CN108558245A - 一种污泥基水泥混合材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥基水泥混合材及其制备方法，该混合材包括污泥90～110份、粉煤灰30～50份、尾矿铝矾土10～20份及工业石膏10～20份；制法为将污泥、粉煤灰、尾矿铝矾土及工业石膏拌合烘干后，在800～1100℃条件下煅烧80～120min，冷却即可制得该水泥混合材。本发明通过将污泥、粉煤灰、尾矿铝矾土和工业石膏复配，不仅能够有效提高水泥抗折强度和抗压强度，且能够充分利用污泥原料价格低廉、来源广泛、富含多种活性氧化物等特点，为污泥的高附加值资源化利用提供了新思路；同时制备时实现了污泥的烘干、除臭、资源化处理的一体化，工艺简单，操作方便，制造成本低，产生经济效益。
Description
技术领域
本发明属于水泥混合材领域，尤其涉及一种污泥基水泥混合材及其制备方法。
背景技术
污泥是经污水处理后的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，此类物质的主要特性是产量大，含水率高(可高达95％以上)，容易腐化发臭，此外由于污泥中还含有一定量的重金属，倘若处理不当，极易对周边环境造成二次污染。因此，如何解决污泥资源化利用中的问题，寻求污泥资源化利用的新途径是目前亟待解决的重要课题。现对于污泥的资源化利用，国内外均有研究，如公开号为CN105948885A的中国发明专利申请公开了一种活性污泥有机肥料及其制备方法；公开号为CN105948705A的中国发明专利申请公开了一种利用冷轧酸再生过程中产生的含硅污泥制造砖块的方法，该方法通过煅烧制备了性能良好的砖坯。
虽然现有污泥的资源化处理工艺已得到人们的认可，但是仍有改进提高的空间。究其原因，一则是目前污泥烘干工艺复杂繁琐，效率较低，污泥的成型效果不佳；二则是污泥资源化技术参数要求较高，运行及维护成本过高；三则是污泥的干燥、除臭、资源化等处理未能一体化，造成如运费、仓库、货物保管费等不必要的资源浪费。
因此，现亟需一种能够充分资源化污泥且成本低的方法。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够充分资源化污泥且成本低，工艺简单的污泥基水泥混合材，该混合材能够有效提高水泥抗折强度和抗压强度。
本发明的第二目的是提供该水泥混合材的制备方法。
技术方案：本发明污泥基水泥混合材，按重量份数包括如下原料：污泥90～110份、粉煤灰30～50份、尾矿铝矾土10～20份及工业石膏10～20份。
本发明通过将污泥、粉煤灰、尾矿铝矾土和工业石膏复配，不仅工艺简单，成本低，且能够有效提高水泥抗折强度和抗压强度，充分高附加值地资源污泥；同时污泥中含有的CaSO4·xH2O与粉煤灰及尾矿铝矾土中的氧化钙、氧化铝反应生成C4A3S胶凝活性相，粉煤灰及尾矿铝矾土中氧化硅、氧化钙及氧化铝反应生成C2S胶凝活性相，胶凝活性相的生成有效提高了该污泥基水泥的胶凝性，具体的反应式分别为：
CaSO4.xH20+CaO+A12O3→C4A3S
SiO2+CaO+A1203→C2AS+C25
进一步说，采用的粉煤灰粒径优选可为5～75μm，其按质量分数优选可包括SiO250～65％，Al2O315～40％，CaO 1～4％及余量Fe2O3，该类型粉煤灰的孔隙率高达50～80％，吸水性较强，造粒能力较强，并为污泥基水泥混合材的制备提供铝质原料。
再进一步说，采用的尾矿铝矾土按质量分数优选可包括Al2O350～60％、SiO220～35％、Fe2O33～5％及余量CaO，该尾矿铝矾土为污泥基水泥混合材的制备提供硅铝质原料。采用的工业石膏优选可为二水石膏、半水石膏或无水石膏。
更进一步说，本发明制备污泥基水泥混合材的方法，包括如下步骤：按重量份数将污泥、粉煤灰、尾矿铝矾土及工业石膏拌合烘干后，在800～1100℃条件下煅烧80～120min，冷却即可制得该水泥混合材。
更进一步说，制备时烘干是在600～800℃条件下烘干40～70min。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该污泥基水泥混合材通过将污泥、粉煤灰、尾矿铝矾土和工业石膏复配，不仅能够有效提高水泥抗折强度和抗压强度，且能够充分利用污泥原料价格低廉、来源广泛、富含多种活性氧化物的特点，扩大了污泥的应用市场，合理使用固体废弃物，环境友好，为污泥的高附加值资源化利用提供了新思路；同时制备时实现了污泥的烘干、除臭、资源化处理的一体化，工艺简单，操作方便，制造成本低，产生经济效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
原料组分：污泥90份、粉煤灰30份、尾矿铝矾土10份及二水石膏10份。
本发明制备污泥基水泥混合材的方法包括如下步骤：
(1)通过输送机将污泥堆棚中的污泥输送至搅拌机中，加入粉煤灰、尾矿铝矾土及二水石膏，使之混合均匀，制得湿污泥混料；
(2)将湿污泥混料通过输送机输送至烘干机内，在600℃对混料进行高温烘干70min，使污泥的含水率＜20％，制得干燥污泥混料；
(3)将上述的干燥污泥混料通过输送机输送至出铁设备中，而后于煅烧炉在900℃对混料进行高温煅烧120min，充分调动污泥中钙、铝等氧化物的活性，随后出料并于冷却机中急冷，制得该污泥基水泥混合材，于成品堆棚中存储即可。
实施例2
原料组分：污泥100份、粉煤灰50份、尾矿铝矾土20份、二水石膏20份。
本发明制备污泥基水泥混合材的方法包括如下步骤：
(1)通过输送机将污泥堆棚中的污泥输送至搅拌机中，加入粉煤灰、尾矿铝矾土及二水石膏，使之混合均匀，制得湿污泥混料；
(2)将湿污泥混料通过输送机输送至烘干机内，在800℃对混料进行高温烘干40min，使污泥的含水率＜20％，制得干燥污泥混料；
(3)将上述的干燥污泥混料通过输送机输送至出铁设备中，而后于煅烧炉在1100℃对混料进行高温煅烧90min，充分调动污泥中钙、铝等氧化物的活性，随后出料并于冷却机中急冷，制得该污泥基水泥混合材，于成品堆棚中存储即可。
实施例3
原料组分：污泥110份、粉煤灰30份、尾矿铝矾土20份、二水石膏20份。
本发明制备污泥基水泥混合材的方法包括如下步骤：
(1)通过输送机将污泥堆棚中的污泥输送至搅拌机中，加入粉煤灰、尾矿铝矾土及二水石膏，使之混合均匀，制得湿污泥混料；
(2)将湿污泥混料通过输送机输送至烘干机内，在800℃对混料进行高温烘干40min，使污泥的含水率＜20％，制得干燥污泥混料；
(3)将上述的干燥污泥混料通过输送机输送至出铁设备中，而后于煅烧炉在1100℃对混料进行高温煅烧120min，充分调动污泥中钙、铝等氧化物的活性，随后出料并于冷却机中急冷，制得该污泥基水泥混合材，于成品堆棚中存储即可。
根据GBT17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，对上述实施例制备的污泥基水泥混合材性能进行测定，其中污泥基水泥混合材替代水泥的比例固定为30％，获得的结果如下表1所示。
表1水泥力学性能
通过表1可知，本发明采用污泥制备的水泥混合材，其28天抗压强度能够达50MPa左右，抗折强度能够达8MPa左右，抗压强度和抗折强度明显提高。
对比例1
基本步骤与实施例1相同，不同之处在于污泥基水泥混合材中的原料组分含量，具体为：污泥100份、粉煤灰20份、尾矿铝矾土30份及二水石膏30份。
制备方法与实施例1相同。
对比例2
基本步骤与实施例1相同，不同之处在于污泥基水泥混合材中的原料组分含量，具体为：污泥100份、粉煤灰60份、尾矿铝矾土5份及二水石膏5份。
制备方法与实施例1相同。
将对比例1和对比例2制备的污泥基水泥混合材性能进行测定，获得的结果如下表2所示。
表2水泥力学性能
通过表2可知，采用污泥90～110份、粉煤灰30～50份、尾矿铝矾土10～20份及二水石膏10～20份制备的混合材的抗压强度和抗折强度较高，对比例1和对比例2制备的混合材的抗压强度和抗折强度较差，这是由于粉煤灰加入量较少时使得污泥造粒不充分，影响污泥的烘干效率，工业石膏加入量较少时，会造成该水泥混合材中C4A3S的形成量减少，降低了其胶凝活性。
对比例3
基本步骤与实施例1相同，不同之处在于原料中不添加粉煤灰。具体为：污泥100份、尾矿铝矾土20份及二水石膏20份。
对比例4
基本步骤与实施例1相同，不同之处在于原料中不添加尾矿铝矾土。具体为：污泥90份、粉煤灰35份及二水石膏15份。
对比例5
基本步骤与实施例1相同，不同之处在于原料中不添加二水石膏。具体为：污泥90份、粉煤灰35份及尾矿铝矾土15份。
将对比例3-5制备的混合材进行性能检测，获得的结果如下表3所示。
表3水泥力学性能
通过表3可知，本发明将污泥、粉煤灰、尾矿铝矾土和二水石膏复配制备的混合材能够有效提高水泥抗折强度和抗压强度，倘若不加入粉煤灰则使得污泥造粒不充分，影响污泥的烘干效率，不加入尾矿铝矾土及二水石膏则会造成原料中缺乏足够的硅铝质原料，使得混合材中C4A3S的形成量减少，降低了其胶凝活性。
实施例4
设计6组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处在于煅烧的温度，分别为700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃，分别将制备的混合材进行性能检测，获得的结果如下表4和表5所示。
表4不同的煅烧温度制备的水泥抗压强度
表5不同的煅烧温度制备的水泥抗折强度
通过表4及表5可知，本发明选定煅烧温度为800～1100℃，制备的混合材能够有效提高水泥抗折强度和抗压强度。倘若温度偏低，会造成各原料组分之间反应不充分；倘若温度偏高，使得该水泥混合材矿物相趋于惰性，不利于其水化。
实施例5
设计5组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处在于煅烧的时间，分别为70min、80min、100min、1200min、130min，分别将制备的混合材进行性能检测，获得的结果如下表6和表7所示。
表6不同的煅烧时间制备的水泥抗压强度
表7不同的煅烧时间制备的水泥抗折强度
通过表6及表7可知，本发明选定煅烧时间为80～120min，制备的混合材能够有效提高水泥抗折强度和抗压强度。倘若煅烧时间偏短，会造成各原料组分之间反应不充分；倘若温度偏长，使得该水泥混合材矿物相趋于惰性，不利于其水化。
本发明采用的粉煤灰粒径为5～75μm，包括SiO2 50～65％，Al2O3 15～40％，CaO 1～4％及余量Fe2O3。尾矿铝矾土包括Al2O3 50～60％、SiO2 20～35％、Fe2O3 3～5％及余量CaO。二水石膏可替换为半水石膏或无水石膏。采用的污泥取自江苏省盐城市城南污水处理厂，粉煤灰、尾矿铝矾土及工业石膏分别购自南京嘉琪粉煤灰有限公司、河南利特耐火材料有限公司、江苏省一夫新材料科技有限公司。
Claims (7)
1.一种污泥基水泥混合材，其特征在于按重量份数包括如下原料：污泥90～110份、粉煤灰30～50份、尾矿铝矾土10～20份及工业石膏10～20份。
2.根据权利要求1所述的污泥基水泥混合材，其特征在于：所述粉煤灰粒径为5～75μm。
3.根据权利要求1所述的污泥基水泥混合材，其特征在于：所述粉煤灰按质量分数包括SiO2 50～65％、Al2O3 15～40％、CaO 1～4％及余量Fe2O3。
4.根据权利要求1所述的污泥基水泥混合材，其特征在于：所述尾矿铝矾土按质量分数包括Al2O3 50～60％、SiO2 20～35％、Fe2O3 3～5％及余量CaO。
5.根据权利要求1所述的污泥基水泥混合材，其特征在于：所述工业石膏为二水石膏、半水石膏或无水石膏。
6.一种制备权利要求1所述的污泥基水泥混合材的方法，其特征在于包括如下步骤：按重量份数将污泥、粉煤灰、尾矿铝矾土及工业石膏拌合烘干后，在800～1100℃条件下煅烧80～120min，冷却即可制得该水泥混合材。
7.根据权利要求6所述的污泥基水泥混合材的制备方法，其特征在于：所述烘干是在600～800℃条件下烘干40～70min。
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