CN116854495A - 一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，该铸造灰基免烧碳化陶粒主要由下列原料所制成：铸造粉尘与粉煤灰，水玻璃、水泥、碱激发剂，将上述中干料混合均匀形成灰料，放入造粒机中，喷洒水玻璃水溶液造粒得到陶粒生胚；将制得的陶粒置于室内陈化干燥后转入二氧化碳养护箱内预养护，最后继续在箱内进行CO2养护，即可得铸造灰基免烧碳化陶粒；本发明制备方法简单易行，原料价廉易得，能消耗大量铸造粉尘和粉煤灰，实现了废物再利用；采用二氧化碳养护制备陶粒，养护周期更短，同时可以固碳；对于原料中的重金属具有很好的固定作用，得到的铸造灰基免烧碳化陶粒可以很好的应用于污水处理。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物的回收再利用技术领域，具体涉及一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法。
背景技术
铸造行业作为机械制造业的基础，近年在我国得到了飞速的发展。在我国，每1t铸件生产过程中，废气排放量高达1000-2000m3，粉尘排放量达50kg，废砂排放量达1.3-1.5t。铸造粉尘是铸造行业的主要固体废弃物，如果不加以妥善处理，将会对大气、土壤、地下水以及自然生态系统造成严重破坏，最终可能导致环境失衡。全球目前对铸造粉尘资源化利用一般停留在建筑材料等低附加值产品的生产。这些低附加值产品虽然能够解决铸造粉尘大量堆积的问题，但对其中含有的大量的硅铝元素是一种浪费，其对于制备免烧陶粒具有一定的潜力。
畜禽养殖业已成为中国农业面源污染的主要源头。其产生的有机废水中含有高浓度的氮、磷和悬浮物，还有致病细菌等，而目前的处理工艺价格昂贵，操作复杂，占地面积大，研发一种价格低廉且对于畜禽养殖废水中的污染物有较好去除效果的陶粒具有重大意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种通过将原料混合，本发明提供一种通过将原料混合，造球，然后通过二氧化碳养护制得免烧碳化陶粒的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：将铸造灰与粉煤灰混合，然后加入激发剂和水泥并混合均匀；将混合物放入圆盘造粒机中，并加入粘结剂造粒形成陶粒生球，然后将陶粒生球放入碳化箱中，并通入二氧化碳养护，养护一段时间后，即得免烧碳化陶粒。
一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，包括如下步骤：步骤1，配料称取水玻璃溶于去离子水中制成粘合剂溶液，将预处理后的铸造粉尘与粉煤灰、水泥、碱激发剂混合均匀形成灰料，所述铸造粉尘与粉煤灰为主原料；
步骤2，造粒成球：先将灰料放入造粒机中旋转使其混合均匀，关闭造粒机，喷洒粘合剂溶液数次；开启造粒机，过程中继续喷洒粘合剂溶液造粒得到陶粒生胚；
步骤3，室温陈化：将制得的陶粒置于室内陈化干燥；
步骤4，预养护：将室内干燥后的免烧陶粒转入二氧化碳养护箱内预养护；
步骤5，CO2养护：继续在箱内进行CO2养护，即可得铸造灰基免烧碳化陶粒。
作为本发明的一种优选实施方式：在步骤1中，所述铸造粉尘的预处理方法为于105℃烘箱烘至恒重；
主原料中，所述铸造粉尘与粉煤灰质量比为3：2～4：1，水玻璃为主原料的12％～24％，水泥为主原料的20％～30％；所述去离子水量为(30～40)g水/100g总干料，总干料为主原料、水泥和碱激发剂；所述碱激发剂为主原料的5％～15％，所述碱激发剂中氢氧化钠和氧化钙质量比为2：3～3：2。
作为本发明的一种优选实施方式：在步骤2中，第一次关闭造粒机前旋转的时间为1～3min，所述第一次关闭造粒机后喷洒粘合剂溶液的次数为25～35次，所述重新开启造粒机后喷洒粘合剂的频率为每分钟5～15次。
作为本发明的一种优选实施方式：在步骤4中，所述预养护的条件为空气湿度60％～80％、温度20℃～30℃，并且预养护时间为45～55h。
作为本发明的一种优选实施方式：在步骤5中，所述CO2养护条件为空气湿度60％～80％、CO2的体积分数为15％～25％，养护时间为1～3h。
作为本发明的一种优选实施方式：所述铸造灰基免烧碳化陶粒的粒径为3～8mm，且为球状颗粒。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明的成粒原料为铸造粉尘和粉煤灰，所需原料价廉易得，将铸造行业固体废弃物进行变废为宝的资源化利用。
(2)本发明提供了一种操作简单、无需烧制、性能优良的铸造灰基免烧碳化陶粒，且对于原料中的重金属具有很好的固定作用。
(3)本发明采用二氧化碳养护制备陶粒，具有养护周期更短、抗压强度较大等特点，同时可以固碳。
(4)本发明所制备的铸造灰基免烧碳化陶粒绿色环保，陶粒抗压强度达到5～7MPa、破碎率与磨损率之和为0.5～1.0％、空隙率为45～50％、比表面积达到25～30m2/g，并且通过重金属毒性浸出检测以及生物亲和性检测可以表明铸造灰基免烧陶粒可以很好的作为污水处理上进行应用。
附图说明
图1为本发明制备铸造灰基免烧陶粒的工艺流程示意图；
图2为市售陶粒、铸造灰基免烧蒸养陶粒和铸造灰基免烧碳化陶粒的生物亲和性检测对比；
图3为市售陶粒(a)的吸附脱附曲线与孔径分布图；
图4为铸造灰基免烧蒸养陶粒(b)的吸附脱附曲线与孔径分布图；
图5为铸造灰基免烧碳化陶粒(c)的吸附脱附曲线与孔径分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明为一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：配料，铸造粉尘与粉煤灰为主原料，称取12％～24％的水玻璃(相对于主原料)溶于蒸馏水中制成粘合剂溶液。将铸造粉尘置于105℃烘箱烘至恒重，然后按照铸造粉尘与粉煤灰质量比为3：2～4：1的比例进行混合，再添加20％～30％的水泥，并加入5％～15％的碱激发剂(氢氧化钠和氧化钙质量比为2：3～3：2组成)，将其混合均匀形成灰料。
步骤2：造粒：先将灰料放入造粒机中，于固定角度和固定转速下旋转2min后将其均匀铺开，然后关闭造粒机，再将粘合剂溶液置于喷壶中向灰料喷洒30次。待卷附成微小粒核后重新开启造粒机，每隔1min向造粒机内喷洒粘合剂溶液10次直至喷洒完毕。造粒机内最终得到直径3～8mm的球状铸造灰基免烧陶粒。
步骤3：室温陈化：将制得的陶粒置于室内陈化干燥。
步骤4：预养护：将室内干燥后的免烧陶粒转入二氧化碳养护箱内预养护，调节空气湿度为70％、温度为25℃进行预养护48h。
步骤5：CO2养护：继续在箱内空气湿度为70％、CO2的体积分数为20％的条件下进行CO2养护2h，即可得铸造灰基免烧碳化陶粒。
实施例1，本实施例考察不同养护方式制备得到的铸造灰基免烧陶粒的基本物理性能指标。
其中，具体配料数值如下：
步骤1：配料，称取18％的水玻璃(相对于主原料)溶于蒸馏水中制成粘合剂溶液。将铸造粉尘置于105℃烘箱烘至恒重，然后按照铸造粉尘与粉煤灰质量比为7∶3的比例进行混合，再添加25％的水泥，并加入10％的碱激发剂(氢氧化钠和氧化钙质量比为1∶1组成)，将其混合均匀形成灰料。
步骤2：造粒：先将灰料放入造粒机中，于固定角度和固定转速下旋转2min后将其均匀铺开，然后关闭造粒机，再将粘合剂溶液置于喷壶中向灰料喷洒30次。待卷附成微小粒核后重新开启造粒机，每隔1min向造粒机内喷洒粘合剂溶液10次直至喷洒完毕。造粒机内最终得到直径3～8mm的球状铸造灰基免烧陶粒。
步骤3：室温陈化：将制得的陶粒置于室内陈化干燥。
步骤4：预养护：将室内干燥后的免烧陶粒转入二氧化碳养护箱内预养护，调节空气湿度为70％、温度为25℃进行预养护48h。
步骤5：CO2养护：继续在箱内空气湿度为70％、CO2的体积分数为20％的条件下进行CO2养护2h，即可得铸造灰基免烧碳化陶粒。
市售陶粒，其主要原料为黏土，而常规蒸养方法制备的为免烧蒸养陶粒
将实施例1制备的碳化陶粒与常规蒸养方法制备的免烧蒸养陶粒以及市售陶粒进行基本指标测定，其基本物理性能指标见表1。
表1三种陶粒的基本物理性能指标
可以看出，相对于免烧蒸养陶粒，免烧碳化陶粒在抗压强度、破碎率与磨损率之和、空隙率、比表面积等主要指标上更为优异，更适合当做BAF的水处理填料。同时，免烧碳化陶粒相对于市售陶粒，其抗压强度和破碎率与磨损率之和较差，但比表面积和空隙率远远大于市售陶粒，在满足一定抗压强度的条件下，比表面积和空隙率的较大有利于吸附水中的有机物和重金属离子；有利于微生物的接种挂膜和生长繁殖，保持较多的生物量，对于微生物的附着生长十分有利，有生物附着力强、挂膜性能良好等优点；有足够的力学强度，不会在反冲洗过程中磨损或破碎。过滤周期长，反冲洗容易进行，截污能力强，提高产水量，有效改善水质。
针对本申请的碳化陶粒、常规蒸养陶粒、市售黏土陶粒三种不同陶粒的重金属含量进行比较：
分别称取干燥的碳化陶粒、蒸养陶粒、市售陶粒样品约50g放入容器中，加入500mL浸提液(由浓硫酸与浓硝酸质量比约为2∶1的混酸溶液加入水中制得)，并调节pH至3.2±0.05，然后将容器放入恒温水浴振荡器中，水温调节至25℃，频率30r/min，振荡20h后取下，通过0.45μm水系滤膜的滤液，采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测滤液中Cu、Cd、As、Cr、Ni、Pb等重金属元素的浓度。
从表2中可以看出，三种陶粒所检测的重金属元素含量均远远低于国家对于危险废物的限定标准，表明铸造灰基免烧陶粒的制备对于原料中的重金属具有很好固定作用。毒性重金属在水体中近乎无释放，不会造成二次污染，因此三种陶粒均可以作为水处理用人工陶粒滤料。
表2三种陶粒的重金属浸出毒性检测
针对本申请的碳化陶粒、常规蒸养陶粒、市售黏土陶粒三种不同陶粒的生物亲和性进行比较：
称取10g洗净干燥后的铸造灰基免烧陶粒和市售陶粒分别放入锥形瓶中，放入100ml普通培养基固氮菌液，分别将三个锥形瓶放入摇床(频率40r/min)24h后，以空白菌液为参照，用分光光度计在660nm处测定吸光度。通过吸光度评价微生物对于铸造灰基免烧陶粒是否具有良好的亲和性。
如图2所示，菌悬液中对应的市售陶粒的菌悬液吸光度为0.1345，铸造灰基免烧碳化陶粒的菌悬液吸光度为0.121，铸造灰基免烧蒸养陶粒的菌悬液吸光度为0.117。可以看出市售陶粒菌悬液中的微生物细胞浓度大于免烧碳化陶粒和免烧蒸养中的微生物细胞浓度，则铸造灰基免烧陶粒对于菌悬液有更好的生物相容性，微生物依附在铸造灰基免烧陶粒中的能力更强，从而促进水中微生物的生长和繁殖。微生物分解水中的有机物和污染物，进一步净化水质。
针对本申请的碳化陶粒、常规蒸养陶粒、市售黏土陶粒三种不同陶粒的理论最大吸附容量进行比较：
分别准确称取1g市售陶粒、铸造灰基免烧蒸养陶粒和铸造灰基免烧碳化陶粒，加入到一系列150mL锥形瓶中，采用0.1M HCL溶液和0.1M NaOH溶液分别调节含磷溶液pH为4-10，然后向其分别加入100mL的初始浓度为100mg/L的含磷废水(具体配置方法参考《水和废水监测分析方法》)，然后将锥形瓶置于恒温水浴振荡器中，在25℃和转速频率为160rpm的条件下振荡12h后取出陶粒，用0.45μm的水系滤膜过滤，并测定滤液中磷的浓度，通过下列公式计算三种陶粒对于磷酸盐的吸附容量。
式中qe(mg/g)代表三种陶粒在平衡状态时对磷酸盐的单位吸附量；V(L)为磷酸盐溶液的体积；m(g)为陶粒的质量；C0(mg/L)和Ce(mg/L)是磷酸盐溶液的初始浓度与平衡浓度。
表3为不同陶粒在25℃时吸附磷酸盐的理论最大吸附容量。从表中可知，和市售陶粒相比，铸造灰基免烧蒸养陶粒和铸造灰基免烧碳化陶粒的最大吸附容量相对较大，说明对水中污染物的吸附率更高，截污能力强。
表3不同陶粒的理论最大吸附容量
针对本申请的碳化陶粒、常规蒸养陶粒、市售黏土陶粒三种不同陶粒的比表面积、总孔容和平均孔径进行比较
如图3所示，三种陶粒的孔隙主要为3-10nm的介孔，也存在少量的大孔。从表4中可以看到，市售陶粒、铸造灰基免烧蒸养陶粒和铸造灰基免烧碳化陶粒的比表面积分别为12.04m2/g、27.46m2/g和28.11m2/g，总孔容分别为0.0621cm3/g、0.0795cm3/g和0.1328cm3/g，平均孔径分别为20.65nm、11.58nm和18.90nm。市售陶粒的比表面积远远小于两种铸造灰基免烧陶粒，并且铸造灰基免烧陶粒的总孔容较市售陶粒大，较大的比表面积孔容提供了微生物生长的场所，促进了微生物的生长和繁殖，提高了铸造灰基免烧碳化陶粒对污染物的吸附效果。
表4三种陶粒的比表面积、总孔容与平均孔径
本申请所制备的铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法操作简单、无需烧制、性能优良，且对于原料中的重金属具有很好的固定作用具有养护周期更短、抗压强度较大等特点，同时可以固碳；并且其绿色环保，陶粒抗压强度达到5～7MPa、破碎率与磨损率之和为0.5～1.0％、空隙率为45～50％、比表面积达到25～30m2/g，并且通过重金属毒性浸出检测以及生物亲和性检测可以表明铸造灰基免烧陶粒可以很好的作为污水处理上进行应用。
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 (6)
1.一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，配料称取水玻璃溶于去离子水中制成粘合剂溶液，将预处理后的铸造粉尘与粉煤灰、水泥、碱激发剂混合均匀形成灰料，所述铸造粉尘与粉煤灰为主原料；
步骤2，造粒成球：先将灰料放入造粒机中旋转使其混合均匀，关闭造粒机，喷洒粘合剂溶液数次；开启造粒机，过程中继续喷洒粘合剂溶液造粒得到陶粒生胚；
步骤3，室温陈化：将制得的陶粒置于室内陈化干燥；
步骤4，预养护：将室内干燥后的免烧陶粒转入二氧化碳养护箱内预养护；
步骤5，CO2养护：继续在箱内进行CO2养护，即可得铸造灰基免烧碳化陶粒。
2.根据权利要求1所述的一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，其特征在于：在步骤1中，所述铸造粉尘的预处理方法为于105℃烘箱烘至恒重；
主原料中，所述铸造粉尘与粉煤灰质量比为3：2～4：1，水玻璃为主原料的12％～24％，水泥为主原料的20％～30％；所述去离子水量为(30～40)g水/100g总干料，总干料为主原料、水泥和碱激发剂；所述碱激发剂为主原料的5％～15％，所述碱激发剂中氢氧化钠和氧化钙质量比为2：3～3：2。
3.根据权利要求1所述的一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，其特征在于：在步骤2中，第一次关闭造粒机前旋转的时间为1～3min，所述第一次关闭造粒机后喷洒粘合剂溶液的次数为25～35次，所述重新开启造粒机后喷洒粘合剂的频率为每分钟5～15次。
4.根据权利要求1所述的一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，其特征在于：在步骤4中，所述预养护的条件为空气湿度60％～80％、温度20℃～30℃，并且预养护时间为45～55h。
5.根据权利要求1所述的一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，其特征在于：在步骤5中，所述CO2养护条件为空气湿度60％～80％、CO2的体积分数为15％～25％，养护时间为1～3h。
6.根据权利要求1所述的一种铸造灰基免烧碳化陶粒的制备方法，其特征在于：所述铸造灰基免烧碳化陶粒的粒径为3～8mm，且为球状颗粒。
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