基于污泥制備特種陶瓷材料的可行性分析

劉 旭，劉運坤，丁 園

(南昌航空大學環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌330063)

0 前言

據(jù)《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)顯示，2011年全國污泥產(chǎn)量近1 400萬t，且這個數(shù)據(jù)還將逐年增加。如何妥善處置這些數(shù)量日益龐大、高度集中的有機固體廢棄物，一直是全社會關(guān)注的問題。污泥中含有與粘土類似的硅酸鹽成分，在一定條件下可替代部分粘土生產(chǎn)燒結(jié)磚和陶粒等建筑材料，這無疑為污泥找到了一個新的出路［1～3］。但由于燒結(jié)溫度高(一般超過1 000℃)［4，5］，屬高能耗生產(chǎn)，與節(jié)能減排的大趨勢是格格不入的。

特種陶瓷(化學鍵合陶瓷)材料一般由膠凝材料、填充材料和激發(fā)劑等經(jīng)過活化、復(fù)合和強化等過程制備而成，其衍生制品還能涵蓋大量的建筑材料，因此在國民經(jīng)濟領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［6］。大量的研究結(jié)果表明［6～9］，上述3個組成要素都可以從不同性質(zhì)的固體廢棄物(如粉煤灰、礦渣、赤泥等)中獲得，且復(fù)合過程一般在低于200℃的條件下完成。但利用污泥作為膠凝材料制備特種陶瓷的研究卻鮮見報道。論文以南昌市某污水處理廠污泥為對象，探討其作為特種陶瓷材料的可行性。在此基礎(chǔ)上，分析城市污泥作為特種陶瓷制備的膠凝材料的活化條件。這對改善我國城市生態(tài)環(huán)境，完成“十二五”的節(jié)能減排目標有重要作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試污泥取自南昌地區(qū)某污水處理廠的脫水污泥傳送帶上的當日新鮮樣，每5 min采集1次、多次混合，污泥混合后，在陰涼處自然風干后，磨細，過100目尼龍篩，貯存?zhèn)溆?。水泥材料為南方水泥生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥。材料的成分見表1。

表1 供試材料的成分/%

1.2 儀器設(shè)備

顎式破碎機、各種型號標準檢驗篩、天平、電熱板、電熱鼓風干燥箱、箱式電阻爐、水泥膠砂攪拌機、塑料模具、濕熱養(yǎng)護箱、抗壓、抗折試驗機、原子吸收分光光度儀。

1.3 污泥活化條件

污泥的活化溫度:600℃、700℃、800℃和900℃?；罨瘯r間30 min。

1.4 測定項目與評價方法

重金屬測定:參考TCLP毒性浸出實驗方法(美國EPASW-846)測定原始污泥的重金屬Cu、Zn、Pb、Cd離子含量［10］。

抗壓強度:按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T17671-1997)測定實驗材料的抗壓強度。

活化系數(shù):將高溫處理后的污泥粉磨后與42.5普通硅酸鹽水泥混合(1∶1)，并以水泥為對照，計算活化系數(shù)(活化系數(shù)=混合樣品的抗壓強度/水泥的抗壓強度)［11］?；罨禂?shù)越大，說明污泥的活性越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥制備特種陶瓷的可行性

如前所述，特種陶瓷由膠凝材料、激發(fā)劑和填充材料制備而成。由表1可知，供試污泥中SiO2和Al2O3的含量分別達到40.9%和14.7%，高于42.5級普遍水泥的含量，具備膠凝材料的特點。研究表明，大多數(shù)含有SiO2和Al2O3的高嶺土材料應(yīng)首先在高溫下脫水活化轉(zhuǎn)化成偏高嶺土才能表現(xiàn)出良好的膠凝性［7］。

另一方面，2種或2種以上膠凝材料復(fù)合，比單一材料效果好［7，12～14］。如陸占清［7］通過實驗發(fā)現(xiàn)，在膠凝材料中摻入20%粉煤灰時，能產(chǎn)生明顯的減水效果，增加膠凝材料的塑性，改善成型性。

激發(fā)劑由堿及堿土金屬的硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽、胺鹽組合而成。大量文獻資料表明，電石渣、硅渣、窯灰、磷石膏、氟石膏等混合可用作堿性激發(fā)劑［6，13］。在激發(fā)材料組成一定的情況下，材料的性能與激發(fā)劑的用量密切相關(guān)。

膠凝材料中適當加入骨料可以增強材料的作用效果。常用的骨料有礦渣、磷渣、石英砂等。骨料在起支撐作用的同時，參與膠凝材料的水化作用［14］。

污泥制備特種陶瓷材料的工藝與其它膠凝廢料的制備工藝類似(圖1)。方案的可行性主要受到污泥活性的影響以及活化后重金屬浸出量的限制，即提高污泥的膠凝性能。固化其中重金屬是污泥制備特種陶瓷的關(guān)鍵。

圖1 污泥制備特種陶瓷工藝

2.2 污泥活化條件的確定

分別在600℃、700℃、800℃和900℃的溫度下煅燒污泥30 min，比較污泥的活化系數(shù)(圖2)。

圖2 溫度對污泥活化系數(shù)的影響

由圖2可知，隨著養(yǎng)護時間延長，污泥的活化系數(shù)越大，活化效果越好。溫度對污泥的活化效果表現(xiàn)出先升后降的趨勢。當溫度升高到900℃時，由于發(fā)生燒結(jié)而影響了材料的活化性能。在600～800℃煅燒后，污泥Si、Al以偏高嶺土的形式存在，即硅以四面體、鋁以八面體的結(jié)構(gòu)連接，且原子排列不規(guī)則，呈熱力學介穩(wěn)狀態(tài)，使體系的反應(yīng)活性增強。因此活化效果隨著溫度的增加而加強。在700℃和800℃時，污泥的活化系數(shù)差異不大，從節(jié)能角度出發(fā)，選擇活化溫度為700℃。

2.3 污泥重金屬的浸出毒性

采用TCLP浸出法測定原始脫水污泥和700℃活化后污泥中重金屬含量如表2所示。

表2 高溫活化前后污泥中重金屬離子浸出毒性/mg·L－1

由于供試脫水污泥的污水來源有生活污水和部分工業(yè)污水［15］，因此原始污泥中重金屬離子Zn、Pb和Cd的最大浸出量均超過了固體廢物浸出標準，Cu的最大浸出量也接近固體廢物的浸出標準，說明污泥建材利用存在重金屬浸出風險。由表3可知，活化后污泥中重金屬的TCLP浸出量顯著降低，低于固體廢物的浸出標準。這主要是由于活化后污泥的膠凝性能提升，與水泥發(fā)生固化作用。

3 結(jié)論

污泥中含有大量的SiO2和Al2O3，經(jīng)700℃高溫活化后，具備了制備低溫陶瓷材料的凝膠特性?；罨笪勰嘀兄亟饘賈n、Cu、Pb和Cd得到有效固化，其TCLP浸出量低于固體廢物浸出標準。

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