利用城市污泥烧制页岩陶粒资料下载.pdf
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河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009A430013);
河南理工大学青年基金(Q2008228)收稿日期:
2009-07-23;
修订日期:
2009-10-19作者简介:
杨雷(1978),男,博士,讲师,主要从事固体废弃物资源化利用和节能环保材料的研究工作。
E2mail:
yl_陶粒是一种质轻且有一定强度的集料,主要是采用高温烧成的。
高温时由于粘土矿物熔化形成具有塑性又有一定粘性的玻璃化矿物,同时陶粒中一些组分会产生一定的气体,这部分气体如能包含在陶粒之中,就能产生比较大膨胀,温度降低后陶粒外部形成一层薄的致密的釉化硬壳,因此陶粒是一种质轻又具有较高强度的球形颗粒。
页岩陶粒虽然采用页岩不占用耕地,甚至页岩开采后还可以进行复耕,但页岩陶粒生产工艺比粘土陶粒和粉煤灰陶粒复杂,页岩需要进行开采然后粉磨,烧胀温度要高出粘土陶粒200甚至更高,因此页岩陶粒生产成本最高,但页岩矿物组分合适的情况下可获得堆积密度在800kg/m3左右的陶粒1。
城市污泥的处理是当前全世界面临的一个严重和迫切的问题,污泥对环境的危害主要包括使水源水质恶化、污染土壤和农作物等,其中重金属是造成污染的一大原因,传统的技术方法是对污泥进行填埋和焚烧,这都会对环境造成二次污染25。
页岩陶粒由于烧成温度高,烧胀系数低而影响了其在建筑中的使用。
污泥中含有50%左右的有机质,可以提供陶粒烧胀所需的碳质材料,还能提供烧成过程中一部分热量,能有效降低页岩陶粒的烧胀温度68,同时页岩陶粒对污泥中的重金属具有固化作用9,10。
因此,利用污泥作部分原料制备页岩陶粒具有极广阔的应用前景。
1实验原材料及测试方法111实验原材料实验所用污泥取自焦作市污水处理厂,将污泥置于1055恒温烘箱中烘干,自然冷却后取出,粉碎筛分后待用,污泥粉碎后平均粒径为180m,容重为1114kg/m3,污泥中重金属元素含量(单位:
mg/kg干污泥)分别为:
Hg0107,Cd216,Cu227,Pb152,Cr122,Zn854,As618。
页岩粉取自湖北宜昌宝珠公司,页岩粉塑性指数为130,含水率7%,平均粒径为144m。
干燥污泥与页岩粉的主要成分对比见表1。
1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/环境工程学报第4卷表1污泥与页岩粉的主要成分Table1Compositionofsludgeandshale(%)项目烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO其他干燥污泥45.8029.38.880.284.580.8810.28页岩粉1.8455.6015.769.170.642.7514.24112污泥页岩陶粒制备及性能测试将污泥与页岩粉按不同配比,将其充分混合搅拌均匀,制成直径为10mm的小球,将制备好的料球在干燥箱中干燥2h后,将其取出,然后经过预热,焙烧,冷却得到陶粒。
干污泥与页岩粉的质量比分别为11、12、13和14。
烧成制度:
预热温度500,预热时间15min,烧成温度1150,焙烧时间15min。
陶粒的烧胀系数、吸水率的测定参照轻骨料试验方法(GB284221981)。
为验证产品的环境安全性,按照GB5086.221997规定的水平振荡法对陶粒产品进行重金属溶出实验,重金属含量分析采用PRODIGY型ICP2AEs。
2实验结果与分析211污泥掺量对陶粒烧胀系数的影响污泥中含有大量的有机质能提供页岩陶粒烧胀所需的碳质材料,还能提供烧成过程中一部分热量,使陶粒膨胀。
污泥不同掺量对陶粒烧胀系数的影响如图1所示。
图1污泥不同掺量对陶粒烧胀系数的影响Fig.1Effectofdifferentamountsofsludgeonburningexpansioncoefficientofceramsite由图1可知,随着污泥掺入比例逐渐减小,陶粒的烧胀系数逐渐降低,当污泥与页岩质量比为14时,烧胀系数最小为1172,这是由于污泥中含有40%以上的有机质,这部分有机质提供了陶粒烧胀所需的部分碳质材料,使烧制时陶粒内部有足够的CO2气体使之膨胀。
因此,随着污泥掺入量的减少,陶粒样品的烧胀系数逐渐降低。
212污泥掺量对陶粒吸水率的影响吸水率是影响陶粒使用时性能好坏的一个重要参数11,污泥不同掺量对陶粒吸水率影响很大,实验结果如图2所示。
图2污泥不同掺量对陶粒吸水率的影响Fig.2Effectofdifferentamountsofsludgeonwaterabsorbencyofceramsite由图2可知,随着污泥掺量的减少,陶粒的吸水率呈先增加后减小趋势,当干污泥与页岩粉质量比为13时,吸水率达到最大,达4318%,而干污泥与页岩粉的质量比为14的吸水率与干污泥与页岩粉质量比为11时的吸水率相近。
由于污泥中含有高达40%以上的有机成分,为陶粒的烧胀提供大量的碳质组分。
因此在烧制过程中,大量有机物的溢出,导致烧结体内部产生更多孔隙,孔连通程度提高,甚至有可能使产品开裂,因而陶粒的孔隙率增加,吸水率也随着增加。
所以当污泥含量过低的时候,陶粒的吸水率自然会大幅下降。
213烧成温度对陶粒性能的影响烧成温度对污泥页岩陶粒有很大影响,以配比为干污泥页岩粉煤灰=14011的陶粒为研究对象,研究不同烧成温度对陶粒容重、烧胀系数和吸水率的影响,结果如图3图5所示。
图3不同烧成温度对陶粒容重的影响Fig.3Effectofdifferentfiringtemperaturesondensityofceramsite如图35所示,随着烧成温度由1000增加到1150,陶粒的容重逐渐增加,烧胀系数逐渐增加,而吸水率逐渐降低。
这是由于随着温度的升高,烧结体的内部产生更多的熔融液相,导致烧结体收87111994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/第5期杨雷等:
利用城市污泥烧制页岩陶粒缩致密化,因而陶粒出现这种情况。
当烧成温度升到1200时,烧胀系数降低,陶粒的吸水率陡然增加。
这是由于污泥中的有机物含量较高,当烧结温度过高,烧结过程中有机物大量溢出,导致了烧结体内部产生较大孔隙,孔连通程度提高,甚至使得产品开裂,因此陶粒的容重仍然增加,烧胀系数下降,吸水率突然增加。
214焙烧时间对陶粒性能的影响以配比为干污泥页岩粉煤灰=14011的陶粒为对象,在烧成温度为1150条件下,研究4种不同的焙烧时间10、15、20和25min对陶粒性能的影响,其结果如图6图8所示。
图6焙烧时间对陶粒容重的影响Fig.6Effectoffiringtimeondensityofceramsite由图6图8可知,随着焙烧时间的增加,陶粒的容重逐渐减小,当焙烧时间控制在1520min时,烧制出的陶粒吸水率低,烧胀系数好,而且容重小于700级。
因此,在本实验条件下,对于掺入一定量污泥的页岩陶粒,合适的焙烧时间为15min。
215陶粒的重金属毒性浸出值在实验室条件下,采用配比方案为干污泥页岩煤灰=14011的陶粒,对陶粒中重金属毒性浸出值进行测定,浸出值(单位:
mg/L)如下:
Hg01003,Cd0102,Cu0119,Pb0113,Cr0107,Zn0131,As0103。
从检测可以看出,烧制的污泥页岩陶粒的重金属毒性浸出值低于国家标准,表明污泥页岩陶粒对重金属的固化性能优良,陶粒的烧成温度通常要超过1000,粘土矿物全部熔融,熔融体封闭了料球表面,污泥经过高温焙烧后,其中的重金属与页岩中的矿物在高温形成的硅酸盐相融合,形成铝硅酸盐等矿物的固溶体,从而非常容易固定在铝硅酸盐的网格中。
陶粒颗粒在高温烧制过程中表面呈熔融状态,冷却后表面又为致密的釉化状态,这均有利避免于陶粒烧制过程中有害物质分解和使用过程中的污染。
2.6污泥页岩陶粒与纯页岩陶粒的性能比较用烧制的污泥页岩陶粒与纯页岩陶粒作比较。
污泥页岩陶粒配比为:
污泥页岩煤灰=14011。
97111994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/环境工程学报第4卷烧成制度为:
预热温度500,预热时间15min,烧成温度1150,烧成时间15min。
纯页岩陶粒采用湖北宜昌宝珠陶粒有限责任公司生产的。
表2所示为污泥页岩陶粒与该纯页岩陶粒主要性能比较。
图9和图10所示为两者的外观照片对比。
表2污泥页岩陶粒与纯页岩陶粒性能比较Table2Comparisonbetweensludgshaleceramsiteandpureshaleceramsite陶粒种类容重(kg/m3)1h吸水率(%)烧胀系数粒径(
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