二氧化硅含量對污泥底泥制備陶粒性能的影響研究

劉明偉，劉　芳

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司，北京 100120)

二氧化硅含量對污泥底泥制備陶粒性能的影響研究

劉明偉1，劉芳2

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司，北京 100120)

摘要：污水污泥處置是環(huán)境領(lǐng)域的一個難題，傳統(tǒng)工藝如土地填埋，堆肥等易造成二次污染。本文以污水污泥和河道底泥為原料制備輕質(zhì)陶粒，研究SiO2含量變化對陶粒的吸水率、松散容重、表觀密度、表面形態(tài)、物相構(gòu)成和強(qiáng)度的影響。通過研究表明在SiO2含量為35%時可制備出性能最佳的陶粒，SiO2是一個重要的調(diào)控陶粒性能的參數(shù)。

關(guān)鍵詞：污水污泥；河道底泥；陶粒；SiO2

現(xiàn)代污水處理工藝產(chǎn)生大量的污水污泥，其中一些有毒有害有機(jī)物、重金屬、細(xì)菌、病毒等污染物容易富集在污泥中，如果不能得到妥善的處置，會對環(huán)境造成較大危害[1～3]。傳統(tǒng)污泥處置工藝如土地填埋、堆肥、焚燒等工藝由于易造成二次污染、處理費(fèi)用高的弊端而受到了一定的限制[4～6]。

污泥資源化利用是當(dāng)前一個熱點(diǎn)研究方向[7，8]，本文中使用污水污泥與河道底泥這兩種污泥作為原材料制備輕質(zhì)陶粒。SiO2是河道底泥和污水污泥中含量最高的化學(xué)組分，因此本文主要討論在陶粒燒制過程中SiO2含量對陶粒性能的影響。考察指標(biāo)包括SiO2含量變化對陶粒的密度、吸水率、鹽酸可溶率等物理性質(zhì)的影響，以及對陶粒的表面形態(tài)、物相構(gòu)成和強(qiáng)度的影響。

1原料與方法

1.1原料

污水污泥采用哈爾濱文昌污水處理廠的脫水污泥，河道底泥取自哈爾濱何家溝上游。污泥與底泥的成分分析見表1所示。

表1　污水污泥和河道底泥化學(xué)成分分析(%)

1.2試驗(yàn)方法

污水廠污泥與河道挖掘后底泥取回自然通風(fēng)晾干，用研磨機(jī)研磨成粉末狀(≤100 μm)，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，在105 ℃的干燥箱中烘干1-2 h 至恒重后放置在密封的聚乙烯塑料容器中保存。污水污泥和河道底泥按質(zhì)量比1∶1(干重比)的比例混合，水添加比例為泥：水=1.2∶1，攪拌均勻后擠壓成型成球形，晾干后放入馬弗爐中在在1 100 ℃的條件下燒制 30 min，制備所需陶粒[7]。

1.3分析儀器與方法

采用Philips PW 4400 XR(X-ray fluorescence-XRF)X射線熒光光譜儀(荷蘭PANalytical公司)，INSTRON 5569自動材料測試儀(美國INSTRON公司)，Quanta 200FEG掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)，D/max-γβ旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀(日本Rigaku公司)對污泥及陶粒的特性進(jìn)行分析。

2結(jié)果與討論

2.1SiO2含量對陶粒物理性質(zhì)的影響

調(diào)節(jié)SiO2或者其它組分的含量，使原料中SiO2含量分別為20%、22.5%、25%、27.5%、30%、35%、40%、45%、50%和55%，在溫度1 100 ℃，保溫時間30 min條件下燒制陶粒，測試不同SiO2含量時陶粒的物理性質(zhì)，結(jié)果如圖1所示。

圖1　原料中SiO2含量對陶粒物理性質(zhì)的影響

從圖1可以看出，隨SiO2含量的增加，陶粒樣品的松散容重和表觀密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，吸水率和鹽酸可溶率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)SiO2含量從20%增加到35%時，陶粒樣品的松散容重和表觀密度從552 kg/m3和1 160 kg/m3分別增加到868 kg/m3和1 890 kg/m3，吸水率和鹽酸可溶率從32.2%和6.37%分別降低到5.8%和0.52%。當(dāng)SiO2含量從35%增加到55%時，陶粒樣品的松散容重和表觀密度分別從868 kg/m3和1 890 kg/m3減少到668 kg/m3和1 444 kg/m3，吸水率和鹽酸可溶率分別從5.8%、0.52%增加到31%、7.45%。在SiO2含量為35%時，可以得到松散容重、表觀密度最高而吸水率、鹽酸可溶率最小的陶粒。

SiO2是構(gòu)成陶粒內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)硅酸鹽晶體的重要組分，在燒制過程中Si4+能與-O-形成穩(wěn)定的正四面體結(jié)構(gòu)。當(dāng)SiO2含量過低時，在燒結(jié)過程中原料不能提供充足的Si4+以形成足夠穩(wěn)定的硅酸鹽骨架，所以在此條件下燒制出來的陶粒體積收縮系數(shù)不明顯、易破碎，導(dǎo)致陶粒密度小、耐腐蝕性差、吸水率偏高。SiO2的熔點(diǎn)是1 725 ℃，SiO2含量過高時，會提升原料組分的低共熔點(diǎn)，需要更高的燒結(jié)溫度，增加能耗，不利于組分熔化形成液相。所以在1 100 ℃下燒制時，由于組分低共熔點(diǎn)的升高導(dǎo)致陶粒燒結(jié)不完全，體積無明顯收縮，造成陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散不穩(wěn)定，松散容重和顆粒表觀密度下降，吸水率和鹽酸可溶率升高。綜合以上分析，在選擇河道底泥和污水污泥為原料制取輕質(zhì)陶粒的過程中，原料中SiO2含量控制在25%-45%是比較理想的，此時吸水率較低，且鹽酸可溶率控制在2%以下，符合污水處理濾料的要求。

2.2SiO2含量對陶粒物理性質(zhì)的影響

取SiO2含量分別為22.5%、35%和50%的陶粒樣品作為測試目標(biāo)進(jìn)行SEM測試，考察SiO2含量變化對陶粒表面形態(tài)的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2可以看出，在SiO2含量為22.5%時，陶粒樣品表面比較致密，并有一些相互獨(dú)立的孔徑約為10-30 μm的微小孔隙，圖像放大后可觀察到一些狹長的裂隙，這會影響陶粒的吸水率和鹽酸可溶率。當(dāng)原料中SiO2所占比例減少時，MgO、Fe2O3等一些堿土氧化物含量增加，這些起助熔作用的物質(zhì)有利于降低原料的低共熔點(diǎn)，產(chǎn)生如Na2O-CaO-SiO2系統(tǒng)熔體，促進(jìn)液相生成并形成性質(zhì)穩(wěn)定的晶體。在陶粒的高溫?zé)七^程中，原料中的堿土氧化物在熔化形成液相的過程中并釋放出氣體，氣體包裹在液相內(nèi)形成氣泡。伴隨氣體的不斷產(chǎn)生，氣泡內(nèi)部的壓強(qiáng)不斷增加，到一定程度時使氣泡破裂，氣體會沖破液相的束縛，溢出體外，因此在陶粒表面形成具有一定孔徑的孔隙或裂隙，而內(nèi)部沒有破裂的氣泡隨液相冷卻后會在陶粒內(nèi)部形成蜂窩狀的圓孔。

圖2　SiO2含量為22.5%(A)、35%(B)和50%(C)的陶粒表面形態(tài)分析

當(dāng)SiO2含量為35%時，陶粒表面比較致密，孔隙孔徑比較均勻，出現(xiàn)微玻璃化現(xiàn)象，晶體顆粒發(fā)育較為完整。表面致密化程度高，有利于降低吸水率和鹽酸可溶率，增加陶粒的強(qiáng)度。

當(dāng)SiO2含量為50%時，表面出現(xiàn)比較大的碎渣，并有一些狹長型的縫隙，此時吸水率和鹽酸可溶率都偏高。SiO2含量過高時，會提升原料組分的低共熔點(diǎn)，不利于組分熔化形成液相和穩(wěn)定的硅酸鹽晶體系，因此需要更高的燒結(jié)溫度才能推動燒結(jié)的進(jìn)行。所以在1 100 ℃時陶粒會燒結(jié)不完全的現(xiàn)象，影響陶粒的性能。

2.3SiO2含量對陶粒物相組成的影響

陶粒的物相組成會直接影響陶粒的性能和用途，在陶粒的燒制過程中，由于原料成分含量不同，會導(dǎo)致陶粒中物相組成出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響陶粒產(chǎn)品的性能。本節(jié)中以原料中SiO2含量為22.5%、35%和50%時制備的陶粒樣品作為測試目標(biāo)進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)測試，考察SiO2含量對陶粒物相組成的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3　SiO2含量為22.5%、30%和50%的陶粒物相組成分析

由圖3可以看出，當(dāng)SiO2含量為22.5%、35%和50%時，陶粒中主要晶體為石英、鈉長石、鈣長石、藍(lán)晶石、赤鐵礦和頑輝石，以及少量硅線石晶體等。當(dāng)SiO2含量增加時，可以觀察到石英的衍射峰值會相應(yīng)的升高。陶粒中的晶體主要屬于硅酸鹽類晶體，在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，硅與氧之間的結(jié)合力起主要作用，結(jié)構(gòu)中每個Si4+都被4個O2-所包圍，構(gòu)成四面體，成為硅氧四面體[SiO4]，其中4個O2-分布于正四面體的頂點(diǎn)，而Si4+處于正四面體的中心，硅氧四面體[SiO4]是硅酸鹽晶體的基本結(jié)構(gòu)單元。硅酸鹽結(jié)構(gòu)具有如下幾個特點(diǎn)[10]：

(1)Si4+之間的連接通過O2-來實(shí)現(xiàn)，Si4+與O2-的結(jié)合比其它離子與O2-的結(jié)合要強(qiáng)得多。在不同硅酸鹽結(jié)構(gòu)中，硅氧四面體[SiO4]基本上保持不變，Si—O—Si鍵的夾角一般在145°左右。

(2)Si4+為4價，其配位數(shù)也為4，Si4+分配給每個與之配位的O2-的靜電鍵強(qiáng)度為1，O2-還有剩余的另一半電價可以與另外的離子配位。

(3)[SiO4]四面體可以有共用頂點(diǎn)，每個[SiO4]四面體可以通過共用頂點(diǎn)與另外的一個、兩個、三個或四個[SiO4]四面體相連，形成各種形式的硅氧負(fù)離子團(tuán)。

(4)[SiO4]四面體中心的Si4+可以與Al3+發(fā)生同晶取代現(xiàn)象，所以部分Si4+離子可以被Al3+替代，取代后晶體的性質(zhì)會發(fā)生一定的變化。

2.4SiO2含量對陶粒強(qiáng)度的影響

陶粒中骨架結(jié)構(gòu)主要由硅酸鹽類晶體構(gòu)成，SiO2含量變化會對陶粒的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。試驗(yàn)中選取的SiO2含量為22.5%、35%和50%的陶粒樣品作為測試目標(biāo)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，強(qiáng)度測試結(jié)果如圖4所示。

圖4　SiO2含量(22.5%、35%和50%)對陶粒強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，當(dāng)原料中SiO2含量由22.5%變?yōu)?5%時，陶粒的抗壓強(qiáng)度從11.5 MPa變?yōu)?4.2 MPa，當(dāng)SiO2含量為50%時，陶粒的抗壓強(qiáng)度又減小為11.4 MPa。從測試結(jié)果可知，隨SiO2含量從22.5%增加到35%時，陶粒的強(qiáng)度升高，結(jié)合圖2中陶粒的SEM分析可知，SiO2含量為22.5%時，堿性氧化物如Fe2O3、MgO等含量增加，降低了原料組分的低共熔點(diǎn)，有利于組分熔融形成液相并釋放更多的氣體。伴隨氣體的不斷產(chǎn)生，到一定程度時氣體會沖破液相的束縛，溢出體外，在陶粒表面形成具有一定孔徑的孔隙或不規(guī)則的裂隙增多，因此降低陶粒的強(qiáng)度。而SiO2含量為35%時，陶粒表面致密性增強(qiáng)，形成的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，陶粒的強(qiáng)度增大。當(dāng)SiO2含量為50%時，過多的SiO2提高了原料的共熔點(diǎn)，需要更高的燒結(jié)溫度才能推動燒結(jié)的進(jìn)行，因此在1 100 ℃時會出現(xiàn)陶粒燒結(jié)不完全的現(xiàn)象，使陶粒的性能降低。如圖2的SEM圖(C)中所觀察到的陶粒表面出現(xiàn)比較大的碎渣，表面松散，并有一些狹長型的孔隙，所以強(qiáng)度會降低。

3結(jié)論

在污泥陶粒的制備過程中，SiO2含量變化對陶粒性能影響顯著。在SiO2含量為35%時，可以得到松散容重、表觀密度最高而吸水率、鹽酸可溶率最小的陶粒；當(dāng)SiO2含量為35%時，陶粒表面比較致密，孔隙孔徑比較均勻，出現(xiàn)微玻璃化現(xiàn)象，晶體顆粒發(fā)育較為完整。表面致密化程度高，陶粒的強(qiáng)度最高。在陶粒生產(chǎn)制備過程中，SiO2含量變化是調(diào)控產(chǎn)品性能的一個重要參數(shù)。

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Effect of SiO2on the Characteristics of Lightweight Aggregate Made from Sewage Sludge and River Sediment

LIU Ming-wei1，LIU Fang2

(1.Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.China Power Coustruction Engineering Co.LTD.Beijing 100120)

Abstract：Sewage sludge disposal has been a serious environmental issue，traditional methods such as landfills，composting can easily lead to secondary pollution.The paper used sewage sludge as a raw material preparation combined with river sediment to produce lightweight aggregates，and the effects of SiO2 content on the characteristics of lightweight aggregates were studied，which including water adsorption，bulk density，particle density physical characteristics，morphological structures analyses，crystalline phases and compressive strength.Research shown that lightweight aggregates with high Performance at SiO2content is 35%，SiO2 content could be used as a useful parameter to control the production process of lightweight aggregates with desired physicochemical properties.

Key words：Sewage sludge；River sediment；Lightweight aggregates；SiO2

收稿日期：2015-12-10.

基金項(xiàng)目：東北電力大學(xué)博士科研啟動基金 (bsjjxm-201329)

作者簡介：劉明偉 (1982-)，男，黑龍江省大慶市人，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向：污水污泥資源化利用.

文章編號：1005-2992(2016)03-0086-05

中圖分類號：X705

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A