CN116375378A - 一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法、河道底泥基免烧裹壳陶粒 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法、河道底泥基免烧裹壳陶粒，涉及建筑材料技术领域。本发明将河道底泥与固体废弃物粉体以及碱激发粉体材料复合，采用多级造粒的方式进行粒径调控及物理造孔得到免烧陶粒，并使用硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥对其进行封装裹壳，制备得到内部多孔、外壳致密的河道底泥基免烧裹壳陶粒。本发明能够有效抑制河道底泥中重金属的渗出与扩散；制备得到的河道底泥基免烧裹壳陶粒具有筒压强度高、孔隙率高、成本低且可持续的优点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法、河道底泥基免烧裹壳陶粒。
背景技术
许多大城市人口密集，制造业发达，河道内污染及淤积严重，影响城市发展及居民安全，且河道清淤疏浚会产生高额的运输与处置费用。另外，城市化、工业化和农业集约化的发展所带来的河道底泥重金属含量增加，并且重金属(如Pb、Cr、Cd、Zn等)的毒性具有持久性和不可降解性，使底泥成为二次污染源。因此河道底泥重金属固化处理是实现其资源化利用的前提。
我国正处于经济、社会和科技高质量快速发展的关键时期，重大基础工程和大规模城镇化建设对混凝土材料需求量巨大，每年消耗超过40亿吨自然骨料，这导致不可再生的自然骨料的资源短缺，急需开发出可替代、可持续并且性能达标的人造骨料，以代替自然骨料资源。河道底泥中含有大量的Al2O3和SiO2，具有潜在生成水硬性水化产物的能力，可以作为陶粒的原材料。目前主要以烧结河道底泥的方法制备陶粒，但此制备过程能耗大且会排放大量的CO2。与此同时，我国大宗工业固废如粉煤灰、赤泥、钢渣等年产量达36亿吨，长期堆存严重污染水源、土壤及大气环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法、河道底泥基免烧裹壳陶粒，本发明通过以废治废的方式，在制备河道底泥基免烧裹壳陶粒的同时实现河道底泥的重金属固化以及固废的安全化、绿色化及资源化利用；制备得到的河道底泥基免烧裹壳陶粒具有筒压强度高、孔隙率高、成本低且可持续的优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将河道底泥进行脱水处理，压实后得到干饼状余土；将所述干饼状余土进行粉磨，得到干粉状余土；
(2)将所述干粉状余土和固体废弃物粉体以及碱激发粉体材料混合，得到混合料；
(3)将所述混合料进行第一造粒，得到一级冷粘陶粒；
(4)将所述一级冷粘陶粒进行筛分，得到粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒；将所述粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒进行第二造粒，得到二级冷粘陶粒；
(5)将所述二级冷粘陶粒和硫铝酸盐水泥以及硅酸盐水泥混合，进行第三造粒，得到河道底泥基免烧裹壳陶粒。
优选地，所述干粉状余土的粒径小于180目。
优选地，以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述干粉状余土的质量含量为70～80％，所述固体废弃物粉体的质量含量为15～25％，所述碱激发粉体材料的质量含量为5～10％。
优选地，所述固体废弃物粉体包括粉煤灰、矿渣、钢渣和赤泥；以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述粉煤灰的质量含量为10～12％，所述矿渣的质量含量为3～5％，所述钢渣的质量含量为4～5％，所述赤泥的质量含量为2～3％。
优选地，所述碱激发粉体材料包括生石灰、硅酸钠、氢氧化钠和石膏；以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述生石灰的质量含量为2～3％，所述硅酸钠的质量含量为1～2％，所述氢氧化钠的质量含量为1～3％，所述石膏的质量含量为1～2％。
优选地，所述第一造粒和第二造粒过程中还添加粘接剂。
优选地，所述粘接剂为水玻璃与水的混合溶液；所述粘接剂中水玻璃的质量浓度为5～10％；所述水玻璃的模数为2.0。
优选地，所述粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒的质量比为2～1：1～2。
优选地，所述硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的质量比为7～9：3～1。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的河道底泥基免烧裹壳陶粒，包括河道底泥陶粒以及包裹在所述河道底泥陶粒表面的外壳；所述外壳的成分包括硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥。
本发明提供了一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法，本发明将河道底泥与固体废弃物粉体以及碱激发粉体材料复合，采用多级造粒的方式进行粒径调控及物理造孔得到免烧陶粒，并使用硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥对其进行封装裹壳，制备得到内部多孔、外壳致密的河道底泥基免烧裹壳陶粒。在所述河道底泥基免烧裹壳陶粒的制备过程中，碱激发水化产物通过化学吸附及离子置换反应对河道底泥中的重金属进行固化，并且密实的壳体具有进一步物理封裹重金属的作用。本发明能够有效抑制河道底泥中重金属的渗出与扩散。本发明通过以废治废的方式，实现河道底泥的重金属固化、河道底泥基免烧裹壳陶粒的制备以及固废的安全化、绿色化及资源化利用。
实施例结果表明，本发明制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的筒压强度≥5MPa，堆积密度为800～900kg/m3，与普通烧结陶粒相比，具有工艺简单易控制、生产效率高、碳排放量小、能耗低的特点，具有较高的推广应用价值。
作为本发明的优选，本发明利用粉煤灰、矿渣、钢渣、赤泥等工业固体废弃物作为主要原材料对河道底泥重金属进行固化处理，可以实现对城市河道淤泥稳定化、无害化处置，降低陶粒生产成本的同时节约了自然资源，推进了工业固体废弃物的大规模资源化利用，有效的保护了城市生态环境。
本发明采用碱激发粉煤灰等工业固体废弃物作为化学固化重金属的方法，并采用硫铝酸盐水泥及硅酸盐水泥对陶粒进行封装裹壳，使得陶粒具有内部多孔、外壳致密的结构特点，从而通过物理封裹进一步降低底泥重金属的析出，在具有较高的筒压强度的同时有效抑制底泥中重金属的渗出与扩散。
本发明提供的河道底泥基免烧裹壳陶粒的制备方法，不需要对原材料进行煅烧等高能耗工艺，制备流程简单，成本低，生产效率高，能耗低的同时无尾气污染，符合建筑材料可持续发展的客观需求。
附图说明
图1为一级冷粘陶粒的图片；
图2为二级冷粘陶粒的图片；
图3为河道底泥基免烧裹壳陶粒的图片；
图4为河道底泥基免烧裹壳陶粒的筒压强度测试示意图；
图5为河道底泥基免烧裹壳陶粒的重金属析出测试图；
图6为固体废弃物粉体掺量及壳体厚度对河道底泥重金属析出的影响图；
图7为河道底泥基免烧裹壳陶粒的内部孔结构微观形貌图；
图8为河道底泥基免烧裹壳陶粒的壳界面微观形貌图；
图9为河道底泥基免烧裹壳陶粒的界面重金属元素能谱图；
图10为本发明实施例中河道底泥基免烧裹壳陶粒的制备流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将河道底泥进行脱水处理，压实后得到干饼状余土；将所述干饼状余土进行粉磨，得到干粉状余土；
(2)将所述干粉状余土和固体废弃物粉体以及碱激发粉体材料混合，得到混合料；
(3)将所述混合料进行第一造粒，得到一级冷粘陶粒；
(4)将所述一级冷粘陶粒进行筛分，得到粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒；将所述粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒进行第二造粒，得到二级冷粘陶粒；
(5)将所述二级冷粘陶粒和硫铝酸盐水泥以及硅酸盐水泥混合，进行第三造粒，得到河道底泥基免烧裹壳陶粒。
本发明将河道底泥进行脱水处理，压实后得到干饼状余土；将所述干饼状余土进行粉磨，得到干粉状余土。在本发明中，所述河道底泥优选为城市清淤疏浚得到的河道底泥。在本发明中，所述河道底泥中含有重金属元素，优选包括Zn2+、Pb2+、Fe2+、Cr3+、Cd2+、Ni3+、Cu2+、Mn2+、Mg2+和Co3+中的一种或几种。
在本发明中，所述脱水处理优选为烘干至恒重。在本发明中，所述烘干的温度优选为105℃。
在本发明中，所述粉磨优选在高速粉磨机中进行；所述粉磨的转速优选为320000r/min；所述粉磨的时间优选为1min。
在本发明中，所述干粉状余土的粒径优选小于180目。
得到干粉状余土后，本发明将所述干粉状余土和固体废弃物粉体以及碱激发粉体材料混合，得到混合料。在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的转速优选为32～48r/min；所述搅拌的时间优选为5～10min。
在本发明中，以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述干粉状余土的质量含量优选为70～80％，更优选为75％；所述固体废弃物粉体的质量含量优选为15～25％，更优选为19～22％；所述碱激发粉体材料的质量含量优选为5～10％，更优选为6％。
在本发明中，所述固体废弃物粉体优选包括粉煤灰、矿渣、钢渣和赤泥；以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述粉煤灰的质量含量优选为10～12％，所述矿渣的质量含量优选为3～5％，所述钢渣的质量含量优选为4～5％，所述赤泥的质量含量优选为2～3％。
在本发明中，所述碱激发粉体材料优选包括生石灰、硅酸钠、氢氧化钠和石膏；以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述生石灰的质量含量优选为2～3％，所述硅酸钠的质量含量优选为1～2％，所述氢氧化钠的质量含量优选为1～3％，所述石膏的质量含量优选为1～2％。
得到混合料后，本发明将所述混合料进行第一造粒，得到一级冷粘陶粒。在本发明中，所述第一造粒过程中优选还添加粘接剂。在本发明中，所述粘接剂优选为水玻璃与水的混合溶液；所述粘接剂中水玻璃的质量浓度优选为5～10％，更优选为8％；所述水玻璃的模数优选为2.0。在本发明中，所述第一造粒时，所述粘接剂和干物料的质量比优选为1：2。
在本发明中，所述第一造粒优选在造粒机中进行。本发明在进行所述第一造粒时，造粒机的旋转角度优选为40～45°，更优选为42°；旋转速率优选为16～24r/min，更优选为18～20r/min；旋转时间优选为10～20min，更优选为12～15min；在旋转过程中向混合料均匀喷洒粘接剂。
在本发明中，所述一级冷粘陶粒的粒径优选为1～5mm。
本发明在所述第一造粒过程中，干粉状余土中的重金属离子通过化学链接以及物理吸附的方式与碱激发产物结合，从而实现重金属固化效果。
得到一级冷粘陶粒后，本发明将所述一级冷粘陶粒进行筛分，得到粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒；将所述粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒进行第二造粒，得到二级冷粘陶粒。在本发明中，所述筛分优选采用方孔筛进行筛分。在本发明中，所述粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒的质量比优选为2～1：1～2，更优选为1～2:1。
在本发明中，所述第二造粒过程中优选还添加粘接剂。在本发明中，所述粘接剂优选为水玻璃与水的混合溶液；所述粘接剂中水玻璃的质量浓度优选为5～10％，更优选为8％；所述水玻璃的模数优选为2.0。在本发明中，所述第二造粒时，所述粘接剂和干物料的质量比优选为1：1～3，更优选为1:2。
在本发明中，所述第二造粒优选在造粒机中进行。本发明在进行所述第二造粒时，造粒机的旋转角度优选为40～45°，更优选为42°；旋转速率优选为16～24r/min，更优选为18～20r/min；旋转时间优选为10～20min，更优选为15～18min；在旋转过程中向一级冷粘陶粒均匀喷洒粘接剂。
在本发明中，所述二级冷粘陶粒的粒径优选为10～20mm。
得到二级冷粘陶粒后，本发明将所述二级冷粘陶粒和硫铝酸盐水泥以及硅酸盐水泥混合，进行第三造粒，得到河道底泥基免烧裹壳陶粒。本发明在进行所述混合前，优选将所述二级冷粘陶粒养护14天；所述养护的条件优选为室内干燥。在本发明中，所述二级冷粘陶粒和硫铝酸盐水泥的质量比优选为3：1～2，更优选为3：1～1.6。在本发明中，所述硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的质量比优选为7～9：3～1，更优选为4～5:1。在本发明中，所述硫铝酸盐水泥及硅酸盐水泥混合后水灰比优选为0.35～0.45。在本发明中，所述硫铝酸盐水泥作为裹壳材料，所述硅酸盐水泥作为调凝材料。
在本发明中，所述第三造粒优选在造粒机中进行。本发明优选将所述二级冷粘陶粒和硫铝酸盐水泥以及硅酸盐水泥同时放入造粒机中。本发明在进行所述第三造粒时，造粒机的旋转角度优选为40～45°；旋转速率优选为16～24r/min；旋转时间优选为10～20min；旋转过程中均匀喷洒水分。本发明通过第三造粒，对二级冷粘陶粒进行封装裹壳，得到河道底泥基免烧裹壳陶粒。
本发明优选在所述第三造粒后，将得到的裹壳陶粒进行养护，得到河道底泥基免烧裹壳陶粒。在本发明中，所述养护优选包括：在自然环境中干化7天，避免阳光直射。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的河道底泥基免烧裹壳陶粒，包括河道底泥陶粒以及包裹在所述河道底泥陶粒表面的外壳；所述外壳的成分包括硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥。在本发明，所述河道底泥陶粒为多孔结构；所述多孔结构的孔隙率优选为20～50％，更优选为35～50％。在本发明中，所述外壳为致密结构；所述外壳的厚度优选为50～100μm，更优选为60～70μm。在本发明中，壳体水化产物结构密实，可作为重金属浸出的物理屏障，且壳体水化产物中的钙矾石也可实现化学固化重金属。
在本发明中，所述河道底泥基免烧裹壳陶粒中固化的重金属离子优选包括Zn2+、Pb2+、Fe2+、Cr3+、Cd2+、Ni3+、Cu2+、Mn2+、Mg2+和Co3+中的一种或几种。
本发明将河道底泥预处理后与固体废弃物粉体以及碱激发粉体材料混合，通过冷粘法制备河道底泥基免烧裹壳陶粒，基于碱激发方法实现河道底泥中重金属固化与陶粒强度的形成。本方法成熟可靠且成本低廉，通过以废治废的方式，实现河道底泥的重金属固化、河道底泥基免烧裹壳陶粒的制备以及固废的安全化、绿色化及资源化利用。
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
将城市清淤疏浚得到的河道底泥(初始重金属含量数值为：Cr3+-24.1μg/L、Mn2+-7587.3μg/L、Fe2+-20111.0μg/L、Ni3+-186.5μg/L、Cu2+-172.7μg/L、Zn2+-2778.5μg/L、Cd2+-21.4μg/L、Pb2+-17.3μg/L)放入恒温烘箱，105℃恒温烘干至恒重，进行脱水处理，然后通过压实得到干饼状余土；将所述干饼状余土放入高速粉磨机，转速为320000r/min，粉磨时间为1min，得到粒径小于180目的干粉状余土；
将所述干粉状余土7.0kg，粉煤灰1.2kg，矿渣0.5kg、钢渣0.5kg、赤泥0.3kg、生石灰0.2kg、石膏0.1kg、氢氧化钠粉末0.1kg和硅酸钠粉末0.1kg充分混合，得到混合料；
每次取1.0kg所述混合料放入造粒机中，并喷洒粘接剂0.5kg，进行第一造粒，所述粘接剂为水玻璃与水的混合溶液，所述粘接剂中水玻璃的质量浓度为5％，所述水玻璃的模数为2.0；造粒机的旋转角度为42°，旋转速率为20r/min，旋转时间为12min，形成一级冷粘陶粒(见图1)，并用方孔筛筛分，得到粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒以及粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒；
将1.0kg两种粒径分布的一级冷粘陶粒(粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒的质量比为1：1)放入造粒机中，并喷洒粘接剂0.5kg，进行第二造粒，所述粘接剂为水玻璃与水的混合溶液，所述粘接剂中水玻璃的质量浓度为5％，所述水玻璃的模数为2.0；造粒机的旋转角度为42°，旋转速率范围为20r/min，旋转时间为15min，形成二级冷粘陶粒(见图2)；
将所述二级冷粘陶粒自然养护14天，以1.5kg的二级冷粘陶粒为核，选取0.5kg的硫铝酸盐水泥以及0.1kg的硅酸盐水泥作为壳材，均匀喷洒0.24kg的水，对二级冷粘陶粒进行封装裹壳，制得免烧裹壳陶粒；自然养护7天，获得河道底泥基免烧裹壳陶粒(见图3)。本实施例制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的外壳厚度为60μm；多孔结构的孔隙率为35％。
实施例2
将城市清淤疏浚得到的河道底泥(初始重金属含量数值为：Cr3+-24.1μg/L、Mn2+-7587.3μg/L、Fe2+-20111.0μg/L、Ni3+-186.5μg/L、Cu2+-172.7μg/L、Zn2+-2778.5μg/L、Cd2+-21.4μg/L、Pb2+-17.3μg/L)放入恒温烘箱，105℃恒温烘干至恒重，进行脱水处理，然后通过压实得到干饼状余土；将所述干饼状余土放入高速粉磨机，转速为320000r/min，粉磨时间为1min，得到粒径小于180目的干粉状余土；
将所述干粉状余土7.5kg，粉煤灰1.0kg，矿渣0.3kg、钢渣0.4kg、赤泥0.2kg、生石灰0.2kg、石膏0.1kg、氢氧化钠粉末0.1kg、硅酸钠粉末0.2kg充分混合，得到混合料；
每次取1.0kg所述混合料放入造粒机中，并喷洒粘接剂0.5kg，进行第一造粒，所述粘接剂为水玻璃与水的混合溶液；所述粘接剂中水玻璃的质量浓度为8％；所述水玻璃的模数为2.0；造粒机的旋转角度为40°，旋转速率为18r/min，旋转时间为15min，形成一级冷粘陶粒，并用方孔筛筛分，得到粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒以及粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒；
将1.0kg两种粒径分布的一级冷粘陶粒(粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒的质量比为2：1)分别放入造粒机中，并喷洒粘接剂0.5kg，进行第二造粒，所述粘接剂为水玻璃与水的混合溶液，所述粘接剂中水玻璃的质量浓度为8％，所述水玻璃的模数为2.0；造粒机的旋转角度为40°，旋转速率范围为18r/min，旋转时间为18min，形成二级冷粘陶粒；
将所述二级冷粘陶粒自然养护14天，以1.5kg的二级冷粘陶粒为核，选取0.8kg的硫铝酸盐水泥以及0.2kg的硅酸盐水泥作为壳材，均匀喷洒0.35kg的水，对二级冷粘陶粒进行封装裹壳，制得免烧裹壳陶粒；自然养护7天，获得河道底泥基免烧裹壳陶粒。本实施例制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的外壳厚度为70μm；多孔结构的孔隙率为25％。
对比例1
取河道底泥10.00kg，添加粉煤灰3.00kg、生石灰0.20kg，搅拌30min后，用板框压滤机进行压滤脱水，当其含水率降至40％以下后，将余土在粉碎搅拌机中充分粉碎、搅拌，用粉碎机粉碎至100目，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。以2kg初级底泥颗粒为原料，随后加入0.20kg水玻璃溶液(质量百分比为45％)作为粘接剂，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。而后，以2kg二级底泥颗粒为芯材，取0.60kg硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对多级造粒后的底泥颗粒置于抛丸机中进行包裹；并在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液(质量百分比为45％)至粒面完全润湿，使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层，制得免烧裹壳陶粒。所述硫铝酸盐材料强度等级为42.50，比表面积为370m2/kg，初凝时间为38min，终凝时间为200min，7天自由膨胀率为0.07％，标准稠度为30％。而后对底泥陶粒表面进行覆膜，并间隔12h进行洒水。养护7天后，23℃自然干化，避免阳光直射，最终获得免烧裹壳陶粒成品。
对比例2
取河道底泥3.00kg，添加矿渣0.35kg、氢氧化钠0.05kg，搅拌10min后，用板框压滤机进行压滤脱水，当其含水率降至40％以下后，将余土在粉碎搅拌机中充分粉碎、搅拌，用粉碎机粉碎至100目，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。以0.5kg初级底泥颗粒为原料，随后加入0.05kg水玻璃溶液(质量百分比为35％)作为粘接剂，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。而后，以0.25kg二级底泥颗粒为芯材，取0.15kg硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对多级造粒后的底泥颗粒置于抛丸机中进行包裹；并在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液(质量百分比为35％)至粒面完全润湿，使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层，制得免烧裹壳陶粒。所述硫铝酸盐材料强度等级为42.50，比表面积为350m2/kg，初凝时间为28min，终凝时间为180min，7天自由膨胀率为0.02％，标准稠度为25％。而后对底泥陶粒表面进行覆膜，并间隔12h进行洒水。养护7天后，17℃自然干化，避免阳光直射，最终获得免烧裹壳陶粒成品。
对比例3
取河道底泥5.00kg，添加火山灰1.00kg、生石灰0.10kg，搅拌15min后，用板框压滤机进行压滤脱水，当其含水率降至40％以下后，将余土在粉碎搅拌机中充分粉碎、搅拌，用粉碎机粉碎至100目，获得粒径在1～3mm之间的初级底泥颗粒。以1.5kg初级底泥颗粒为原料，随后加入0.10kg水玻璃溶液(质量百分比为40％)作为粘接剂，在滚动造粒机上进行二次造粒，形成粒径在8～10mm的具有较多孔洞的二级底泥颗粒。而后，以1kg二级底泥颗粒为芯材，取0.25kg硫铝酸盐材料作为壳材，采用颗粒包丸技术，对多级造粒后的底泥颗粒置于抛丸机中进行包裹；并在加入壳料的同时，同步喷洒水玻璃溶液(质量百分比为40％)至粒面完全润湿，使壳料混合料均匀包裹于陶粒表层，制得免烧裹壳陶粒。所述硫铝酸盐材料强度等级为42.50，比表面积为358m2/kg，初凝时间为30min，终凝时间为200min，7天自由膨胀率为0.10％，标准稠度为27％。而后对底泥陶粒表面进行覆膜，并间隔12h进行洒水。养护7天后，20℃自然干化，避免阳光直射，最终获得免烧裹壳陶粒成品。
测试例河道底泥基免烧裹壳陶粒的性能表征
通过堆积密度、筒压强度、1h吸水率、重金属析出量来分析河道底泥基免烧裹壳陶粒的各项性能，说明本发明制备得到孔隙率、强度高、重金属固化效果好的免烧裹壳陶粒。
(1)堆积密度
取河道底泥基免烧裹壳陶粒试样放入干燥箱内干燥至恒重，然后将河道底泥基免烧裹壳陶粒从离容器口上方50mm处均匀倒入，使试样在不碰到容量筒的情况下自然落下；装满后使容量筒口上部试样成锥形，然后用直尺沿容量筒边缘从中心向两边刮平，表面凹陷处用粒径较小的河道底泥基免烧裹壳陶粒填平后称量。计算公式如式I所示：
式I中，ρbv—堆积密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；
mt—试样与容量筒的总质量，单位为千克(kg)；
mv—容量筒的质量，单位为千克(kg)；
V—容量筒的容积，单位为升(L)。
(2)筒压强度
筛取10～20mm粒级的河道底泥基免烧裹壳陶粒试样，其中10～15mm粒级的试样的体积含量占60％；用承压筒(见图4)装试样至高出筒口，放在振动台上振动3s，再装试样至高出筒口，放在振动台上振动5s，并沿筒口刮平试样；安装导向筒和冲压模，使冲压模的下刻度线与导向筒的上缘对齐；把承压筒放在压力机的下压板上，对准压板中心，以每秒300N的速度匀速加荷载；当冲压模压入深度为20mm时，记下压力值。计算公式如式II所示：
式II中，fa—河道底泥基免烧裹壳陶粒试样的筒压强度，单位为兆帕(MPa)；
P—压入深度为20mm时的压力值，单位为牛顿(N)；
F—承压面积，单位为每立方毫米(mm2)。
(3)吸水率
将河道底泥基免烧裹壳陶粒试样放入80℃烘干箱中烘干至恒重，然后将烘干的陶粒放入水中浸泡一个小时，测试其质量变化；以三次测定值的算术平均值作为实验结果，计算公式如式III所示：
式III中，wa—河道底泥基免烧裹壳陶粒试样粗骨料1h吸水率，％；
m0—浸水试样质量，单位为克(g)；
m1—烘干试样质量，单位为克(g)。
(4)重金属析出—毒性特征沥滤方法(TCLP)
将5.7mL的冰醋酸溶入去离子水中，定容至1L，得到酸性浸提液；保持酸性浸提液pH在2.88±0.05范围内；并将河道底泥基免烧裹壳陶粒试样放入80℃烘干箱中烘干至恒重；将75g干粉状余土及河道底泥基免烧裹壳陶粒试样按固液质量比1：20分别放入所述酸性浸提液中，盖紧瓶盖后固定在翻转式振荡器装置中，设置转数为30r/min，温度为25℃，旋转时长为18h(见图5)。
将浸提18h的重金属溶液用0.65μm的微孔滤膜进行过滤，采用电感耦合等离子体质谱检测仪器(ICP-MS)测试过滤后的溶液，得出重金属析出数据。
基于上述得到的数据，重金属固化率计算公式如式IV所示：
式IV中，Sh—重金属固化率，％；
ma—干粉状余土的重金属浸出量，％；
mp—河道底泥基免烧裹壳陶粒的重金属浸出量，％；
其中，重金属浸出量通过ICP测试可直接得到数值。
(5)碱激发固体废弃物固化重金属机理分析
将实施例1河道底泥基免烧裹壳陶粒试样切割并抛光，干燥后通过场发射环境扫描电镜观测内部孔结构(见图7)及界面表面形貌(见图8)，并通过能谱分析其元素分布，观测到底泥内部重金属已被碱激发材料有效固化，且致密的硫铝酸盐/硅酸盐水泥外壳可起到进一步密封的效果(见图9)。
(6)实验结果：
实施例1制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的堆积密度为835kg/m3；实施例2制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的堆积密度为868kg/m3，符合国家规范900级陶粒的标准。对比例1制备的免烧裹壳陶粒成品的堆积密度为1350kg/m3，对比例2制备的免烧裹壳陶粒成品的堆积密度为1200kg/m3，对比例3制备的免烧裹壳陶粒成品的堆积密度为1265kg/m3。
实施例1制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的筒压强度为6.1MPa；实施例2制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的筒压强度为6.5MPa，符合国家规范900级陶粒筒压强度高于5.0MPa的标准。对比例1制备的免烧裹壳陶粒成品的筒压强度为4.0MPa，对比例2制备的免烧裹壳陶粒成品的筒压强度为3.5MPa，对比例3制备的免烧裹壳陶粒成品的筒压强度为3.7MPa。
实施例1制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的1h吸水率为20％；实施例2制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒的1h吸水率为17％，性能较为优异。对比例1制备的免烧裹壳陶粒成品的1h吸水率为19％，对比例2制备的免烧裹壳陶粒成品的1h吸水率为18％，对比例3制备的免烧裹壳陶粒成品的1h吸水率为18.5％。
重金属固化效果：图6为固体废弃物粉体掺量及壳体厚度对河道底泥重金属析出的影响图，由图6可以看出，实施例1(实例一)制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒对河道底泥重金属的固化率从高到低的顺序为：Zn2+(99.7％)>Cd2+(98.6％)>Fe2+(98.3％)>Pb2+(97.7％)>Mn2+(97.2％)>Cr3+(96.8％)>Ni3+(94.5％)>Cu2+(88.1％)。实施例2具有更优异的重金属固化效果，重金属被固化在河道底泥基免烧裹壳陶粒的内部，且致密的硫铝酸盐水泥外壳可以有效的抑制河道底泥重金属渗出。实施例2(实例二)制备的河道底泥基免烧裹壳陶粒对河道底泥重金属的固化率从高到低的顺序为：Zn2+(99.7％)>Mn2+(99.1％)>Cd2+(99.0％)>Pb2+(98.8％)>Fe2+(98.4％)>Ni3+(97.2％)>Cr3+(93.8％)>Cu2+(90.6％)。对比例1制备的免烧裹壳陶粒成品对河道底泥重金属的固化率从高到低的顺序为：Zn2+(95.3％)>Mn2+(92.4％)>Cd2+(91.5％)>Pb2+(89.8％)>Fe2+(87.6％)>Ni3+(86.1％)>Cr3+(85.3％)>Cu2+(84.5％)。对比例2制备的免烧裹壳陶粒成品对河道底泥重金属的固化率从高到低的顺序为：Zn2+(92.8％)>Mn2+(90.0％)>Cd2+(89.5％)>Pb2+(87.6％)>Fe2+(85.7％)>Ni3+(84.2％)>Cr3+(83.7％)>Cu2+(82.2％)。对比例3制备的免烧裹壳陶粒成品对河道底泥重金属的固化率从高到低的顺序为：Zn2+(93.5％)>Mn2+(90.1％)>Cd2+(89.8％)>Pb2+(88.4％)>Fe2+(86.4％)>Ni3+(85.2％)>Cr3+(84.7％)>Cu2+(82.5％)。
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 (10)
1.一种固体废弃物固化河道底泥重金属及免烧裹壳陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将河道底泥进行脱水处理，压实后得到干饼状余土；将所述干饼状余土进行粉磨，得到干粉状余土；
(2)将所述干粉状余土和固体废弃物粉体以及碱激发粉体材料混合，得到混合料；
(3)将所述混合料进行第一造粒，得到一级冷粘陶粒；
(4)将所述一级冷粘陶粒进行筛分，得到粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒；将所述粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒进行第二造粒，得到二级冷粘陶粒；
(5)将所述二级冷粘陶粒和硫铝酸盐水泥以及硅酸盐水泥混合，进行第三造粒，得到河道底泥基免烧裹壳陶粒。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干粉状余土的粒径小于180目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述干粉状余土的质量含量为70～80％，所述固体废弃物粉体的质量含量为15～25％，所述碱激发粉体材料的质量含量为5～10％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述固体废弃物粉体包括粉煤灰、矿渣、钢渣和赤泥；以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述粉煤灰的质量含量为10～12％，所述矿渣的质量含量为3～5％，所述钢渣的质量含量为4～5％，所述赤泥的质量含量为2～3％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碱激发粉体材料包括生石灰、硅酸钠、氢氧化钠和石膏；以所述干粉状余土、固体废弃物粉体和碱激发粉体材料的总质量为100％计，所述生石灰的质量含量为2～3％，所述硅酸钠的质量含量为1～2％，所述氢氧化钠的质量含量为1～3％，所述石膏的质量含量为1～2％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一造粒和第二造粒过程中还添加粘接剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述粘接剂为水玻璃与水的混合溶液；所述粘接剂中水玻璃的质量浓度为5～10％；所述水玻璃的模数为2.0。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粒径≥1mm且≤3mm的一级冷粘陶粒和粒径＞3mm且≤5mm的一级冷粘陶粒的质量比为2～1：1～2。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的质量比为7～9：3～1。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的河道底泥基免烧裹壳陶粒，包括河道底泥陶粒以及包裹在所述河道底泥陶粒表面的外壳；所述外壳的成分包括硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥。
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