CN116553871B - 一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法和应用 - Google Patents
一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116553871B CN116553871B CN202310525622.5A CN202310525622A CN116553871B CN 116553871 B CN116553871 B CN 116553871B CN 202310525622 A CN202310525622 A CN 202310525622A CN 116553871 B CN116553871 B CN 116553871B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sludge
- cement
- peat
- impurity
- silicon dioxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000010802 sludge Substances 0.000 title claims abstract description 273
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 265
- 239000004568 cement Substances 0.000 title claims abstract description 164
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 99
- 239000003415 peat Substances 0.000 title claims abstract description 95
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 title claims abstract description 92
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 30
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 134
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 134
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 73
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 73
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 claims abstract description 73
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 59
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000010865 sewage Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000004927 clay Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 55
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 42
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 37
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 37
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 28
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 26
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 21
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 20
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 20
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 19
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 16
- 239000000701 coagulant Substances 0.000 claims description 14
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 14
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 14
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 claims description 10
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 claims description 10
- GUJOJGAPFQRJSV-UHFFFAOYSA-N dialuminum;dioxosilane;oxygen(2-);hydrate Chemical compound O.[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3].O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O GUJOJGAPFQRJSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052901 montmorillonite Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 9
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 9
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 7
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000004566 building material Substances 0.000 claims description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 2
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004321 preservation Methods 0.000 abstract description 6
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 3
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 abstract description 3
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 abstract description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 19
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 17
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 13
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 11
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 10
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 10
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 10
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 10
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 9
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 9
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 7
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 4
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002144 chemical decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000000643 oven drying Methods 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 208000035859 Drug effect increased Diseases 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 1
- 239000010871 livestock manure Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000003895 organic fertilizer Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 238000005067 remediation Methods 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
- C02F11/10—Treatment of sludge; Devices therefor by pyrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
- C02F11/12—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
- C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
- C04B14/022—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
- C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
- C04B14/04—Silica-rich materials; Silicates
- C04B14/06—Quartz; Sand
- C04B14/062—Microsilica, e.g. colloïdal silica
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00017—Aspects relating to the protection of the environment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00034—Physico-chemical characteristics of the mixtures
- C04B2111/00181—Mixtures specially adapted for three-dimensional printing (3DP), stereo-lithography or prototyping
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
- C04B2201/20—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the density
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
- C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
- Y02P40/10—Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding
Abstract
本发明公开了一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法,该水泥材料主要组分为污泥炭、纳米二氧化硅、沸石、水泥基材料等，其制备方法为先将市政污泥进行调理改型，经高干脱水、破碎、干燥、热解得到污泥炭；分别对污泥炭、沸石进行清洗、烘干、研磨并筛分；对纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭进行球磨，再添加到悬浮液中进行磁力搅拌，分离处出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，干燥得到污泥炭原料；将经粘土处理的污泥炭原料进行热解、研磨，并掺入水泥基材料内，制得纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。本发明通过改变水泥的理化性质，以增强水泥的固碳能力，增加其保温效果，提升水泥对室内有毒有害气体的吸附和提升其抗压强度等。
Description
技术领域
本发明属于水泥材料生产技术领域，具体涉及一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法和应用。
背景技术
纳米二氧化硅是一种应用最广泛的纳米材料之一，通过水泥基复合材料中加入纳米二氧化硅，可以为水化产物的形成和生长提供成核位点，加速水泥的水化并且填充水泥基体之间的微小孔隙，改善砂浆及混凝土的过渡区。此外，纳米二氧化硅是一种能够直接参与到水泥水化过程，从而影响水泥水化进程的典型纳米材料，可以有效提升水泥基材料的力学性能和耐久性能。此外，由于纳米二氧化硅颗粒之间的接触面积较小，其热导率也较其他隔热材料低，且其孔径小于等于空气中分子的平均自由程，也就不存在气体分子间的碰撞所引起的热传递现象。但是纳米材料较高的表面能、范德华力和静电相互作用造成其在水泥中的团聚问题，这种团聚问题对水泥基材料的力学性能极为不利。
水泥是一种呈粉末状，与水混合，成可塑性浆体，经过物理化学反应过程可形成坚固的石状体，既能在空气硬化，又能在水中硬化的水硬性胶凝材料。我国2020年水泥行业碳总排放总量约12.3亿吨，约占全国二氧化碳排放总量的15%左右。水泥企业产生的二氧化碳可分为直接排放和间接排放，其中直接排放主要是有机碳燃烧、燃料燃烧产生的二氧化碳；间接排放主要是水泥生产消耗电力产生的二氧化碳，我国水泥企业生产1吨水泥熟料平均排放0.8-0.9吨CO2。此外，水泥的保温隔热性能较差，虽然现有超轻化的同时辅以气孔结构优化能够在一定程度上提高水泥基材料的保温隔热性能，但因气孔属于多害孔，不可避免带来材料性能的大幅度弱化，难以有效兼顾材料保温隔热与力学性能，因此急需兼具保温隔热性能和力学性能的水泥基材料。
生物炭（Biochar，BC）一般是指在低氧环境下，将生物质如木材、农作物产物、家畜粪便、污泥等进行高温裂解形成的固体高含碳量物质。生物炭一般应用于土壤改良、土壤修复、吸附固定重金属和作为有机肥料。但是它丰富的孔隙结构、较大的比表面积以及独特的固炭性能，为改性水泥基材料提供了可能。现如今，污泥在水泥基材料领域的应用主要有两种：一种直接作为水泥的部分替代物掺入生产生态水泥，另一种是用水泥窑协同处置，但两者都有一定的缺点。污泥直接掺入生产生态水泥时，由于污泥中含有各种有机物，具有吸水性，会延长水泥的凝结时间，影响水泥的水化过程，并对水泥的抗压强度值有较大影响；而水泥窑协同处置焚烧污泥时，污泥直接入窑，由于其水分过大，会影响窑内的物料烧成，造成窑内温度的波动变大，并且会增加煤的填入量从而增加成本、浪费能源。
目前，关于把污泥热解成生物炭，再加入水泥研究其性能的研究还较少，因此，如何将污泥炭与水泥进行结合，再利用现如今的3D打印技术，对城市污泥新型处理方式的探索、碳的固定新方式以及绿色生态水泥的研究具有重要意义。
发明内容
针对现有水泥生产和使用存在二氧化碳排放过多、抗压强度较低、不隔热等问题，本发明提供了一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及其制备方法和应用，通过改变水泥的理化性质，以增强水泥的固碳能力，增加其保温效果，提升水泥对室内有毒有害气体的吸附和提升其抗压强度等。
为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料，包括以下组分：
水泥基材料；
以及由除杂污泥炭、纳米二氧化硅、除杂沸石为原料制成的纳米二氧化硅改性污泥炭材料；
其中，
纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5；
除杂污泥炭的质量约占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的80%；
除杂沸石的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的3%；
水泥基材料与纳米二氧化硅改性污泥炭材料的质量比为（30-40）：1。
除杂污泥炭是由市政污泥进行调理改性、高干脱水、破碎、干燥、热解得到污泥炭后，再经清洗、烘干、研磨并筛分后获得；
除杂沸石是由将沸石进行清洗、烘干、、研磨并筛分后获得；
纳米二氧化硅改性污泥炭材料是由纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭进行球磨，再添加到悬浮液中进行磁力搅拌，分离出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，干燥得到污泥炭原料后，再置于管式炉内的石英管中，在惰性气体氛围下进行热解、研磨后获得；
纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料是由纳米二氧化硅改性污泥炭材料掺入水泥基材料内获得。
一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1）先将市政污泥进行调理改型，再高干脱水成为脱水泥饼，然后将脱水泥饼破碎成市政污泥颗粒，再对市政污泥颗粒依次进行干燥、热解，产生污泥炭，最后将污泥炭自然放置冷却至室温；
步骤2）将冷却后的污泥炭用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂污泥炭，再对除杂污泥炭进行研磨并筛分；
步骤3）将沸石用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂沸石，再对除杂沸石进行研磨并筛分；
步骤4）在球磨机中研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭，再将研磨后的混合物添加到悬浮液中，并进行磁力搅拌，然后从中分离处出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并干燥，得到污泥炭原料；
步骤5）将经粘土处理的污泥炭原料置于管式炉内的石英管中，在惰性气体氛围下进行热解，制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料，并进行研磨；
步骤6）将经研磨的纳米二氧化硅改性污泥炭材料掺入水泥基材料内，制得纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。
水泥基材料表层通过复合材料的固碳特性和多孔结构，提高了对CO2的吸收能力，通过纳米二氧化硅的加速水化特性加，速了水泥基材料表层的碳化作用，在表面形成碳酸钙保护层，提高了耐久性能；同时，水泥基材料内部通过复合材料的多孔结构与“小尺寸效应”的保水性和亲水性对水分的逐渐释放，发生二次水化作用，填充孔隙，细化水泥基材料内部结构，使得水泥基材料具有优异的力学性能和耐久性。
进一步的，步骤1）中，在对市政污泥进行调理改性时，添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂中的一种或几种。
进一步的，步骤1）中，高干脱水后的脱水泥饼的含水率≤60%，所述脱水泥饼经破碎机粉碎后的市政污泥颗粒的粒径大小≤50mm。
进一步的，步骤1）中，在对市政污泥颗粒进行干燥、热解时，先将市政污泥颗粒送入干化炉内，在120℃下干燥60min，之后通过马弗炉对市政污泥颗粒进行热解，热解温度为600℃，氮气流速为0.5L/min，升温速率为10℃/min，在惰性N2气氛下热解2-3h。
进一步的，所述干化炉为内热式干化炉，温度范围为120℃，停留时间60min。
进一步的，步骤2）中，在对污泥炭进行清洗时，加入去离子水目的是去除污泥炭中多余的无机盐杂质离子，然后通过超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌。
进一步的，步骤2）中，在对除杂污泥炭进行研磨和筛分时，使用机械研磨机对除杂污泥炭进行研磨，然后通过0.6mm筛网进行筛分。
进一步的，步骤3）中，在对沸石进行清洗时，加入去离子水的目的是去除沸石中包括碳酸盐、有机物在内的杂质。
进一步的，步骤3）中，在对除杂沸石进行研磨和筛分时，使用机械研磨机对除杂沸石进行研磨，然后通过0.6mm筛网进行筛分。
进一步的，步骤4）中，在研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭时，球磨机的转速为800rpm，研磨时间为20min，并且纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5，纳米二氧化硅的粒径为5-50nm，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的80%，除杂沸石占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的的3%。
进一步的，步骤4）中，所述悬浮液是由蒙脱石或高岭土粉末中的一种或两种加入到去离子水中后，用超声波发生器超声处理后制得，蒙脱石和/或高岭土粉末的质量是纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的20%。
进一步的，步骤4）中，球磨后的纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物的质量为10g；所述悬浮液是由2g蒙脱石或高岭土粉末加入到500mL去离子水中后用超声波发生器超声处理30min后制得；用磁力搅拌器搅拌3小时。
进一步的，步骤4）中，干燥经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭的温度为80℃。
进一步的，步骤5）中，热解经粘土处理的泥炭原料的条件为，在惰性气体N2氛围，热解温度600-800℃下，缓慢热解1h。
进一步的，步骤5）中，将制得的纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz，1000转/min下研磨3h，制得微米级污泥炭；
进一步的，所述微米级污泥炭的粒径优选为1-5μm。
进一步的，步骤6）中，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，纳米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的质量分数不超过5%。
进一步的，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，纳米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的质量分数在不超过3%。
进一步的，步骤6）中，所述水泥基材料选用掺入水灰比为0.3-0.5的水泥。
进一步的，所述水泥基材料选用掺入水灰比为0.4的水泥。
上述制得的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料可以作为3D打印建筑材料，用于建筑物的3D打印建造。
本发明的有益效果为：
1、本发明将污泥炭材料用于改性水泥基材料，利用污泥炭自身孔隙结构和吸附性能，可以用于固碳和吸收房屋内挥发性有机物质；此外，由于污泥炭本身的热传导性低、不易燃、化学性质稳定、不易使水泥内部结构发生化学腐坏的特点，使其在改性水泥基材料中有积极作用；并且污泥炭还可以提升水泥基材料强度机理，提高密实度，并且污泥炭内部吸收的水分可用于水泥水化增强水泥强度。
2、本发明的纳米二氧化硅改性污泥炭掺入量在3%以内，可以提高水泥的力学性能；强度的发展对3D打印水泥至关重要，掺入的微米级污泥炭，水泥28d抗压强度提高提升了10-20%，28d抗弯强度提高了5-10%，56d的自收缩率降低了5-15%；纳米二氧化硅改性污泥炭中的硅还可以与水泥体系中的铝和钙形成额外的C-S-H键，使结构致密化并增强机械性能。
3、发明特制的污泥炭具有3D多孔和2D片状结构，并且污泥炭的掺入，使其孔隙可以破坏污泥炭-水泥复合材料的热桥，这是复合材料具有低热导性和隔热性能的原因；将5wt%污泥炭掺入水泥，其导热率降低了15-25%，还改善了污泥炭-水泥复合材料在200-2000Hz频率范围内的声学性能，有隔热和隔音的效果。
4、本发明的污泥炭水泥是一种对气候有利的粘合剂，可促进水泥水合，从而形成更致密的基质，用于封装PTE和充当一种经济高效的挥发性有机物（VOCs）吸附剂。
5、本发明的污泥炭水泥与普通水泥相比，在1.56GHz下，掺入0.5wt%生物炭后，电磁屏蔽效能最大能增加200-250%；污泥炭水泥复合材料的电磁屏蔽性能可通过污泥炭含量来提高，在高于4GHz的频率下，污泥炭含量变得更加明显。
6、本发明的污泥炭水泥建筑材料在3D打印下可以减少30-60%的建筑垃圾，50-80%的劳动力成本和50-70%的劳动时间；纳米二氧化硅作为添加剂可以改善3D水泥打印的触变性和可构建性，并且污泥炭的加入还可以降低水泥3D打印的密度，增强可挤压性和可建造性。
7、本发明用于制造污泥炭-水泥复合材料的污泥炭研磨过程的二氧化碳排放量与水泥熟料产生的二氧化碳相比可以忽略不计，并且与普通水泥相比，在水泥中掺入4wt%的污泥炭可以额外储存0.08kg的CO2,掺入8wt%球磨污泥炭可减少10-20%的CO2。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的制备工艺流程图；
图2为本发明制备的纳米二氧化硅改性污泥炭的结构放大示意图；
图3为本发明制备的纳米二氧化硅改性污泥炭试块的结构示意图；
实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明的一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料，包括以下组分：
水泥基材料；
以及由除杂污泥炭、纳米二氧化硅、除杂沸石为原料制成的纳米二氧化硅改性污泥炭材料；
其中，
纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5；
除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的80%；
除杂沸石的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的2-4%；
水泥基材料与纳米二氧化硅改性污泥炭材料的质量比为（30-40）：1。
除杂污泥炭是由市政污泥进行调理改性、高干脱水、破碎、干燥、热解得到污泥炭后，再经清洗、烘干、研磨并筛分后获得；
除杂沸石是由将沸石进行清洗、烘干、、研磨并筛分后获得；
纳米二氧化硅改性污泥炭材料是由纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭进行球磨，再添加到悬浮液中进行磁力搅拌，分离出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，干燥得到污泥炭原料后，再置于管式炉内的石英管中，在惰性气体氛围下进行热解、研磨后获得；
纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料是由纳米二氧化硅改性污泥炭材料掺入水泥基材料内获得。
本发明的一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，可以包括如图1中所示的步骤，下面通过5个具体实施例详细介绍本发明的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法。
实施例
（1）制备污泥炭的前期准备
本发明的市政污泥取自苏州市工业园区第二污水处理厂。在取回前，市政污泥已经先进行调理改性，调理改性中的添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂的一种或数种，这取决于当天市政污泥的理化性质。
随后将市政污泥进行高干脱水成为脱水泥饼，脱水泥饼的含水率一般≤60%。之后将脱水泥饼进行破碎机破碎，破碎后的污泥粒径大小≤50mm。最后，对市政污泥颗粒进行干燥处理，干燥所用的干化炉为内热式干化炉，温度范围120℃，停留时间60min。
（2）污泥炭的制备
以干燥后的市政污泥颗粒为原料，将其置于控温马弗炉中进行热解，在惰性N2气氛下，N2的流速为0.5L/min，以10℃/min升温至600℃，再保温2-3h以使其完全碳化为污泥炭，自然放置冷却至室温后取出。
（3）改性前材料的准备
首先将冷却后的污泥炭中加入去离子水，采用超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌，以去除多余的无机盐杂质离子杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂污泥炭材料。
沸石则如污泥炭一样进行洗涤，去除沸石中碳酸盐、有机物等杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂沸石。
纳米二氧化硅则购买市面上常见的材料，粒径控制在5-50nm。
（4）球磨处理
将纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭在球磨机中以800rpm研磨20min，其中纳米二氧化硅和污泥炭的质量比为1:5，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的约80%，除杂沸石占总质量的3%。
（5）污泥炭改性
将球磨过的10g纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物添加到悬浮液中并在磁力搅拌器上搅拌3h，其中悬浮液是由2g蒙脱石和/或高岭土粉末加入到500ml去离子水中，再用超声波发生器进行超声处理30min后所制得。随后从混合物中分离经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并在温度80℃的烘箱中烘干，冷却后取出得到污泥炭原料。
将干燥后的经过粘土处理的污泥炭原料置于管式炉的石英管中，在惰性N2氛围，流速0.5L/min，热解温度600℃下，换慢热解1h来制备纳米二氧化硅改性污泥炭材料。
将制得的纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz、1000转/min下研磨3h，制得微米级改性污泥炭粉末状颗粒，其粒径优选为1-5um。
（6）污泥炭水泥的制备：
将以上得到的微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料粉末状颗粒按质量代替2%水泥掺入水灰比为0.4的水泥砂浆中，相比未掺入的纯水泥砂浆，28d抗压强度提高提升了19%，28d抗弯强度提高了11%，56d的自收缩降低了7%，其导热率降低了9%。
实施例
（1）制备污泥炭的前期准备
本发明的市政污泥取自苏州市工业园区第二污水处理厂。在取回前，市政污泥已经先进行调理改性，调理改性中的添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂的一种或数种，这取决于当天市政污泥的理化性质。
随后将市政污泥进行高干脱水成为脱水泥饼，脱水泥饼的含水率一般≤60%。之后将脱水泥饼进行破碎机破碎，破碎后的污泥粒径大小≤50mm。最后，对市政污泥颗粒进行干燥处理，干燥所用的干化炉为内热式干化炉，温度范围120℃，停留时间60min。
（2）污泥炭的制备
以干燥后的市政污泥颗粒为原料，将其置于控温马弗炉中进行热解，在惰性N2气氛下，N2的流速为0.5L/min，以10℃/min升温至600℃，再保温2-3h以使其完全碳化为污泥炭，自然放置冷却至室温后取出。
（3）改性前材料的准备
首先将冷却后的污泥炭中加入去离子水，采用超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌，以去除多余的无机盐杂质离子杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂污泥炭材料。
沸石则如污泥炭一样进行洗涤，去除沸石中碳酸盐、有机物等杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂沸石。
纳米二氧化硅则购买市面上常见的材料，粒径控制在5-50nm。
（4）球磨处理
将纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭在球磨机中以800rpm研磨20min，其中纳米二氧化硅和污泥炭的质量比为1:5，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的约80%，除杂沸石占总质量的3%。
（5）污泥炭改性
将球磨过的10g纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物添加到悬浮液中并在磁力搅拌器上搅拌3h，其中悬浮液是由2g蒙脱石和/或高岭土粉末加入到500ml去离子水中，再用超声波发生器进行超声处理30min后所制得。随后从混合物中分离经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并在温度80℃的烘箱中烘干，冷却后取出得到污泥炭原料。
将干燥后的经过粘土处理的污泥炭原料置于管式炉的石英管中，在惰性N2氛围，流速0.5L/min，热解温度700℃下，换慢热解1h来制备纳米二氧化硅改性污泥炭材料。
将制得的纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz、1000转/min下研磨3h，制得微米级改性污泥炭粉末状颗粒，其粒径优选为1-5um。
（6）污泥炭水泥的制备
将以上得到的微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料粉末状颗粒按质量代替5%水泥掺入水灰比为0.5的水泥砂浆中，相比未掺入的纯水泥砂浆，28d抗压强度提高提升了1%，28d抗弯强度提高了1.3%，56d的自收缩降低了0.7%，其导热率降低了21%。
实施例
（1）制备污泥炭的前期准备
本发明的市政污泥取自苏州市工业园区第二污水处理厂。在取回前，市政污泥已经先进行调理改性，调理改性中的添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂的一种或数种，这取决于当天市政污泥的理化性质。
随后将市政污泥进行高干脱水成为脱水泥饼，脱水泥饼的含水率一般≤60%。之后将脱水泥饼进行破碎机破碎，破碎后的污泥粒径大小≤50mm。最后，对市政污泥颗粒进行干燥处理，干燥所用的干化炉为内热式干化炉，温度范围120℃，停留时间60min。
（2）污泥炭的制备
以干燥后的市政污泥颗粒为原料，将其置于控温马弗炉中进行热解，在惰性N2气氛下，N2的流速为0.5L/min，以10℃/min升温至600℃，再保温2-3h以使其完全碳化为污泥炭，自然放置冷却至室温后取出。
（3）改性前材料的准备
首先将冷却后的污泥炭中加入去离子水，采用超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌，以去除多余的无机盐杂质离子杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂污泥炭材料。
沸石则如污泥炭一样进行洗涤，去除沸石中碳酸盐、有机物等杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂沸石。
纳米二氧化硅则购买市面上常见的材料，粒径控制在5-50nm。
（4）球磨处理
将纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭在球磨机中以800rpm研磨20min，其中纳米二氧化硅和污泥炭的质量比为1:5，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的约80%，除杂沸石占总质量的3%。
（5）污泥炭改性
将球磨过的10g纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物添加到悬浮液中并在磁力搅拌器上搅拌3h，其中悬浮液是由2g蒙脱石和/或高岭土粉末加入到500ml去离子水中，再用超声波发生器进行超声处理30min后所制得。随后从混合物中分离经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并在温度80℃的烘箱中烘干，冷却后取出得到污泥炭原料。
将干燥后的经过粘土处理的污泥炭原料置于管式炉的石英管中，在惰性N2氛围，流速0.5L/min，热解温度800℃下，换慢热解1h来制备纳米二氧化硅改性污泥炭材料。
将制得的纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz、1000转/min下研磨3h，制得微米级改性污泥炭粉末状颗粒，其粒径优选为1-5um。
（6）污泥炭水泥的制备
将以上得到的微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料粉末状颗粒按质量代替3%水泥掺入水灰比为0.5的水泥砂浆中，相比未掺入的纯水泥砂浆，28d抗压强度提高提升了8%，28d抗弯强度提高了7%，56d的自收缩降低了5%，其导热率降低了15%。
实施例
（1）制备污泥炭的前期准备
本发明的市政污泥取自苏州市工业园区第二污水处理厂。在取回前，市政污泥已经先进行调理改性，调理改性中的添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂的一种或数种，这取决于当天市政污泥的理化性质。
随后将市政污泥进行高干脱水成为脱水泥饼，脱水泥饼的含水率一般≤60%。之后将脱水泥饼进行破碎机破碎，破碎后的污泥粒径大小≤50mm。最后，对市政污泥颗粒进行干燥处理，干燥所用的干化炉为内热式干化炉，温度范围120℃，停留时间60min。
（2）污泥炭的制备
以干燥后的市政污泥颗粒为原料，将其置于控温马弗炉中进行热解，在惰性N2气氛下，N2的流速为0.5L/min，以10℃/min升温至600℃，再保温2-3h以使其完全碳化为污泥炭，自然放置冷却至室温后取出。
（3）改性前材料的准备
首先将冷却后的污泥炭中加入去离子水，采用超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌，以去除多余的无机盐杂质离子杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂污泥炭材料。
沸石则如污泥炭一样进行洗涤，去除沸石中碳酸盐、有机物等杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂沸石。
纳米二氧化硅则购买市面上常见的材料，粒径控制在5-50nm。
（4）球磨处理
将纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭在球磨机中以800rpm研磨20min，其中纳米二氧化硅和污泥炭的质量比为1:5，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的约80%，除杂沸石占总质量的3%。
（5）污泥炭改性
将球磨过的10g纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物添加到悬浮液中并在磁力搅拌器上搅拌3h，其中悬浮液是由2g蒙脱石和/或高岭土粉末加入到500ml去离子水中，再用超声波发生器进行超声处理30min后所制得。随后从混合物中分离经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并在温度80℃的烘箱中烘干，冷却后取出得到污泥炭原料。
将干燥后的经过粘土处理的污泥炭原料置于管式炉的石英管中，在惰性N2氛围，流速0.5L/min，热解温度700℃下，换慢热解1h来制备纳米二氧化硅改性污泥炭材料。
将制得的纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz、1000转/min下研磨3h，制得微米级改性污泥炭粉末状颗粒，其粒径优选为1-5um。
（6）污泥炭水泥的制备
将以上得到的微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料粉末状颗粒按质量代替2%水泥掺入水灰比为0.3的水泥砂浆中，相比未掺入的纯水泥砂浆，28d抗压强度提高提升了17%，28d抗弯强度提高了8%，56d的自收缩降低了12%，其导热率降低了9%。
实施例
（1）制备污泥炭的前期准备
本发明的市政污泥取自苏州市工业园区第二污水处理厂。在取回前，市政污泥已经先进行调理改性，调理改性中的添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂的一种或数种，这取决于当天市政污泥的理化性质。
随后将市政污泥进行高干脱水成为脱水泥饼，脱水泥饼的含水率一般≤60%。之后将脱水泥饼进行破碎机破碎，破碎后的污泥粒径大小≤50mm。最后，对市政污泥颗粒进行干燥处理，干燥所用的干化炉为内热式干化炉，温度范围120℃，停留时间60min。
（2）污泥炭的制备
以干燥后的市政污泥颗粒为原料，将其置于控温马弗炉中进行热解，在惰性N2气氛下，N2的流速为0.5L/min，以10℃/min升温至600℃，再保温2-3h以使其完全碳化为污泥炭，自然放置冷却至室温后取出。
（3）改性前材料的准备
首先将冷却后的污泥炭中加入去离子水，采用超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌，以去除多余的无机盐杂质离子杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂污泥炭材料。
沸石则如污泥炭一样进行洗涤，去除沸石中碳酸盐、有机物等杂质，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，再使用机械研磨机研磨，通过0.6mm筛网进行筛分得到改性前所需的除杂沸石。
纳米二氧化硅则购买市面上常见的材料，粒径控制在5-50nm。
（4）球磨处理
将纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭在球磨机中以800rpm研磨20min，其中纳米二氧化硅和污泥炭的质量比为1:5，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的约80%，除杂沸石占总质量的3%。
（5）污泥炭改性
将球磨过的10g纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物添加到悬浮液中并在磁力搅拌器上搅拌3h，其中悬浮液是由2g蒙脱石和/或高岭土粉末加入到500ml去离子水中，再用超声波发生器进行超声处理30min后所制得。随后从混合物中分离经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并在温度80℃的烘箱中烘干，冷却后取出得到污泥炭原料。
将干燥后的经过粘土处理的污泥炭原料置于管式炉的石英管中，在惰性N2氛围，流速0.5L/min，热解温度600℃下，换慢热解1h来制备纳米二氧化硅改性污泥炭材料。
将制得的纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz、1000转/min下研磨3h，制得微米级改性污泥炭粉末状颗粒，其粒径优选为1-5um。
（6）污泥炭水泥的制备
将以上得到的微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料粉末状颗粒按质量代替7%水泥掺入水灰比为0.4的水泥砂浆中，相比未掺入的纯水泥砂浆，28d抗压强度提高提升了5，28d抗弯强度提高了2%，56d的自收缩降低了3%，其导热率降低了26%。
本发明将污泥炭材料用于改性水泥基材料，利用污泥炭自身孔隙结构和吸附性能，可以用于固碳和吸收房屋内挥发性有机物质；此外，由于污泥炭本身的热传导性低、不易燃、化学性质稳定、不易使水泥内部结构发生化学腐坏的特点，使其在改性水泥基材料中有积极作用；并且污泥炭还可以提升水泥基材料强度机理，提高密实度，并且污泥炭内部吸收的水分可用于水泥水化增强水泥强度。
本发明的纳米二氧化硅改性污泥炭掺入量在3%以内，可以提高水泥的力学性能；强度的发展对3D打印水泥至关重要，掺入的微米级污泥炭，水泥28d抗压强度提高提升了13-17%以上，28d抗弯强度提高了5-9%以上，56d的自收缩率降低了7-13%以上；纳米二氧化硅改性污泥炭中的硅还可以与水泥体系中的铝和钙形成额外的C-S-H键，使结构致密化并增强机械性能。
发明特制的污泥炭具有3D多孔和2D片状结构，并且污泥炭的掺入，使其孔隙可以破坏污泥炭-水泥复合材料的热桥，这是复合材料具有低热导性和隔热性能的原因；将5wt%污泥炭掺入水泥，其导热率降低了15-24%以上，还改善了污泥炭-水泥复合材料在200-2000Hz频率范围内的声学性能，有隔热和隔音的效果。
本发明的污泥炭水泥是一种对气候有利的粘合剂，可促进水泥水合，从而形成更致密的基质，用于封装PTE和充当一种经济高效的挥发性有机物（VOCs）吸附剂。
本发明的污泥炭水泥与普通水泥相比，在1.56GHz下，掺入0.5wt%生物炭后，电磁屏蔽效能最大能增加203-249%以上；污泥炭水泥复合材料的电磁屏蔽性能可通过污泥炭含量来提高，在高于4GHz的频率下，污泥炭含量变得更加明显。
本发明的污泥炭水泥建筑材料在3D打印下可以减少30-60%的建筑垃圾，50-80%的劳动力成本和50-70%的劳动时间；纳米二氧化硅作为添加剂可以改善3D水泥打印的触变性和可构建性，并且污泥炭的加入还可以降低水泥3D打印的密度，增强可挤压性和可建造性。
本发明用于制造污泥炭-水泥复合材料的污泥炭研磨过程的二氧化碳排放量与水泥熟料产生的二氧化碳相比可以忽略不计，并且与普通水泥相比，在水泥中掺入4wt%的污泥炭可以额外储存0.08kg的CO2,掺入8wt%球磨污泥炭可减少12-16%的CO2。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料，其特征在于，包括以下组分：
水泥基材料；
以及由除杂污泥炭、纳米二氧化硅、除杂沸石为原料制成的纳米二氧化硅改性污泥炭材料；
其中，
纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5；
除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的80%；
除杂沸石的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的3%；
水泥基材料与纳米二氧化硅改性污泥炭材料的质量比为（30-40）：1。
2.一种如权利要求1所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）先将市政污泥进行调理改型，再高干脱水成为脱水泥饼，然后将脱水泥饼破碎成市政污泥颗粒，再对市政污泥颗粒依次进行干燥、热解，产生污泥炭，最后将污泥炭自然放置冷却至室温；
步骤2）将冷却后的污泥炭用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂污泥炭，再对除杂污泥炭进行研磨并筛分；
步骤3）将沸石用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂沸石，再对除杂沸石进行研磨并筛分；
步骤4）在球磨机中研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭，再将研磨后的混合物添加到悬浮液中，并进行磁力搅拌，然后从中分离处出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并干燥，得到污泥炭原料；
步骤5）将经粘土处理的污泥炭原料置于管式炉内的石英管中，在惰性气体氛围下进行热解，制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料，并进行研磨；
步骤6）将经研磨的纳米二氧化硅改性污泥炭材料掺入水泥基材料内，制得纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。
3.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，在对市政污泥进行调理改性时，添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，高干脱水后的脱水泥饼的含水率≤60%，所述脱水泥饼经破碎机粉碎后的市政污泥颗粒的粒径大小≤50mm。
5.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤4）中，纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5，纳米二氧化硅的粒径为5-50nm，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的80%，除杂沸石占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的3%。
6.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述悬浮液是由蒙脱石或高岭土粉末中的一种或两种加入到去离子水中后，用超声波发生器超声处理后制得，蒙脱石和/或高岭土粉末的质量是纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的20%。
7.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤5）中，热解经粘土处理的泥炭原料的条件为，在惰性气体N2氛围，热解温度600-800℃下，缓慢热解1h。
8.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤6）中，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，纳米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的质量分数不超过5%。
9.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤6）中，所述水泥基材料选用掺入水灰比为0.3-0.5的水泥。
10.一种如权利要求1所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的应用，其特征在于，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料作为3D打印建筑材料，用于建筑物的3D打印建造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310525622.5A CN116553871B (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310525622.5A CN116553871B (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116553871A CN116553871A (zh) | 2023-08-08 |
| CN116553871B true CN116553871B (zh) | 2023-11-10 |
Family
ID=87503028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310525622.5A Active CN116553871B (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116553871B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013114824A1 (de) * | 2012-12-27 | 2014-07-03 | Povazská cementáren, a.s. | Verfahren zur Zementherstellung und eine damit hergestellte Zement- und Betonzusammensetzung |
| US10150904B1 (en) * | 2018-03-30 | 2018-12-11 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Nano zeolite cement additive and methods of use |
| CN109437824A (zh) * | 2018-11-19 | 2019-03-08 | 河北工业大学 | 3d打印多功能型mpc水泥基复合材料的制备方法 |
| CN109455973A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-03-12 | 济南大学 | 一种适用于3d打印硫铝酸盐水泥基材料的触变剂 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6964302B2 (en) * | 2002-12-10 | 2005-11-15 | Halliburton Energy Services, Inc. | Zeolite-containing cement composition |
-
2023
- 2023-05-11 CN CN202310525622.5A patent/CN116553871B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013114824A1 (de) * | 2012-12-27 | 2014-07-03 | Povazská cementáren, a.s. | Verfahren zur Zementherstellung und eine damit hergestellte Zement- und Betonzusammensetzung |
| US10150904B1 (en) * | 2018-03-30 | 2018-12-11 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Nano zeolite cement additive and methods of use |
| CN109437824A (zh) * | 2018-11-19 | 2019-03-08 | 河北工业大学 | 3d打印多功能型mpc水泥基复合材料的制备方法 |
| CN109455973A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-03-12 | 济南大学 | 一种适用于3d打印硫铝酸盐水泥基材料的触变剂 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 超细沸石粉对水泥净浆结构构筑的影响;刘耀强;;科技创新导报(第24期);22-24+26 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116553871A (zh) | 2023-08-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10894741B2 (en) | Method for preparing ceramsite by using municipal sludge as raw material | |
| CN111116210B (zh) | 一种利用生物煤生态烧结弃土制备轻质陶粒的方法 | |
| CN108862972B (zh) | 一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法 | |
| CN104030637B (zh) | 一种竹炭纤维混凝土材料及其制备方法 | |
| CN108675815B (zh) | 一种粉煤灰污泥陶粒的制备方法 | |
| CN110078530B (zh) | 一种高性能烧结保温砖的制备方法 | |
| CN102247800A (zh) | 一种以膨润土、珍珠岩和沸石为主要原料的复合陶粒及其制备方法 | |
| CN112939496B (zh) | 一种黏土陶粒的微波烧结方法 | |
| CN105152340A (zh) | 一种人工湿地赤泥除磷填料及其制备方法 | |
| CN110963783A (zh) | 一种污泥基高强陶粒及其制备方法 | |
| CN109776067A (zh) | 一种利用陶土制备烧结透水材料的方法 | |
| CN111747696B (zh) | 一种基于生活垃圾焚烧炉渣和赤泥的地聚合物混凝土及其制备方法 | |
| KR100656177B1 (ko) | 화력발전소 바닥재를 이용한 ＮａＰ1형 제올라이트 합성방법 | |
| CN116835961A (zh) | 一种煤基固废协同制备的陶粒及其制备方法 | |
| CN116553871B (zh) | 一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法和应用 | |
| CN115650664B (zh) | 一种多功能环境友好型生态混凝土及其制备方法 | |
| CN107216124A (zh) | 一种利用污泥烧结自保温砌块及其方法 | |
| CN114920530B (zh) | 一种免烧结陶粒及其制备方法 | |
| CN114907073A (zh) | 一种填埋场覆土用改性市政污泥及其制备方法 | |
| Miao et al. | A novel humidity regulating material hydrothermally synthetized from concrete waste | |
| Sverguzova et al. | Application of sorbent waste material for porous ceramics production | |
| CN108002859A (zh) | 一种利用污泥制作轻质多孔陶粒的工艺 | |
| CN103127922A (zh) | 一种新吸附剂的生产方法 | |
| CN107311620A (zh) | 一种淤泥烧结储能砖及其生产工艺 | |
| CN108086576B (zh) | 一种利用工业固体废渣制备轻集料混凝土小型空心砌块方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |