppb减少到4ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.08ppb。
实施例2
(1)将铜尾矿在100℃恒温条件下烘干28h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为50％，高岭土的质量含量为15％，粉煤灰的质量含量为35％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：2，氧化钙的质量为混合粉末质量的1％；
(3)将所述陶瓷坯料在1000℃烧制1.5h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度为35MPa，堆积密度为1.9g/cm3，吸水率为29％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量，Hg含量从0.436ppb减少到0.011ppb，Pb含量从388ppb减少到4ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.075ppb。
实施例3
(1)将铜尾矿在100℃恒温条件下烘干28h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为50％，高岭土的质量含量为15％，粉煤灰的质量含量为35％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：2，氧化钙的质量为混合粉末质量的1％；
(3)将所述陶瓷坯料在1100℃烧制2h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度为37MPa，堆积密度为2.1g/cm3，吸水率为28％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量，Hg含量从0.436ppb减少到0.01ppb，Pb含量从388ppb减少到4ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.07ppb。
实施例4
(1)将铜尾矿在100℃恒温条件下烘干28h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为50％，高岭土的质量含量为15％，粉煤灰的质量含量为35％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：2，氧化钙的质量为混合粉末质量的1％；
(3)将所述陶瓷坯料在1200℃烧制1.5h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度为42MPa，堆积密度为2.3g/cm3，吸水率为24％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量，Hg含量从0.436ppb减少到0.01ppb，Pb含量从388ppb减少到3.9ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.07ppb。
实施例5
(1)将铜尾矿在110℃恒温条件下烘干36h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为40％，高岭土的质量含量为20％，粉煤灰的质量含量为40％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：3，氧化钙的质量为混合粉末质量的1％；
(3)将所述陶瓷坯料在1200℃烧制2h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度为43MPa，堆积密度为2.3g/cm3，吸水率为23％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量，Hg含量从0.436ppb减少到0.01ppb，Pb含量从388ppb减少到3.9ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.07ppb。
实施例6
(1)将铜尾矿在110℃恒温条件下烘干36h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为45％，高岭土的质量含量为15％，粉煤灰的质量含量为40％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：3，氧化钙的质量为混合粉末质量的1％；
(3)将所述陶瓷坯料在1200℃烧制2h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度为46MPa，堆积密度为2.5g/cm3，吸水率为20％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量，Hg含量从0.436ppb减少到0.009ppb，Pb含量从388ppb减少到3.91ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.07ppb。
实施例7
(1)将铜尾矿在110℃恒温条件下烘干36h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为45％，高岭土的质量含量为15％，粉煤灰的质量含量为40％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：3，氧化钙的质量为混合粉末质量的5％；
(3)将所述陶瓷坯料在1200℃烧制2h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度为43MPa，堆积密度为2.4g/cm3，吸水率为23％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量，Hg含量从0.436ppb减少到0.011ppb，Pb含量从388ppb减少到3.9ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.07ppb。
实施例8
(1)将铜尾矿在110℃恒温条件下烘干36h，烘干放凉后进行研磨，研磨至粒径为160～200目，得到尾矿粉末；
(2)将所述尾矿粉末和高岭土以及粉煤灰混合，得到混合粉末；所述混合粉末中，尾矿粉末的质量含量为45％，高岭土的质量含量为15％，粉煤灰的质量含量为40％；将所述混合粉末和水混合，再加入氧化钙，混合搅拌，完成后定模，自然风干，得到陶瓷坯料；其中，混合粉末与水的质量比为10：3，氧化钙的质量为混合粉末质量的10％；
(3)将所述陶瓷坯料在1200℃烧制2h，得到陶瓷材料。
本实施例制备的陶瓷材料的抗折强度为42MPa，堆积密度为2.3g/cm3，吸水率为24％；相较于原材料铜尾矿的重金属析出含量，Hg含量从0.436ppb减少到0.012ppb，Pb含量从388ppb减少到3.89ppb，Cd含量从6.2ppb减少到0.07ppb。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用氧化钙活性激发铜尾矿和粉煤灰制备陶瓷材料的方法，步骤为：
将铜尾矿进行研磨，得到尾矿粉末；所述铜尾矿在进行研磨前还包括干燥处理；
将所述尾矿粉末与高岭土、粉煤灰、氧化钙和水混合，将所得浆料进行固化成型，得到陶瓷坯体；所述氧化钙的质量占尾矿粉末、高岭土和粉煤灰总质量的1~10%；以所述尾矿粉末、高岭土和粉煤灰的总质量为100%计，所述尾矿粉末的质量含量为35~50%，高岭土的质量含量为10~20%，粉煤灰的质量含量为35~50%；
将所述陶瓷坯体进行烧制，得到陶瓷材料；
所述陶瓷材料的抗折强度为32~46MPa；堆积密度为1.8~2.5g/cm3；吸水率为20~31%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述尾矿粉末的粒径为160~200目。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述尾矿粉末、高岭土和粉煤灰的总质量与水的质量比为10：2~3。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧制的温度为900~1200℃。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述烧制的时间为1.5~2h。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述烧制的气氛为空气。
7.采用权利要求1~6任一项所述方法制备得到的陶瓷材料。
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