CN116177992A - 一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,步骤包括以污染土和粉煤灰作为制备陶粒的原料,污染土经预处理后,掺入一定量的粉煤灰并加碱水陈化,之后用设计的模具进行造粒,造粒完成后进行干燥以脱除水分。最后进行高温烧结处理,冷却之后得到陶粒成品。本发明采用了高温固化/稳定化技术,提高了重金属的固化效率。且设计的模具有助于保证陶粒成品大小基本一致,提高产品强度。粉煤灰的加入可适当降低煅烧过程中的烧结温度,有利于减少能耗,以碱水代替纯水可以降低污染土中重金属的活性和煅烧过程中重金属的挥发量。两种固废协同处置转变为陶粒产品,既减轻了环境负担,也实现了资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及污染土壤治理和工业固体废物处理利用技术领域,尤其涉及一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法。
背景技术
土壤中积累的重金属主要来自人为排放,包括矿山尾矿、填埋场中的重金属废物、生物固体、燃烧残渣、烟气等,对自然生态系统构成巨大威胁。目前,修复重金属污染土壤技术主要分为物理修复、化学修复和生物修复三类以及基于以上技术的联合修复技术。
粉煤灰是指由燃料燃烧所产生烟气灰分中的细微固体颗粒物,是典型固体废物的一种。大量粉煤灰如不加控制或处理,会造成大气污染,进入水体会淤塞河道。此外,粉煤灰中某些化学物质会对生物和人体造成危害。陶粒作为一种建筑材料具有质轻高强、保温隔热的特征,其需求逐年增加,市场前景良好。此外,为了减少对自然环境资源的开采,实现固废的再利用,生产陶粒的原料逐渐转化为各种固体废弃物。
传统方法单纯以污染土作为原料需要1200℃左右的煅烧温度,使用的造粒机得到的生坯大小不一,制备陶粒强度较低,且煅烧过程中重金属的挥发易对大气环境造成污染。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷,提供一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,过设计陶粒成型的模具,在高温烧结工艺之后可以提高重金属固定效率,实现两类废物的资源化利用,制备出高强陶粒。
为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:
一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:预处理,对重金属污染土进行处理后,在重金属污染土中加入总重量占比40-60%的粉煤灰并搅拌均匀,使重金属污染土和粉煤灰充分混合;
S2:陈化,在S1中掺混搅拌后的原料中加入总质量占比为15-20%的碱水溶液,并搅拌均匀,之后自然干燥24h;
S3:造粒,将S2中陈化后的产物放入模具中挤压成型为生坯,然后在75℃下干燥6-12h,脱除生坯水分;
S4:高温烧结,将S3中造粒得到的生坯放入马弗炉里进行高温烧结,烧结条件为:升温到400-500℃,预烧15-25min,之后升温到1050-1100℃,保温30min,烧结完成之后自然冷却获得成品。
进一步的,所述S1中,在重金属污染土中加入的粉煤灰在总重量中占比40-60%。
进一步的,所述S1和S2中,搅拌的过程包括在135-145r/min条件下搅拌2min,然后在275-295r/min条件下搅拌1min,重复两次。
进一步的,所述S1中对重金属污染土进行处理包括剔除重金属污染土中的大块石子和杂物、干燥、破碎、筛分。
进一步的,所述筛分采用大于80目的筛子进行筛分留存。
进一步的,所述S2中碱水溶液为质量分数0.5-1%的氢氧化钠水溶液。
进一步的,所述S3中模具包括模具本体、垫板、第一承压头、第二承压头,所述垫板设置在所述模具本体下,所述第一承压头与模具本体相配合,用于原料的挤压成型,所述第二承压头与模具本体相配合,用于挤出成型的生坯。
进一步的,所述S1和S2中的搅拌均采用水泥胶砂搅拌机搅拌。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:1、本发明通过以设计的模具进行造粒,在重金属污染土中掺入一定量的粉煤灰,并以碱水代替纯水陈化,具有优异的重金属固化稳定化效果,更低的煅烧温度、能耗和重金属挥发量,以及造粒所用模具简单,成品率高等优点。2、搅拌过程采用快慢速交替的方式,以便在慢速和快速交替搅拌下,使污染土和粉煤灰能够充分混合均匀。3、碱水的加入可以适当降低掺混后原料中重金属的活性和煅烧过程中重金属的挥发量,减少对大气环境的污染。陈化使掺混后的粉末进一步疏解,促使水分分布均匀,进而改善原料的成型性能,提高产品质量。4、造粒模具既可以保证原料成型后大小的一致,也可以减少烧结过程中产品的变形或开裂,提高陶粒产品的强度。5、烧结程序的设定,在有效固定化/稳定化重金属的同时,能保证较低的能耗。
附图说明
图1为本发明实施例工艺流程图;
图2为本发明实施例模具结构示意图。
其中:1-模具本体,2-垫板,3-第一承压头,4-第二承压头。
具体实施方式
为了加深本发明的理解,下面我们将结合附图对本发明作进一步详述,该实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法的具体实施例,包括如下步骤:
S1:预处理,将重金属污染土进行简单处理,剔除土壤中的大块石子和杂物。之后将重金属污染土进行干燥、破碎、并用大于80目的筛子进行筛分留存。在筛分后的重金属污染土中加入质量相同的粉煤灰放入水泥胶砂搅拌机中,通过控制器设置搅拌程序为135-145r/min条件下搅拌2min,然后在275-295r/min条件下搅拌1min,重复2次,以便在慢速和快速交替搅拌下,污染土和粉煤灰能够充分混合均匀。
S2:陈化,在S1中掺混搅拌后的原料中加入总质量占比为15%的氢氧化钠溶液,该氢氧化钠溶液的质量分数为0.5%,并搅拌均匀,之后自然干燥24h。使掺混后的粉末进一步疏解,促使水分分布均匀,进而改善原料的成型性能,提高产品质量。以碱水溶液代替纯水,碱水溶液的加入可以适当降低掺混后原料中重金属的活性和煅烧过程中重金属的挥发量,减少对大气环境的污染。碱性过高导致某些两性重金属活性重新提高,且增加成本,因此碱水溶液浓度不宜过高。
S3:造粒,将S2中陈化后的产物放入模具中挤压成型为圆柱体生坯,然后在75℃下干燥6h,脱除生坯水分。设计的模具既可以保证原料成型后大小的一致,也可以减少烧结过程中产品的变形或开裂,提高陶粒产品的强度。通过改变模具的长度和直径可以控制生坯的大小,制备出理想大小的陶粒生坯。
S4:高温烧结,将S3中造粒得到的生坯放入马弗炉里进行高温烧结,烧结条件为:以10℃/min升温到400℃,预烧25min,预烧结束后升温到1100℃,保温30min,其中升温速率是10℃/min,烧结完成之后自然冷却获得成品。烧结程序的设定,在有效固定化/稳定化重金属的同时,能保证较低的能耗。
如图2所示,造粒用的模具包括模具本体1、垫板2、第一承压头3、第二承压头4,垫板2设置在模具本体1下,第一承压头3与模具本体1相配合,用于原料的挤压成型,第二承压头4与模具本体1相配合,用于挤出成型的生坯。使用该模具时,先将陈化后的产物放入模具本体1中,然后使用第一承压头3挤压成型后移开第一承压头3,最后再用第二承压头4将成型的圆柱形生坯推出模具本体1。
如表1所示,采用《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》(HJ/T 300-2007)测定重金属污染土和粉煤灰掺混原料中煅烧前后重金属浸出浓度。结果表明,煅烧后陶粒中重金属的浸出浓度符合《地表水质量标准》(GB 3838-2002)的V类限值,远远小于煅烧前重金属浸出浓度,且在30d内浸出水平仍较低,说明制备的陶粒对多种重金属在较长的时间内具有良好的固定效果。此外,根据消解实验与表征结果表明,在煅烧前后,包括砷等低沸点重金属的挥发量很少,即原料中的重金属主要被固定在陶粒中,基本上不会对大气造成污染。浸出标准参照《地表水质量标准》GB 3838-2002的V类限值。
目标重金属 | As(mg/L) | Pb(mg/L) | Cd(mg/L) | Cu(mg/L) |
原料处理前 | 10.53 | 4.87 | 4.24 | 15.24 |
原料处理后(浸出24h) | 0.014 | 0 | 0.001 | 0.049 |
原料处理后(浸出30d) | 0.02 | 0 | 0.002 | 0.061 |
环境限值 | 0.1 | 0.1 | 0.01 | 1.0 |
表1掺混原料经高温烧结处理前后几种常见重金属的浸出浓度
采用《轻集料及其实验方法第二部分:轻集料试验方法》(GB/T17431.2–2010),测试了陶粒的主要性能指标,包括1h吸水率、堆积密度和筒压强度等。检测结果表明制备的陶粒堆积密度在800-900g/m3,筒压强度大于7MPa,属于高强陶粒,1h吸水率为2.5%。所测指标均符合《轻集料及其实验方法第一部分:轻集料》(GB/T17431.1–2010)的要求。
实施例2
将S1中粉煤灰的掺混量分别设置为20-80%不等,其他步骤及条件与实施例1相同。经检测,不同掺混比例下制备成品中重金属浸出浓度符合《地表水质量标准》(GB 3838-2002)的V类限值。但是粉煤灰掺入量在40%以下时,制备产品中的堆积密度很高,接近甚至超过1200kg/m3,不满足《轻集料及其实验方法第一部分:轻集料》标准,说明在粉煤灰的掺入量较低的情况下,需要更高的煅烧温度用于烧胀陶粒。为了节约能耗,粉煤灰的掺入量不宜小于40%。此外,随着粉煤灰掺混量的升高,陶粒对重金属的固定有所下降。考虑到长期使用时陶粒中重金属可能造成的环境风险,粉煤灰的掺混量不宜过多。表2是不同粉煤灰掺混量下制备陶粒中的重金属浸出浓度。
表2不同掺混比下制备陶粒中重金属浸出浓度
通过以纯重金属污染土作为原料以间隔50℃为梯度从1050-1200℃制备了产品,结果发现煅烧温度在1200℃以下时煅烧产品不符合陶粒的相关标准。相较于掺入50%的粉煤灰所需煅烧温度为1100℃,说明粉煤灰的掺混适当降低了烧结温度,节约能耗。
实施例3
在S1中掺混搅拌后的原料中加入总质量占比为20%的氢氧化钠溶液,预烧温度为500℃,保温时间为15min,其他步骤及条件与实施例1相同。经检测制备成品中重金属浸出浓度符合《地表水质量标准》(GB 3838-2002)的V类限值,其物理性能符合《轻集料及其实验方法第一部分:轻集料》标准。
上述具体实施方式,仅为说明本发明的技术构思和结构特征,目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施,但以上内容并不限制本发明的保护范围,凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰,均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:预处理,对重金属污染土进行处理后,在重金属污染土中加入总重量占比40-60%的粉煤灰并搅拌均匀,使重金属污染土和粉煤灰充分混合;
S2:陈化,在S1中掺混搅拌后的原料中加入总质量占比为15-20%的碱水溶液,并搅拌均匀,之后自然干燥24h;
S3:造粒,将S2中陈化后的产物放入模具中挤压成型为生坯,然后在75℃下干燥6-12h,脱除生坯水分;
S4:高温烧结,将S3中造粒得到的生坯放入马弗炉里进行高温烧结,烧结条件为:升温到400-500℃,预烧15-25min,之后升温到1050-1100℃,保温30min,烧结完成之后自然冷却获得成品。
2.根据权利要求1所述一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于:所述S1中,在重金属污染土中加入的粉煤灰在总重量中占比40-60%。
3.根据权利要求1所述一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于:所述S1和S2中,搅拌的过程包括在135-145r/min条件下搅拌2min,然后在275-295r/min条件下搅拌1min,重复两次。
4.根据权利要求1所述一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于:所述S1中对重金属污染土进行处理包括剔除重金属污染土中的大块石子和杂物、干燥、破碎、筛分。
5.根据权利要求4所述一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于:所述筛分采用大于80目的筛子进行筛分留存。
6.根据权利要求1所述一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于:所述S2中碱水溶液为质量分数0.5-1%的氢氧化钠水溶液。
7.根据权利要求1所述一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于:所述S3中模具包括模具本体(1)、垫板(2)、第一承压头(3)、第二承压头(4),所述垫板(2)设置在所述模具本体(1)下,所述第一承压头(3)与模具本体(1)相配合,用于原料的挤压成型,所述第二承压头(4)与模具本体(1)相配合,用于挤出成型的生坯。
8.根据权利要求1所述一种重金属污染土协同粉煤灰制备陶粒的高温烧结方法,其特征在于:所述S1和S2中的搅拌均采用水泥胶砂搅拌机搅拌。
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2022
- 2022-12-29 CN CN202211716669.1A patent/CN116177992A/zh active Pending
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