CN117800633A - 一种基于赤泥的低碳掺合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料领域，公开了一种基于赤泥的低碳掺合料及其制备方法。所述低碳掺合料包括以下重量份的原料：赤泥100份、磷酸氢钠铵5～10份、改性植物纤维粉末20～30份、水20～40份。制备方法包括：将赤泥、磷酸氢钠铵、改性植物纤维粉末、水混合，进行湿法球磨后煅烧，冷却至室温后，再次粉磨即得赤泥掺合料。本发明利用赤泥作为原料，制备的低碳掺合料具有抗压强度高、活性指数高的优点，并且有效解决了赤泥的污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料循环再利用领域，特别是一种基于赤泥的低碳掺合料及其制备方法。
背景技术
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，因含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，故被称为赤泥。因矿石品位、生产方法和技术水平的不同，大约每生产1吨氧化铝要排放1.0～1.8吨赤泥。
由于赤泥结合的化学碱难以脱除且含量大，又含有氟、铝及其他多种杂质，对于赤泥的无害化利用一直以来难以进行。赤泥中含有大量的强碱性化学物质，稀释10倍后其pH值仍为11.25～11.50（原土为12以上），极高的pH值决定了赤泥对生物和金属、硅质材料的强烈腐蚀性，但赤泥中还含有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等成分和亚黏土特性，可以将其用于水泥、砖、陶瓷、混凝土、路面材料、微量玻璃及塑料等。大量研究及实践表明，赤泥可用于生产多种型号的水泥。
相对于赤泥巨大的排放量，有限的利用率仍然不能减缓赤泥给社会、环境带来的沉重负担。尤其是在双碳政策的背景下，赤泥低碳化利用迫在眉睫，所以更加全面深入研究赤泥的特性，如何研制工业废渣类新型材料，充分有效的回收利用赤泥已经成为现阶段迫在眉睫的任务。
发明内容
针对现有技术问题和不足，本发明提供了一种基于赤泥的低碳掺合料及其制备方法。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于赤泥的低碳掺合料，包括以下原料：赤泥、磷酸氢钠铵、改性植物纤维粉末、水。
优选地，所述原料按质量份计为：赤泥100份、磷酸氢钠铵5～10份、改性植物纤维粉末20～30份、水20～40份。
优选地，所述改性植物纤维粉末，包括以下重量份的原料：植物纤维20～30份、LIP菌0.1～0.5份、磷酸1～2份、磷酸氢钠铵3～5份、铁锰氧化物0.5～1份、水5～10份、生石灰粉10～15份。
更优选地，所述植物纤维为多肉植物纤维。
更优选地，所述LIP菌为黄孢原毛平革菌、彩绒革盖菌、变色栓菌、烟管菌、射脉菌、凤尾菇和朱红密孔菌中的一种或几种。
第二方面，本发明提供了一种基于赤泥的低碳掺合料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将植物纤维、LIP菌、磷酸、磷酸氢钠铵、铁锰氧化物和水混合研磨成匀浆后，进行水热反应，然后加入生石灰粉混合烘干、研磨，即制得改性植物纤维粉末；
（2）将赤泥、磷酸氢钠铵、改性植物纤维粉末、水混合，进行湿法球磨；
（3）将步骤（2）得到的混合物煅烧，冷却至室温后，再次粉磨即得赤泥掺合料。
进一步地，步骤（1）中所述水热反应温度为25～40℃，时长为24～48h。
进一步地，步骤（2）中所述湿法球磨温度为78～80℃，时长为6～8h。
进一步地，步骤（3）中所述煅烧温度为200～300℃。
进一步地，步骤（3）中所述赤泥掺合料比表面积为400～600m2/kg。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1. 本发明对植物纤维进行改性处理：通过LIP菌、磷酸、磷酸氢钠铵对植物纤维中的木质素进行溶解，消除木质素的不利影响；利用铁锰氧化物催化植物纤维中的有机酸、生物多糖进行结构异化，降低其缓凝作用；在一定温度下水热反应，加快上述物质反应；加入生石灰，促使植物纤维失水，锁住蛋白活性物质，杀死菌群。
2. 本发明借助于改性植物纤维的助磨作用，依靠磷酸氢钠铵的熔融作用将赤泥中的铝、镁等金属氧化物进行溶解反应生成磷酸盐，破坏赤泥多种氧化物形成的混合结构体；依靠改性植物纤维本身的增粘、润滑、助磨以及对生成的硅酸盐的附着和粘附作用，降低硅酸盐生成物的迁移速度，避免生成的活性物质团聚失活；通过200～300℃煅烧，清除改性赤泥中的有机碳、糖类、蛋白质等有机物组分，提升赤泥的最终活性。
3. 本发明选取工业固体废弃物赤泥作为原料，有效利用其中的SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等成分和亚黏土特性，结合生物材料改性植物纤维粉末制备的一种基于赤泥的低碳掺合料，具有抗压强度高、活性指数高的优点，不仅有效解决了赤泥的污染问题，达到了节能环保的目的，而且使废弃物再利用，创造了经济效益。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下通过实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于赤泥的低碳掺合料，所述基于赤泥的低碳掺合料的原料按质量份计为：赤泥100份、磷酸氢钠铵5份、改性虎皮兰叶植物纤维粉末20份、水40份。
上述基于赤泥的低碳掺合料制备方法包括如下步骤：
（1）将20份虎皮兰叶植物纤维微粉、0.5份黄孢原毛平革菌、1份磷酸、3份磷酸氢钠铵、1份铁锰氧化物和5份水混合，研磨成匀浆后，在40℃条件下，水热反应24h，然后加入15份生石灰粉，混合烘干、研磨，即制得改性虎皮兰叶植物纤维粉末。
（2）将赤泥、磷酸氢钠铵、改性虎皮兰叶植物纤维粉末和水混合，在78℃条件下，进行湿法球磨8h。
（3）取出步骤（2）粉磨得到的混合物，在200℃条件下，进一步煅烧，冷却至室温后，再次粉磨至比表面积为600m2/kg，即得赤泥掺合料。
实施例2
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于改性植物纤维为芦荟叶植物纤维。
实施例3
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于改性植物纤维为虎皮兰叶植物纤维、芦荟叶植物纤维按质量比1:1混合。
按GB/T 18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》附录A的规定，对实施例1～3进行赤泥掺合料活性检测，活性指数是指采用掺合料替代30%水泥制备的胶砂养护至相应龄期的抗压强度，与未砽掺合料替代的水泥制备的胶砂养护至相应龄期的抗压强度的比值，比值越高表明掺合料的活性越高，性能越好。检测结果如表1所示。
从表1中可以看出，实施例1～3的活性指数均较高，其中实施例1采用虎皮兰叶植物纤维更优。
实施例4
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤（1）中加入磷酸1.5份、磷酸氢钠铵4份。
实施例5
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤（1）中加入磷酸2份、磷酸氢钠铵5份。
对比例1
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤（1）中未加入磷酸、磷酸氢钠铵。
对比例2
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤（1）中未加入磷酸氢钠铵。
对比例3
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤（1）中未加入磷酸。
对比例4
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例1基本相同，其不同之处在于步骤（1）中加入磷酸4份、磷酸氢钠铵6份。
按GB/T 18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》附录A的规定，对实施例4～5、对比例1～4进行赤泥掺合料活性检测。检测结果如表2所示。
从表2中可以看出，实施例1、4～5的活性指数均较高，其中实施例4的磷酸、磷酸氢钠铵用量更优。而对比例1～4活性指数均低于实施例，其中对比例1～3在植物纤维的改性时，未加入磷酸、磷酸氢钠或只加入磷酸、磷酸氢钠铵中的一种，导致木质素分解较少，影响活性；而对比例4加入过量磷酸、磷酸氢钠铵，导致胶砂缓凝严重，胶砂力学性能下降，活性下降。综上所述，适量的磷酸、磷酸氢钠铵协同使用可以显著提高掺合料活性指数。
实施例6
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例4基本相同，其不同之处在于步骤（1）中加入铁锰氧化物0.5份。
实施例7
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例4基本相同，其不同之处在于步骤（1）中加入铁锰氧化物0.8份。
对比例5
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例4基本相同，其不同之处在于步骤（1）中未加入铁锰氧化物。
按GB/T 18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》附录A的规定，对实施例6～7、对比例5进行赤泥掺合料活性检测。检测结果如表3所示。
从表3中可以看出，实施例4、6～7的活性指数均较高，其中实施例7的磷铁锰氧化物用量更优。而对比例5活性指数均低于实施例，说明加入铁锰氧化物能够很好的催化植物纤维中木质素溶解，降低木质素的不利影响，促进掺合料活性的激发。
实施例8
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例7基本相同，其不同之处在于步骤（2）中加入磷酸氢钠铵8份。
实施例9
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例7基本相同，其不同之处在于步骤（2）中加入磷酸氢钠铵10份。
对比例6
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例7基本相同，其不同之处在于步骤（2）中未加入磷酸氢钠铵。
对比例7
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例7基本相同，其不同之处在于步骤（2）中加入磷酸氢钠铵15份。
按GB/T 18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》附录A的规定，对实施例8～9、对比例6～7进行赤泥掺合料活性检测。检测结果如表4所示。
从表4中可以看出，实施例7～9的活性指数均较高，其中实施例8的磷酸氢钠铵用量更优。而对比例6～7活性指数均低于实施例，其中对比例6未加入磷酸氢钠，导致对赤泥中金属氧化物溶解不足，活性物质生成有限；对比例7加入过量磷酸氢钠，导致其缓凝的影响逐渐显现，掺合料活性下降。
对比例8
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例8基本相同，其不同之处在于步骤（1）中水热反应的温度为60℃。
对比例9
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例8基本相同，其不同之处在于步骤（1）中水热反应的时长为12h。
按GB/T 18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》附录A的规定，对对比例8～9进行赤泥掺合料活性检测。检测结果如表5所示。
从表5中可以看出，对比例8～9活性指数均低于实施例8，其中对比例8在植物纤维改性的过程中升高水热反应温度，导致LIP细菌失活无法形成酶，无法实现对木质素进行完全的分解；对比例9在植物纤维改性的过程中缩短水热反应时长，使木质素溶解反应不完全，多糖异构化效果差。综上所述，植物纤维改性是多种物质与条件协同作用，能够在赤泥粉磨过程中，作用于赤泥的化学成分，改善其粉磨效果，提高其粉磨后活性。
对比例10
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例8基本相同，其不同之处在于步骤（2）中湿法球磨的温度为60℃。
对比例11
一种基于赤泥的低碳掺合料，其组成与制备方法与实施例8基本相同，其不同之处在于步骤（2）中湿法球磨的温度为90℃。
按GB/T 18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》附录A的规定，对对比例10～11进行赤泥掺合料活性检测。检测结果如表6所示。
从表6中可以看出，对比例10～11活性指数均低于实施例8，其中对比例10在赤泥粉磨过程中降低湿法球磨温度，导致磷酸氢钠氨无法实现与金属氧化物的有效反应，活性物质生成有限；对比例11在赤泥粉磨过程中升高湿法球磨温度，导致磷酸氢钠氨自身反应以及与氧化物之间的反应过快，造成与赤泥中氧化物颗粒产生粘附和过度反应，活性下降。
综上所述，通过利用改性植物纤维和其他组分与反应条件的协同作用，将赤泥应用于掺合料中具有充分的可行性，不仅能够减少赤泥的污染且利用赤泥开发了一种基于赤泥的低碳掺合料，取得良好的经济、社会、环境效益。
上述对本发明进行了优选的实施例描述，但应该理解发明并非局限于本文所披露内容限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的非实质改进，或将本发明的方法构思和技术方案应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于赤泥的低碳掺合料，其特征在于，所述低碳掺合料包括以下重量份的原料：赤泥100份、磷酸氢钠铵5～10份、改性植物纤维粉末20～30份、水20～40份。
2.如权利要求1所述的基于赤泥的低碳掺合料，其特征在于，所述改性植物纤维粉末由以下重量份的原料制成：植物纤维20～30份、LIP菌0.1～0.5份、磷酸1～2份、磷酸氢钠铵3～5份、铁锰氧化物0.5～1份、水5～10份、生石灰粉10～15份。
3.如权利要求2所述的基于赤泥的低碳掺合料，其特征在于，所述植物纤维为多肉植物纤维。
4.如权利要求2所述的基于赤泥的低碳掺合料，其特征在于，所述LIP菌为黄孢原毛平革菌、彩绒革盖菌、变色栓菌、烟管菌、射脉菌、凤尾菇和朱红密孔菌中的一种或几种。
5.如权利要求1-4任一所述的基于赤泥的低碳掺合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将植物纤维、LIP菌、磷酸、磷酸氢钠铵、铁锰氧化物和水混合研磨成匀浆后，进行水热反应，然后加入生石灰粉混合烘干、研磨，即制得改性植物纤维粉末；
（2）将赤泥、磷酸氢钠铵、改性植物纤维粉末、水混合，进行湿法球磨；
（3）将步骤（2）得到的混合物煅烧，冷却至室温后，再次粉磨即得赤泥掺合料。
6.如权利要求5所述的基于赤泥的低碳掺合料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述水热反应温度为25～40℃，时长为24～48h。
7.如权利要求5所述的基于赤泥的低碳掺合料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述湿法球磨温度为78～80℃。
8.如权利要求5所述的基于赤泥的低碳掺合料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述煅烧温度为200～300℃。
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