CN117510184A - 利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，属于建筑材料技术领域。本发明解决的技术问题是提供一种性能较好的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法。该方法，包括以下步骤：a、将高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵混匀，加入粘结剂混匀；b、制坯；c、烧结，即得。本发明采用高钛型高炉渣为主要原料，高岭土与钾长石为次要原料，偏钒酸铵为辅助掺杂，各种原料相辅相成，协同增效，由此制备得到的透水砖，透水性能，抗折强度和光催化性能均较好，且充分利用了高钛型高炉渣来制备透水砖，可以改善现有的渣料大量堆积的状态，变废为宝，其方法简单，无需采用特殊的设备，成本较低，可大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
攀钢高炉渣既是一种工业废弃物，更是富含钛元素的二次资源。针对如何合理利用高钛型高炉渣所含钛资源，并且是在环境友好的条件下充分利用，就显得尤为重要。近几十年来，高钛型高炉渣资源利用主要从提取钛资源制备含钛化合物、含钛合金，直接应用于建材和肥料等方面进行研究。目前的高钛型高炉渣提钛利用方法，除攀钢集团的氯化法工艺投入生产以外，其它方法存在成本过高，不适应市场竞争；产品不合格，无法创造价值；造成新的二次污染等问题。非提钛方法利用高钛型高炉渣中钛资源，就成为了一种合理的综合利用方式。
现如今，高炉渣的应用现状主要有建筑材料、玻璃材料、吸附材料、功能材料、肥料、杀菌剂等方面等。但常用来制作建筑材料，其在建筑领域有着非常重要的应用。海绵城市，是新一代洪水管理概念，是指在城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性。对于建设海绵城市而言，可渗透路面配套设施就是关键，透水砖的推广使用在保护地下水起到了积极作用，大雨天气，雨水可以很快渗入地下缓解城市内涝压力。研究表明，利用高钛型高炉渣为主要原料再加入具有粘结与助融效果的辅料，进行高温烧结，其具有较好的透水性能与强度。
申请号为201810987225.9的发明专利公开了利用高钛型高炉渣制备光催化透水砖的方法，该方法包括如下步骤：a、首先，将高钛型高炉渣进行破碎、筛分；b、将破碎分级后的高钛型高炉渣进行活化处理，得到骨料；c、在骨料中加入辅助粘合剂、助溶剂和水后，置于球磨中进行制粉，从而得到坯料；d、将步骤c中得到的坯料进行陈化处理，并一次加压成型得到生砖坯；e、将步骤d中得到的生砖坯进行烧结，然后冷却至常温后得到成品的透水砖。该方法得到的透水砖，其透水性能、抗折强度和光催化性能均不高。
发明内容
针对以上缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种性能较好的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法。
本发明利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，包括以下步骤：
a、混料：将高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵混匀，加入粘结剂混匀，密闭放置20～30h，得到混合料；
b、制坯：混合料压制，干燥，得到坯料；
c、烧结：坯料在1000～1300℃保温2～5h，得到光催化透水砖。
在本发明的一个实施方式中，高炉渣的粒度为20～100目。在一个优选的实施方式中，高炉渣的粒度为20～40目。
在本发明的一个实施方式中，高炉渣中，TiO2含量为20～30wt％。在一个具体实施方式中，TiO2含量为23％。
在本发明的一个实施方式中，a步骤中，高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵的重量比为70～80∶8～13∶12～18：6～10。在一个具体实施例中，高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵的配比为75∶10∶15：8。
在本发明一个具体实施方式中，所述粘结剂为甲基纤维素，淀粉或羧甲基纤维素。
在本发明的一个实施方式中，b步骤中，压制的压力为4～8MPa，时间为20～60s。
在本发明优选的实施方式中，坯料在1100℃保温3h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用高钛型高炉渣为主要原料，高岭土与钾长石为次要原料，偏钒酸铵为辅助掺杂，各种原料相辅相成，协同增效，由此制备得到的透水砖，其性能较好，透水性能达到透水材料的透水系数规定的A级，抗折强度能达到规定的等级Rf4.5，且光催化性能好。
本发明充分利用了高钛型高炉渣来制备透水砖，可以改善现有的渣料大量堆积的状态，变废为宝，其方法简单，无需采用特殊的设备，成本较低，可大规模工业化生产。
具体实施方式
本发明利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，包括以下步骤：
a、混料：将高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵混匀，加入粘结剂混匀，密闭放置20～30h，得到混合料；
b、制坯：混合料压制，干燥，得到坯料；
c、烧结：坯料在1000～1300℃保温2～5h，得到光催化透水砖。
高岭土的主要物相是石英，莫来石。在高岭土中，莫来石晶体在高温下发育长大，使得透水砖的强度显著提升。钾长石的物相中的微斜长石，可以降低熔点，降低能耗，同时，在高温下长石粘度较大，可以起到高温热塑作用和高温胶结作用；随着长石的加入，高温下氧化铝和二氧化硅结合能力变弱，并且与其他氧化物和杂质结合，形成低共熔混合物，降低了熔点。因此，本发明采用高钛型高炉渣为主要原料，高岭土与钾长石为次要原料，偏钒酸铵为辅助掺杂，各种原料相辅相成，协同增效，由此制备得到的透水砖，其性能较好，透水性能达到透水材料的透水系数规定的A级，抗折强度能达到规定的等级Rf4.5，且光催化性能好。
在本发明的一个实施方式中，高炉渣的粒度为20～100目。在一个优选的实施方式中，高炉渣的粒度为20～40目。
高炉渣的主要成分为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2的五元炉渣，本领域常用的高钛型高炉渣均适用于本发明。在本发明的一个实施方式中，高炉渣中，TiO2含量为20～30wt％。在一个具体实施方式中，TiO2含量为23％。
为了进一步的提高透水砖的性能，在本发明的一个实施方式中，a步骤中，高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵的重量比为70～80∶8～13∶12～18：6～10。在一个具体实施例中，高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵的配比为75∶10∶15：8。
粘结剂可以采用本领域常规粘结剂。在本发明一个具体实施方式中，所述粘结剂为甲基纤维素，淀粉或羧甲基纤维素。
b步骤的压制可以采用本领域常规参数。在本发明的一个实施方式中，b步骤中，压制的压力为4～8MPa，时间为20～60s。具体的，可将胚料放入钢模具中进行压片，得到圆饼状和长方体状的样品；将压制的半成品放入电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥，干燥时间为1小时。将干燥结束的样品进行高温烧结。
c步骤为烧结。偏钒酸铵会受热分解，偏钒酸铵最终分解为V2O5。在200～00℃之间，偏钒酸铵吸热分解；在300～400℃之间，偏钒酸铵分解过程中的中间产物生成V2O5的过程放热。这样为试验中确定烧结温度时提供了理论依据。在本发明优选的实施方式中，坯料在1100℃保温3h。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例中，高炉渣为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2五元炉渣，各成分含量为：CaO27.19％，SiO2 24.01％，MgO 7.47％，Al2O3 13.49％，TiO2 23.16％。
实施例中，透水系数的测定方法为：利用透水系数测定装置测定其透水系数。将试样周围用橡皮泥封住，放入测试装置中，使水能正好从上表面流下，向装置上方加水，使其能够稳定在确定的值，保证上表面到水面的距离为8cm，在一分钟内测其透过的水量，测量试样的上表面面积，与式样厚，根据透水系数计算公式进行透水系数的计算。
抗折强度的测定方法为：利用万能测试机测量抗折强度，将烧结好的试样放入水中浸泡24h，将其取出时随即进行抗折测试，将试样放在万能测试机的两支撑点上，支撑点间距为30mm，均匀加压使其折断，保存测试数据，记录下测试所得的抗折强度数值。
光催化降解率的测定方法为：采用亚甲基蓝为目标降解物，取650mL 10mg/L的亚甲基蓝溶液于光催化反应器，再将制作好的圆饼状试样放入反应器中，暗反应15min，使混合液达到吸附－解吸平衡，打开紫外光灯，再使混合液在功率500W的紫外光灯下进行光催化反应，每隔15min取样一次，使用移液管每次移取10mL亚甲基蓝待测液于离心管中，并在离心机中以8000r/min转速离心4min。用紫外可见光光度计测定亚甲基蓝溶液在波长664nm的吸光度值，并计算出亚甲基蓝溶液的降解效率。
实施例1
1.首先将取得的高炉渣用标准筛按粒度筛选，分成20～40、40～60、60～80以及80～100目的高炉渣。
2.称取37.5g 20～40目高炉渣放入研钵中，再称取5g高岭土与7.5g钾长石放入研钵中，再称取3.888g偏钒酸铵混合均匀，待各种成分均匀后加入辅助粘结剂甲基纤维素，继续混合，均与后放入样品袋中，放置24h。将放置一天的样品取出放入压制模具中以5MPa的压力保持30秒钟，然后干燥一小时，在高温电阻炉中以1100℃下保温3h。
3.烧结完成后，待试样冷却至室温进行透水性、尺寸偏差、抗折强度与光催化性能的测试。本实验采用透水路面砖的国家标准中相关要求进行测试。测量尺寸偏差，测量矩形透水砖的长宽度与厚度的实际尺寸，分别测量顶面离角部10mm处平行面测量2个长度实际尺寸值、2个宽度实际尺寸值和4个厚度实际尺寸值，其尺寸偏差小于2mm。测透水系数、抗折强度和光催化降解性能，其结果见表1。
实施例2
1.首先将取得的高炉渣用标准筛按粒度筛选，分成20～40、40～60、60～80以及80～100目的高炉渣。
2.称取37.5g 40～60目高炉渣放入研钵中，再称取5g高岭土与7.5g钾长石放入研钵中，再称取3.888g偏钒酸铵混合均匀，待各种成分均匀后加入辅助粘结剂甲基纤维素，继续混合，均与后放入样品袋中，放置24h。将放置一天的样品取出放入压制模具中以5MPa的压力保持30秒钟，然后干燥一小时，在高温电阻炉中以1100℃下保温3h。
3.烧结完成后，待试样冷却至室温进行透水性、尺寸偏差、抗折强度与光催化性能的测试。本实验采用透水路面砖的国家标准中相关要求进行测试。测量尺寸偏差，测量矩形透水砖的长宽度与厚度的实际尺寸，分别测量顶面离角部10mm处平行面测量2个长度实际尺寸值、2个宽度实际尺寸值和4个厚度实际尺寸值，其尺寸偏差小于2mm。测透水系数、抗折强度和光催化降解性能，其结果见表1。
实施例3
1.首先将取得的高炉渣用标准筛按粒度筛选，分成20～40、40～60、60～80以及80～100目的高炉渣。
2.称取37.5g 60～80目高炉渣放入研钵中，再称取5g高岭土与7.5g钾长石放入研钵中，再称取3.888g偏钒酸铵混合均匀，待各种成分均匀后加入辅助粘结剂甲基纤维素，继续混合，均与后放入样品袋中，放置24h。将放置一天的样品取出放入压制模具中以5MPa的压力保持30秒钟，然后干燥一小时，在高温电阻炉中以1100℃下保温3h。
3.烧结完成后，待试样冷却至室温进行透水性、尺寸偏差、抗折强度与光催化性能的测试。本实验采用透水路面砖的国家标准中相关要求进行测试。测量尺寸偏差，测量矩形透水砖的长宽度与厚度的实际尺寸，分别测量顶面离角部10mm处平行面测量2个长度实际尺寸值、2个宽度实际尺寸值和4个厚度实际尺寸值，其尺寸偏差小于2mm。测透水系数，利用透水系数测定装置测定其透水系数为0.13cm/s。测透水系数、抗折强度和光催化降解性能，其结果见表1。
对比例1
在骨料中只加入20～40目高炉渣和高岭土，再称取3.888g偏钒酸铵混合均匀，待各种成分均匀后加入辅助粘结剂甲基纤维素，继续混合，高炉渣：高岭土：钾长石的比例为90:10:0，成型压力为5MPa，烧结温度为1100℃，保温时间为3h。
测透水系数、抗折强度和光催化降解性能，其结果见表1。
此时颗粒之间结合程度较差，会出现颗粒脱落的情况，导致试样的透水性较好，抗折强度较差。可知当高岭土与钾长石与高炉渣的含量一定时，钾长石的含量越多，其透水系数越小，抗折强度越大，钾长石含量越少时，其透水系数越大，抗折强度越小。
对比例2
选用20～40目高炉渣，称取37.5g高炉渣放入研钵中，再称取5g高岭土与7.5g钾长石混合后加入辅助粘结剂甲基纤维素然后均匀混合，当成型压力为5MPa，烧结温度为1100℃，保温时间为3h。烧结成的样品进行透水性与抗折强度的初步测试，其结果见表1。可见，该样品的抗折强度为10MPa，透水系数为0.0655cm/s，透水系数较小，不能达到产品要求。未掺杂偏钒酸铵的透水砖的光催化降解率为51.7％。由于烧结温度变化范围较小，所以光催化性能在温度升高时减小较缓慢。
表1
可见，采用本发明方法，得到的透水砖性能较好，透水性能达到透水材料的透水系数规定的A级，抗折强度能达到规定的等级Rf4.5，且光催化性能好。
Claims (7)
1.利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、混料：将高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵混匀，加入粘结剂混匀，密闭放置20～30h，得到混合料；
b、制坯：混合料压制，干燥，得到坯料；
c、烧结：坯料在1000～1300℃保温2～5h，得到光催化透水砖。
2.根据权利要求1所述的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，其特征在于：a步骤中，高炉渣的粒度为20～100目；优选高炉渣的粒度为20～40目。
3.根据权利要求1所述的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，其特征在于：a步骤中，高炉渣为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2五元炉渣，TiO2含量为20～30％；优选TiO2含量为23％。
4.根据权利要求1所述的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，其特征在于：a步骤中，高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵的重量比为70～80∶8～13∶12～18：6～10；优选高炉渣、高岭土、钾长石和偏钒酸铵的重量比为75∶10∶15：8。
5.根据权利要求1所述的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，其特征在于：a步骤中，所述粘结剂为甲基纤维素，淀粉或羧甲基纤维素。
6.根据权利要求1所述的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，其特征在于：b步骤中，压制的压力为4～8MPa，时间为20～60s。
7.根据权利要求1所述的利用高钛型高炉渣掺钒制备光催化透水砖的方法，其特征在于：c步骤中，坯料在1100℃保温3h。
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