固廢基陶瓷微珠透水磚的制備方法

摘 要：利用大宗固體廢棄物制備透水建材可以為城市雨洪管理提供綠色高性能產(chǎn)品，是解決“無廢城市”和“海綿城市”問題的新舉措。文章以典型難處理工業(yè)固廢為研究對象，針對建材制造業(yè)囿于環(huán)境污染隱患、固廢消耗能力低的行業(yè)難題以及傳統(tǒng)制磚工藝能耗大、碳排放高的技術(shù)難題，發(fā)明了重金屬吸附-燒結(jié)?；?水泥固化協(xié)同制備陶瓷微珠透水磚的方法，通過清潔生產(chǎn)提升工業(yè)廢棄物的利用價值，以期在綠色建材領(lǐng)域引領(lǐng)一波創(chuàng)新浪潮，助推環(huán)境友好型城市基礎(chǔ)設施的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：大宗固廢利用；環(huán)境友好型建材；固廢基陶瓷微珠；透水性能

1 前言

我國采礦、冶金、煤電及化工等重工業(yè)每年產(chǎn)生超過30億噸的固體廢棄物，歷史累積的固廢量超過700億噸。由于缺乏有效的處置技術(shù)，這些固廢不僅造成了資源的巨大浪費和土地的大量占用，還對生態(tài)環(huán)境和公共健康構(gòu)成嚴重威脅。開發(fā)以大宗工業(yè)固廢為原料的透水建材不僅有助于消耗大量的歷史堆存固廢，還能為城市雨洪管理提供高性能的綠色產(chǎn)品，從而成為實現(xiàn)“無廢城市”和“海綿城市”目標的重要一環(huán)。

在固廢建材化的方案中，制備陶瓷微珠透水磚展示了卓越的固廢處理能力和節(jié)能減碳優(yōu)勢。其核心工藝包括兩個關(guān)鍵步驟：一是將固廢通過高溫燒結(jié)，?；癁樘沾晌⒅?，這一步不僅提高了物料的物理強度，而且實現(xiàn)了重金屬成分的固化；二是骨料燒結(jié)與壓制成型技術(shù)，陶瓷微珠骨料與其他輔料混合，通過壓制處理，得到性能卓越的透水磚。固廢基陶瓷微珠透水磚不僅在功能性上優(yōu)越，也在環(huán)境保護方面發(fā)揮了重要作用，是固廢資源化和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的典范。

2制備固廢基陶瓷微珠

在建材領(lǐng)域，水泥和混凝土行業(yè)對固廢的消納量最大，但是存在重金屬固化能力弱、受堿金屬和堿土金屬等成分限制因素大、易發(fā)生泛堿開裂等問題，產(chǎn)品附加值較低。陶瓷微珠的固廢消耗量僅次于水泥和混凝土，但是對重金屬固化卻具有顯著成效。

2.1工藝流程

制備開孔空心陶瓷微珠的工藝涉及復雜的化學和物理變化，旨在將礦渣、尾礦、冶煉渣等固廢轉(zhuǎn)化為有價值的材料，并且高溫玻化過程時間短、能耗低，不存在緩慢的燃燒現(xiàn)象，不產(chǎn)生二噁英等有害物質(zhì)，環(huán)境友好。以鈦礦渣為例，具體制備步驟如下：

（1）固廢預處理，將鈦礦渣經(jīng)過破碎和球磨處理，轉(zhuǎn)化為粒徑約200μm～300μm的細粉，小粒徑有助于后續(xù)化學反應的進行、縮短燒結(jié)時間和材料性能的提升。（2）造粒，在200μm～300μm的鈦礦渣細粉中加入沸石作為催化劑，并以0.5～0.6的水灰比進行調(diào)漿，水灰比的選擇至關(guān)重要，因為它直接影響到混合物的流動性和后續(xù)的造粒效果，在攪拌0.5 h～1 h后，將混合物送入造粒機進行高速旋轉(zhuǎn)，噴射形成粒徑約350μm～450μm的實心微珠。（3）燒結(jié)，實心微珠在380～410℃的條件下進行烘干，直至含水量降至3%以下，然后送入封閉的膨化爐里進行高溫快速燒結(jié)。

燒結(jié)過程分為兩個關(guān)鍵階段：膨化（900～950℃）和燒結(jié)（1000～1200℃），在膨化爐膨化區(qū)，由于高溫的作用，微珠中的水分迅速蒸發(fā)，導致微珠內(nèi)部產(chǎn)生壓力并膨脹，形成不規(guī)則的開孔結(jié)構(gòu)，這一階段持續(xù)約10秒；開孔微珠在膨化爐內(nèi)風機的抽吸作用下進入燒結(jié)區(qū)，以1050～1200℃進一步燒結(jié)約15秒，微珠中的硅酸鹽和鋁酸鹽發(fā)生熔融或半熔融狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，在風機的持續(xù)抽吸作用下進入輸料管內(nèi)并且快速冷卻，形成玻璃相質(zhì)地。

2.2固廢重金屬固化/穩(wěn)定化的原理

固廢資源化的前提是無害化。固廢浸出重金屬對環(huán)境的危害具有持續(xù)性和隱蔽性，其中鉛、鋅、銅、鉻是較常見、危害較大的重金屬元素。固廢基陶瓷微珠的制備就是不斷地改變固廢中重金屬及有害物質(zhì)的賦存形態(tài)（表1），使之理化性能更加穩(wěn)定從而實現(xiàn)無害化的過程。

以重金屬鉛（Pb）為例，在初始階段，鉛以活潑的Pb2+離子形式存在；通過沸石等材料的吸附和離子交換作用，Pb2+離子被固定在沸石的硅鋁氧四面體結(jié)構(gòu)中，形成硅酸鹽結(jié)合態(tài)；隨后，在高溫膨化爐內(nèi)，經(jīng)歷氧化反應轉(zhuǎn)化為PbO化合物形式；隨著燒結(jié)溫度升高，鉛及其氧化物與其他金屬氧化物發(fā)生復雜的絡合反應，形成如鉛鐵絡合物、鉛錳絡合物等，進一步加強了其化學穩(wěn)定性；最終，隨著物料的逐漸冷卻，鉛及其復合物被固定在非晶態(tài)玻璃相結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)具有出色的耐腐蝕性和耐高溫特性。

2.2.1重金屬吸附與離子交換

在制備固廢基陶瓷微珠的過程中，為了實現(xiàn)無害化生產(chǎn)，沸石被選作化學穩(wěn)定化劑。沸石是一種具有良好吸附及離子交換性能的硅鋁酸鹽礦物，資源儲量豐富，常被用于去除廢水中氨氮、磷、重金屬以及有機物等污染物。天然沸石的比表面積為250.8 m2/g，負極表面使天然沸石對溶液中Pb、Cu、Cd、Zn等重金屬有良好的吸附能力。當沸石與固廢混合，在加水調(diào)漿過程中，廢石釋放無害的鈉（Na+）、鈣（Ca2+）和鉀（K+）陽離子，這些陽離子可以與固廢中浸水后溶出的有害重金屬離子發(fā)生離子交換反應，這種固化作用對環(huán)境友好且有效，能顯著減少這些重金屬離子對水體和土壤的污染。

2.2.2?；?/p>

以鈦礦渣為例，鈦礦渣中的物相為二氧化鈦、四氧化三鐵、二氧化硅、三氧化二鐵、硅酸鎂、鋁硅酸鈣，同時，也常含有重金屬和有害物質(zhì)，如鉻（Cr）、鉛（Pb）、硫（S）等。在1100～1200℃的燒結(jié)溫度下，這些物質(zhì)出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，硅酸鹽和鋁酸鹽結(jié)構(gòu)軟化并重組，快速冷卻形成玻璃相釉體，將固化后的重金屬和有害物質(zhì)進一步有效包裹，形成致密且穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而降低環(huán)境污染風險。如：鉻（Cr）在高溫下可以與氧化鈣（CaO）反應形成穩(wěn)定的鉻酸鈣（CaCrO4），Cr2O3+2CaO→2CaCrO4；鉛（Pb）可以與二氧化硅（SiO2）反應，形成鉛硅酸鹽（PbSiO3），PbO+SiO2→PbSiO3。這些反應產(chǎn)物的理化性能非常穩(wěn)定，減少了重金屬和有害物質(zhì)的生物可利用性和環(huán)境遷移性。

3制備固廢基陶瓷微珠透水磚

3.1配料

固廢基陶瓷微珠透水磚研發(fā)的意義是將大宗固廢作為主要的生產(chǎn)原料，減少黏土、頁巖等非可再生資源的使用。以鈦礦渣為例，固廢基陶瓷微珠透水磚的配料有：水泥10～20wt%、粒徑350μm～450μm鈦礦渣開孔空心微珠45～65wt%、模數(shù)3.2～3.5的硅酸鈉8～15wt%、燒失量1%的粉煤灰5～15wt%、粒徑100μm～150μm活性炭10～30wt%，以上各組分的重量百分比之和為100%。工業(yè)固廢在配料中的比重在60%以上，非可再生資源替代率100%。

3.2骨料燒結(jié)-壓制成型技術(shù)

根據(jù)《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2022）》，2020年，我國建筑業(yè)能耗總量高達22.7億tce，占全國能耗的45.5%。這一數(shù)據(jù)凸顯了推行綠色節(jié)能生產(chǎn)在建材行業(yè)中的重要性，該行業(yè)肩負著轉(zhuǎn)型的重大責任。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)企業(yè)在透水磚生產(chǎn)過程中依然采用傳統(tǒng)整磚窯爐燒結(jié)工藝，每生產(chǎn)1平方米透水磚就要消耗約10立方天然氣。骨料燒結(jié)-壓制成型技術(shù)淘汰了落后的整磚窯爐燒結(jié)工藝，僅對骨料進行燒結(jié)。骨料的粒徑只有350μm～450μm，細小的粒徑和碩大的比表面積使其在膨化爐內(nèi)均勻受熱，僅需25秒即可實現(xiàn)膨脹和玻化，生產(chǎn)1平方米透水磚的天然氣消耗量僅2.8立方。與整磚窯爐燒結(jié)相比，節(jié)能超過65%，不僅是能源利用效率的突破，也為建材行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了切實可行的解決方案。

3.3制備透水磚

固廢基陶瓷微珠骨料占比55wt%，混合固化劑、粘結(jié)劑等輔料，以0.4～0.5的水灰比調(diào)漿，再加入混合料總重量為0.2～1.0%的鋁粉膏，鋁粉膏水化反應生成氣泡，形成多孔膨脹吸水漿液，將膨脹吸水漿液攪拌均勻倒入海綿磚壓制機的試模中，經(jīng)刮平、壓制、脫模、晾干，制成固廢基陶瓷微珠透水磚。

3.4固廢基陶瓷微珠透水磚性能優(yōu)化

固廢基陶瓷微珠骨料采用了創(chuàng)新的高溫膨化和快速冷卻燒結(jié)工藝，通過這種方法，骨料的結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定和均勻，從而在應用中展現(xiàn)出高耐久性和承載力；骨料特性協(xié)同多孔隙連通結(jié)構(gòu)設計，在透水磚壓制成型前加入混合料總重量的1%鋁粉膏在調(diào)漿和養(yǎng)護過程中持續(xù)發(fā)泡，氣泡與骨料的開孔及間隙形成連通結(jié)構(gòu)（圖1），產(chǎn)生多孔膨脹的吸水漿液，極大地提升了透水磚的透水和排水能力。所制備固廢基陶瓷微珠透水磚抗壓強度35 MPa～38 MPa；有效孔隙率＞35%，透水系數(shù)3.7×10-2 cm/s。

4結(jié)論

通過先進的固廢資源化技術(shù)，可以顯著提高工業(yè)固廢的能源回收效率，并推動建材行業(yè)向更可持續(xù)、環(huán)保的發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。本研究所提出的制備方法不僅為固廢的減量化和資源化提供了一種有效策略，而且能顯著緩解建材行業(yè)當前面臨的環(huán)境壓力，進一步促進環(huán)保與經(jīng)濟發(fā)展的雙贏。此技術(shù)的推廣應用預期將為建筑行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型開辟新路徑，并為城市雨洪管理與水資源的合理利用提供創(chuàng)新解決方案。

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