湖泊淤泥制備保水陶粒的研究

賈楚君+甘火軍+馬必純+劉延湘

摘要：以武漢市湖泊淤泥為主要原料，加入適量粘土與造孔劑，按照預(yù)處理→混碾攪拌→造粒成型→烘干→預(yù)燒→高溫焙燒→冷卻的流程制備了陶粒，以吸水率與抗壓強(qiáng)度為性能指標(biāo)，分別采用碳酸氫銨、谷殼灰、谷殼碳作為造孔劑，探究了不同的造孔劑及加入量對陶粒性能的影響，并確定了粘土的加入比例及焙燒溫度。結(jié)果表明：當(dāng)選擇谷殼碳為造孔劑，加入15%時(shí)制得的陶粒有較好的吸水性能，吸水率達(dá)到43.0%。粘土的加入比例在5%～15%范圍內(nèi)，陶粒的抗壓強(qiáng)度隨粘土的加入比例而降低。燒結(jié)溫度對陶粒的抗壓強(qiáng)度和吸水率都有較大的影響，1100 ℃下燒成的陶粒比900 ℃下有著更高的抗壓強(qiáng)度，但吸水性能下降。對比1100 ℃條件下燒成的陶粒與商品陶粒，其吸水率高于商品陶粒，抗壓強(qiáng)度與商品陶粒相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：陶粒；湖泊淤泥；造孔劑；抗壓強(qiáng)度；吸水率

中圖分類號：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0009-03

1 引言

隨著城市及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國城市湖泊水體水質(zhì)普遍變差。近年來，污染湖泊水體治理時(shí)清淤成為最基本的辦法之一。清淤最終產(chǎn)生大量的淤泥，淤泥中含有大量的污染物、細(xì)菌、病毒，且含水率高，傳統(tǒng)的堆放和填埋，不但處理成本高，且容易造成二次污染及資源浪費(fèi)等問題，因此尋求湖泊淤泥綜合利用的有效途徑，變廢為寶，成為亟待解決的問題[1～3]。

研究表明，湖泊淤泥是一種富含鋁硅酸鹽類粘土性物質(zhì)，含有大量的二氧化硅和三氧化二鋁無機(jī)物[4]，因此，作為原料或材料資源化的途徑主要包括土地利用[5]、制造填方材料[6～8] 和建筑材料等方面[9～11]。

陶粒是通過粘土等固體物燒制而成的一種人造輕質(zhì)粗集料，具有質(zhì)輕、堅(jiān)硬、透水、保溫等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于輕質(zhì)混凝土、建筑保溫材料，無土栽培基質(zhì)及水處理濾料等[12～14]。其中用于植物或盆栽的保水陶粒能夠長時(shí)間的儲存水分，具有保水保肥等性能，在園林綠化、海綿城市建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用前景[15]。湖泊淤泥的粘附性能夠滿足陶粒的成粒，且主要成分基本滿足一般陶粒化學(xué)成分燒結(jié)的要求，因此可替代粘土制作陶粒，既解決了淤泥的資源化問題，帶來經(jīng)濟(jì)效益，又防止它的二次污染，保護(hù)了環(huán)境。

為了提高淤泥陶粒的保水及利用性能，研究將利用武漢市湖泊淤泥作為主要原料，制備一種保水性能優(yōu)良的陶粒，通過選擇合適的造孔劑，改善陶粒的內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)，增加吸水率，為提高武漢市湖泊淤泥綜合利用的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會效益提供新的選擇。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

淤泥取自武漢市三角湖與墨水湖；粘土、谷殼灰、谷殼碳購自網(wǎng)商。

KSW箱式電阻爐（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）；MXX1800試驗(yàn)用高溫爐（上海微行爐業(yè)有限公司），WDW-100抗壓強(qiáng)度測試儀（長春科新試驗(yàn)儀器有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 陶粒制備工藝流程

按照陶粒制備及燒結(jié)的方法，確定的工藝流程如下：

淤泥預(yù)處理→混碾攪拌→造粒成型→烘干→預(yù)燒→高溫焙燒→冷卻。

2.3.2 原料的前期準(zhǔn)備

（1）淤泥預(yù)處理。

物料的顆粒度越小，對空隙的產(chǎn)生越有利，所以盡量使得淤泥的粒度更小，先將取得的湖泊淤泥風(fēng)干后，進(jìn)行粉碎，過60目篩備用。

（2）谷殼灰預(yù)處理。

將得谷殼放在100℃烘箱中烘干30～60 min，在粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，再過60目篩備用。

2.3.3 陶粒配比與成型

將淤泥、粘土、造孔劑等按照不同比例稱取一定質(zhì)量，加入到準(zhǔn)備好的容器中進(jìn)行攪拌混合，加入一定比例的水，含水率控制在40%左右，使其具有一定的粘度，便于后續(xù)手工成球。

本實(shí)驗(yàn)陶粒的成球造粒通過手工成球處理，成球過程中陶粒的粒徑一般為10～20 mm，將成球的陶粒放置在空氣中干燥12～24 h。

2.3.4 預(yù)燒與焙燒

為了進(jìn)一步調(diào)整陶粒球的化學(xué)組成，降低燒制前料球中碳的含量，出現(xiàn)最大的燒失量，以達(dá)到最佳的燒脹的結(jié)果。通常在300～500℃預(yù)燒25～40 min。在馬弗爐中預(yù)燒結(jié)束后，連續(xù)升溫至900～1100℃，進(jìn)行焙燒。將燒制好的陶粒放在馬弗爐中進(jìn)行冷卻，直至陶?；謴?fù)到常溫。

2.4 陶粒的性能測試

陶粒種類多樣，不同的用途決定其性能評價(jià)指標(biāo)體系有所不同，保水陶粒一般用陶粒的吸水率和抗壓強(qiáng)度作為其性能的評價(jià)指標(biāo)[16]。

3 結(jié)果與討論

3.1 造孔劑的選擇

為了探究不同造孔劑對陶粒性能的影響，實(shí)驗(yàn)保持淤泥和粘土總量不變，預(yù)燒溫度為300 ℃，設(shè)定焙燒溫度為900 ℃，焙燒時(shí)間2.5 h。選擇碳酸氫銨、谷殼灰、谷殼碳3種材料作為造孔劑制得的陶粒性能如表1。

結(jié)果表明不同的造孔劑對于陶粒的性能有著明顯的不同。碳酸氫銨作為造孔劑在加熱過程中能夠產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，在二氧化碳?xì)怏w揮發(fā)的過程中在陶粒內(nèi)部產(chǎn)生一定的空隙[17]。谷殼灰和谷殼碳作為造孔劑，這在高溫下燃盡或者揮發(fā)，最后留下孔洞[18]。對于造孔劑的成孔效果，通過對吸水率和表觀觀察，得出以谷殼碳作為造孔劑的吸水能力較好，且也有一定的抗壓強(qiáng)度。對于保水用陶粒一般抗壓強(qiáng)度要求不高，所以可采用谷殼碳作為造孔劑較好。

3.2 造孔劑加入量的影響

為了進(jìn)一步探究造孔劑與淤泥的配比對陶粒性能的影響，得到性能更好的保水陶粒，通過調(diào)整淤泥與谷殼碳的比例，預(yù)熱溫度為300 ℃，預(yù)熱時(shí)間為30 min。焙燒溫度設(shè)定為900 ℃，焙燒時(shí)間為2.5 h，得到陶粒性能變化情況見表2。由表2可知，隨著造孔劑谷殼碳的相對含量增加時(shí)，陶粒的吸水率及抗壓強(qiáng)度都隨之升高，當(dāng)谷殼碳的相對含量從5%增加到15%時(shí)，吸水率達(dá)到43.0%，抗壓強(qiáng)度達(dá)0.40MPa，分別提高了約54%。

3.3 粘土加入量的影響

實(shí)驗(yàn)過程中，粘土的含量影響陶粒的成型，當(dāng)粘土的比例在5%以下時(shí)，陶粒難以成型，因此以5%作為最低的比例。保持造孔劑的含量不變，在預(yù)熱溫度為300 ℃，預(yù)熱時(shí)間為30 min，設(shè)定焙燒溫度為900 ℃，焙燒時(shí)間為2.5 h下，比較粘土加入不同量實(shí)驗(yàn)對陶粒性能指標(biāo)的影響，陶粒外觀如圖，性能測定結(jié)果如表3。由表3可知，當(dāng)粘土含量增加或淤泥量減小時(shí)，陶粒的吸水率會下降，且抗壓強(qiáng)度也會下降，表明淤泥與粘土的相對比例影響吸水性能，比例大時(shí)吸水性能要好，且能夠提供的抗壓強(qiáng)度也會更大。

3.4 焙燒溫度的選擇

只有在適當(dāng)?shù)谋簾郎囟认拢夏艹浞职l(fā)生膨脹，并盡可能多的生成氣孔[19]。因此，比較在900 ℃和1100 ℃下實(shí)驗(yàn)，比較燒成陶粒吸收率及抗壓強(qiáng)度的不同，結(jié)果見表4。結(jié)果表明：在900 ℃燒成的陶粒的吸水率高于1100℃燒成的產(chǎn)品，但1100℃燒成的產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度較高。因此若需要一定強(qiáng)度的保水陶?？梢栽谶m當(dāng)提高燒制溫度。

3.5 燒成陶粒與商品陶粒的性能比較

從市場上購買一批商品多孔陶粒，由廠方資料可知陶粒由粘土、頁巖與一定的外加劑攪拌混合后在在1100 ℃雙筒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒制備。實(shí)驗(yàn)測得其吸水率為13.5%，抗壓強(qiáng)度為1.18 MPa，與在900℃下，淤泥∶粘土∶谷殼碳=80∶5∶15燒成陶粒進(jìn)行比較，吸水率高于商品陶粒，抗壓強(qiáng)度低于商品陶粒；與1100℃下，淤泥∶粘土∶谷殼灰=80∶5∶15燒成的陶粒進(jìn)行比較，吸水率和抗壓強(qiáng)度均高于商品陶粒。因此利用湖泊淤泥這種市政廢棄物，制備保水陶粒，代替粘土陶粒，在抗壓強(qiáng)度要求不高的情況下，實(shí)驗(yàn)燒成陶粒有著很好的環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

4 結(jié)論

（1） 谷殼碳，谷殼灰和碳酸氫銨三種造孔劑中，加15%左右谷殼碳制得陶粒有較好的吸水性能，吸水率達(dá)到43%。

（2）選擇谷殼碳的作為造孔劑，淤泥量越高，抗壓強(qiáng)度越大。

（3）淤泥量和粘土比例影響陶粒的成型，當(dāng)粘土比例低于5%時(shí)，陶粒不能成型。隨粘土比例的增加，陶粒的吸水率會越降低，控制在5%～20%之間比較合適。

（4）不同的燒制溫度會使得陶粒性能有所不同，1100 ℃制備的陶粒的抗壓強(qiáng)度相較900℃有較大的提高，但會使得陶粒的吸水率有一定的降低。

（5）與商品陶粒比較，燒成的淤泥陶粒吸水率較高，也能達(dá)到保水陶粒應(yīng)用對于抗壓強(qiáng)度性能的要求，可以為湖泊淤泥的資源化提供新的利用途徑。

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