CN115974434A - 一种基于赤泥的凝胶材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及赤泥无害化处理技术领域，公开一种基于赤泥的凝胶材料及其制备方法和应用。其中，基于赤泥的凝胶材料由以下重量份数的原料制成：赤泥或赤泥混合物100份、含火山灰活性物质的粉体30～50份、钙基膨润土18～20份、硫酸盐1～5份、酸性激发剂1～5份；制备步骤如下：1）将各种原料按配合比加入搅拌机里搅拌均匀，得到物料A；2）将物料A连续喂入练泥机进行挤出、练泥、均化、塑化，得到物料B；3）将物料B自然养护25～35天得到凝胶材料。赤泥经过上述处理后可形成一种低碳、绿色的新型凝胶材料，可制成陶粒、陶沙用于配制轻骨料混凝土，用于挤出成型可制成ECP板材，还可用于路基水稳材料，应用领域较广阔，且可大量消纳固废。
Description
技术领域
本发明涉及赤泥无害化处理技术领域，具体涉及一种基于赤泥的凝胶材料及其制备方法和应用。
背景技术
赤泥亦称红泥，从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。一般含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，因而得名。有的因含氧化铁较少而呈棕色，甚至灰白色。
随着铝工业的发展和铝土矿石品位的降低，赤泥量将越来越大，且赤泥为碱性物质，随着雨水的冲淋，赤泥中的碱会被溶出，导致地表水和地下水碱化，会污染地表水和地下水。赤泥中含有的主要污染物为碱、氟化物、钠及铝等，其含量较高超过了中国国家规定的排放标准《有色金属工业固体废物污染控制标准》，赤泥废渣的处理和综合利用成为一个世界性的大难题。
大量的赤泥不能充分有效的利用，氧化铝厂大都将赤泥输到堆场，筑坝湿法堆存，靠自然沉降分离使部分碱液回收利用。另一种方法是将赤泥干燥脱水后堆存，部分企业采用干法堆存，虽然减少了堆存量及可增加堆存的高度，但处理成本增加，并仍需占用土地。
综合治理制约因素。技术瓶颈：可溶性碱无法根除，采取水洗分离产生大量含碱废水，无法达标排放，无经济性。固化处理成本高，市场应用受限，即使固化处理也很难解决游离碱的固存及封闭，钠离子超标应用受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于赤泥的凝胶材料制备方法，实现赤泥的凝胶化利用，为解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于赤泥的凝胶材料制备方法，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰30～50份、钙基膨润土18～20份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份；制备步骤如下：1）将各种原料按配合比加入行星式强制搅拌机里搅拌均匀，得到物料A。2）将物料A连续喂入练泥机进行挤出、练泥、均化、塑化，在挤出过程中完成混合料的充分均化、塑化，同时也完成赤泥中残留的钠离子与钙基膨润土的钙离子的交换，钙基膨润土吸收赤泥中富含残留的大部分碱性钠离子，形成稳定的钠基膨润土层间结构，将赤泥中大部分钠离子固结在膨润土层间结构中，同时钙基膨润土在离子交换过程中释放出大量钙离子，很好的参与赤泥中硅铝四面体解聚重聚中，形成稳定的钙硅铝聚合物，经协同处理后赤泥中残留的碱性物钠离子与钙基膨润土进行离子交换固结在膨润土中构成膨润土的一部分，赤泥固化过程中硅铝四面体吸附一部分阴离子钠离子，最终很好的解决了由于碱性钠离子含量超标导致的制品返碱、泛霜现象。
根据本发明核心反应机理，不限于以原状赤泥为主要原料基料的新型凝胶体系，可根据固废资源分布及终端产物的性能需求而综合调整基料种类，如根据固废存量状况以赤泥、粉煤灰、天然或工业副产石膏混合物为主要基料，采用同一原理采用上述固废单独或复配物协同消纳固废处理。
优选地，所述原状赤泥为生产线压滤完排放的具有一定含水率的赤泥，进一步优选为生产线刚压滤完下线的含水率在30%以下的赤泥。采用原状赤泥既便于混料，又不必要增加烘干、打散、粉碎设备，可直接倒运到赤泥处理现场，省去铝厂到堆场卸车堆放再装车倒运到赤泥处理工厂二次倒运。
优选地，所述粉煤灰为二级以上粉煤灰，粉煤灰细度为45μm筛筛余量20%以下；粉煤灰可选用煤粉炉、流化床、干法、半干法、湿法脱硫粉煤灰。当然，所述粉煤灰但不限于粉煤灰，也可是矿渣、钢渣、磷渣、或其它具有火山灰活性物质的单独或复配体。
优选地，所述钙基膨润土经研磨达325目、含水率在3%以下。钙基膨润土自然储量较大、分布较广，原料易得。
优选地，所述硫酸盐选用硫酸钙。硫酸盐外加剂可以选用硫酸钙（石膏）、硫酸钠，考虑控制组分里钠离子含量超标问题，选用硫酸钙，控制其凝结时间，易于形成钙矾石，添加量在3-5份，由于采用的化学副产石膏，价格低廉，添加量取上限在5份。在一些实施方式中，硫酸盐可以为硫酸钠、硫酸镁等具有一定溶解性的硫酸盐其中一种或复配物。
优选地，所述酸性激发剂采用过磷酸。酸性激发剂主要调节水化速率及凝结时间，考虑成本因素及使用要求，添加量在1-5份间。在一些实施方式中，酸性激发剂可以为焦磷酸、三聚磷酸、三聚偏磷酸、四聚偏磷酸、其它一些有机酸等的单独或复配物。
赤泥经过上述处理后可形成一种低碳、绿色的新型凝胶材料，可制成陶粒、陶沙用于配制轻骨料混凝土，配合增强纤维制成浇筑板块，用于砌筑安装墙体，用于挤出成型可制成ECP板材（中空挤出成型水泥板），还可用于路基水稳材料，应用领域较广阔，且可大量消纳固废。
本发明的有益效果在于。
一、协同固废，采用钙基膨润土提供赤泥固化的钙原，省去单独添加其它钙质材料受地域分布、成本造价的约束，钙基膨润土分布广泛，成本低廉，添加量少。所述的采用赤泥与钙基膨润土协同固废处理，很好的解决了困扰赤泥碱含量超标的难题，同时又完成了钙基膨润土的钠化。
二、膨润土与赤泥在离子交换过程中，释放出的钙离子活性高，很好的参与赤泥的固化。
三、赤泥的钠离子难于固结，其碱性强，很难与其它化合物形成难溶盐，但钠离子结合到膨润土蒙脱石层间结构中，离子结合稳定，很难解离。上述处理赤泥选用的为原状含水率高的赤泥，而不需经高温烘干研磨处理，这是本发明的核心之一。
四、钙基膨润土钠化后分布在赤泥混合物料中又充分发挥其增稠、分散、悬浮作用，同时膨润土主要成分为蒙脱石，硅铝含量为主，可与赤泥硅铝成分通过解聚、缩聚形成低聚物，形成共聚体。
五、上述凝胶物在制备过程中采用高混、练泥、挤出工艺，而膨润土钠化优先采用挤出钠化工艺，所以在制备新型凝胶物过程中也同时完成了钙基膨润土的钠化。具体实施工艺为搅拌混合液相反应或半干性均化、塑化、挤出反应或上述工艺串联实施。
具体实施方式
以下通过实施例形式对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
实施例1
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰40份、钙基膨润土18份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份。
制备步骤如下：1）将各种原料按配合比加入行星式强制搅拌机里搅拌均匀，得到物料A。2）将物料A连续喂入练泥机进行挤出、练泥，预制免烧轻骨料陶粒。在挤出过程中完成混合料的充分均化、塑化，同时也完成赤泥中残留的钠离子与钙基膨润土的钙离子的交换，钙基膨润土吸收赤泥中富含的大部分碱性钠离子，形成稳定的钠基膨润土层间结构，将赤泥中大部分钠离子固结在膨润土层间结构中，同时钙基膨润土在离子交换过程中释放出大量钙离子，很好地参与赤泥中硅铝四面体解聚重聚中，形成稳定的钙硅铝聚合物，如水化硅酸钙、硅铝酸钙等凝胶物；经协同处理后赤泥中残留的碱性物钠离子与钙基膨润土进行离子交换固结在膨润土中构成膨润土的一部分，赤泥固化过程中硅铝四面体吸附一部分阴离子钠离子。3）养护，自然养护28d。自然养护28d后检测筒压强度在6.5MPa以上，制品表面不存在返碱、泛孀现象；制品经水浸泡24h后干燥也未出现上述现象。
在选用混合上述原料时，赤泥采用原状赤泥，测量计算其含水率，以干基计算，其它添加剂组分以水分散加入。
本实施例中，优选所述赤泥为生产线刚压滤完下线的含水率在30%以下的赤泥。采用原状赤泥既便于混料，又不必要增加烘干、打散、粉碎设备，可直接倒运到赤泥处理现场，省去铝厂到堆场卸车堆放再装车倒运到赤泥处理工厂二次倒运。优选所述粉煤灰为二级以上脱硫粉煤灰，粉煤灰细度为45μm筛筛余量20%以下。优选所述钙基膨润土经研磨达325目、含水率在3%以下。优选所述硫酸盐选用硫酸钙。优选所述酸性激发剂采用过磷酸。
实施例2
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰30份、钙基膨润土20份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份；其中，所述硫酸盐为硫酸镁，所述酸性激发剂为三聚磷酸。
本实施例中，凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测筒压强度在5.6MPa以上，制品表面不存在返碱、泛孀现象，制品经水浸泡24h后干燥也未出现上述现象。
实施例3
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰45份、钙基膨润土20份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份；其中，所述硫酸盐为硫酸钠，所述酸性激发剂为焦磷酸。
本实施例中，凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测筒压强度在7.8MPa以上，制品表面不存在返碱、泛孀现象，制品经水浸泡24h后干燥也未出现上述现象。
实施例4
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰50份、钙基膨润土20份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份；其中，所述硫酸盐为硫酸钙，所述酸性激发剂为四聚偏磷酸和三聚偏磷酸的混合物，混合质量比为1:1。
本实施例中，凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测筒压强度在9.6MPa以上，制品表面不存在返碱、泛孀现象，制品经水浸泡24h后干燥也未出现上述现象。
对比例1。
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰50份、钙基膨润土10份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份。
本对比例中，各原料的种类及凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测其筒压强度在8.5MPa以上，强度符合标准，但制品表面出现轻微泛孀、返碱现象；不符合赤泥后期应用要求。
通过该对比例可以看出，膨润土的添加量降低影响强度，最关键是降低了对钠离子交换吸收。
对比例2。
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰50份、钙基膨润土15份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份。
本对比例中，各原料的种类及凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测其筒压强度在9.0MPa以上，强度符合标准，但制品经水浸泡24h后干燥出现返碱、泛霜现象；不符合赤泥后期应用要求。
对比例3。
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰25份、钙基膨润土20份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份。
本对比例中，各原料的种类及凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测其筒压强度在4.5Mpa左右，强度不符合标准，但制品表面不存在返碱、泛孀现象，制品经水浸泡24h后干燥也未出现上述现象。
对比例4。
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰50份、钙基膨润土20份、硫酸盐0份、酸性激发剂3份。
本对比例中，各原料的种类及凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测其筒压强度在5.5MPa，制品表面不存在泛碱、泛霜现象，但凝胶时间会明显延长、甚至形成不了凝胶。
对比例5。
一种基于赤泥的凝胶材料，由以下重量份数的原料制成：原状赤泥100份、粉煤灰50份、钙基膨润土20份、硫酸盐5份、酸性激发剂0份。
本对比例中，各原料的种类及凝胶材料的制备方法与实施例1基本一致。制得的凝胶材料经自然养护28d后检测其筒压强度在6.3MPa，制品表面不存在泛碱、泛霜现象，但凝胶时间会明显延长、甚至形成不了凝胶。
为更好体现本发明的进步性，下面对实施例1-4和对比例1-5制得的凝胶材料按硅酸盐水泥检测标准采用标准砂检测性能指标；检测结果如表1所示。
表1、性能指标对比表
。
参照GB175-2020检测，判定本发明实施例1-4制得的赤泥基新型凝胶材料综合性能介于32.5R-42.5R之间的一种新型凝胶材料。
需要说明的是，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。具体实施例中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
另外需要说明的是，在本发明的描述中，参选本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本发明使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
在本发明中，所用术语“由…制备”与“包含”同义。本发明中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
在本发明中，当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本发明中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
Claims (10)
1.一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，由以下重量份数的原料制成：赤泥或赤泥混合物100份、含火山灰活性物质的粉体30～50份、钙基膨润土18～20份、硫酸盐1～5份、酸性激发剂1～5份；
制备步骤如下：1）将各种原料按配合比加入搅拌机里搅拌均匀，得到物料A；2）将物料A连续喂入练泥机进行挤出、练泥、均化、塑化，得到物料B；3）将物料B自然养护25～35天得到凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，由以下重量份数的原料制成：赤泥或赤泥混合物100份、粉煤灰45份、钙基膨润土20份、硫酸盐5份、酸性激发剂3份。
3.根据权利要求1所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述赤泥为原状赤泥，所述原状赤泥为生产线压滤后排放的具有一定含水率的赤泥；所述原状赤泥的含水率在30%以下。
4.根据权利要求1所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述含火山灰活性物质的粉体选自粉煤灰、矿渣、钢渣、磷渣中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰为二级以上粉煤灰，所述粉煤灰的细度为45μm筛筛余量20%以下。
6.根据权利要求1所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述钙基膨润土经研磨处理，研磨细度达325目、含水率在3%以下。
7.根据权利要求1所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述硫酸盐为具有溶解性的硫酸盐，选自硫酸钙、硫酸钠、硫酸镁中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述酸性激发剂选自过磷酸、焦磷酸、三聚磷酸、三聚偏磷酸、四聚偏磷酸、有机酸中的一种或几种。
9.一种基于赤泥的凝胶材料，其特征在于，由如权利要求1-8中任意一项所述的一种基于赤泥的凝胶材料的制备方法制得。
10.如权利要求9所述的一种基于赤泥的凝胶材料在配制轻骨料混凝土、制备ECP板材、以及路基水稳材料上的应用。
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