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底泥制备陶粒研究进展

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/19     浏览次数:    
    底泥制备陶粒研究进展
    摘要:利用底泥制备陶粒是底泥资源化的重要途径之一,具有广泛的应用前景。本文进一步分析了底泥制备陶粒的可行性,介绍了底泥制备陶粒过程各环节的作用及目前的研究成果,阐述了目前底泥陶粒主要的应用方向;同时展望了底泥制备陶粒工艺和底泥陶粒应用两方面的研究方向,为底泥制备陶粒的机理研究及工艺改进提供参考。
    引言
    水体污染治理已成环境治理中较为重要的任务。同时,水体污染底泥的治理也备受关注。目前,疏浚技术已广泛地应用于污染底泥的治理中,自1998年疏浚技术应用于滇池草海底泥处理后,疏浚技术陆续地应用于太湖、巢湖、星云湖等湖泊底泥的处理中[1]。疏浚工程将会产生大量的疏浚底泥,其常规的处置方法主要是填埋和土地利用等[2-4]。而底泥填埋将占用大量原本紧缺的土地资源,土地利用也存在重金属污染风险,并且底泥中的有益成分得不到充分利用,造成资源浪费等问题。

    因此,底泥资源化利用技术,已成为环保领域中的焦点之一;徐淑红[5]等利用上海市桃浦河河道淤泥和城市污水处理厂脱水污泥进行了制备水处理用陶粒的研究。王发洲[6]等利用东湖淤泥制备出超轻陶粒;张国伟[7]等以上海新泾港河道底泥为主要原料进行了制备陶粒的研究,所制备的陶粒具有较大的比表面积由此可以看出利用底泥烧制陶粒是底泥资源化的重要方向之一。

    本文结合疏浚底泥的化学组成和矿物组成,对其制备陶粒的可行性进行了分析;同时,详述了底泥制备陶粒的工艺流程中预处理、底泥性质分析、配料、混合、成型、干燥、预热(烧)、焙烧、冷却等环节的作用和关注的重点;并对底泥陶粒应用前景进行综合评述,为底泥制备陶粒的研究提供参考。
    底泥制备陶粒的可行性
    陶粒主要是以硅、铝质原料烧制而成,它要求原料中必须以SiO2和Al2O3为主体成分,SiO2和Al2O3是陶粒形成强度和结构的主要物质,二者在高温下产生熔融,经一系列复杂的化学反应,然后形成陶质、瓷质、玻璃质,赋予陶粒最本质的“陶”的技术特征。
    按制备工艺,陶粒可分为烧结型陶粒、烧胀型陶粒和免烧型陶粒[8],烧结型陶粒在焙烧过程中不发生体积膨胀,其内部只有很少气孔,强度较高,密度大于500kg/m3;烧胀型陶粒在焙烧过程中发生体积膨胀,它的内部有大量封闭型气孔,密度小于500kg/m3;免烧型陶粒,顾名思义,不用通过焙烧制得的陶粒,免烧型陶粒主要是利用少量水泥或菱镁为胶结料,以活性固体废弃物为填料,造粒后,通过蒸汽养护、自然养护、蒸压养护而成的陶粒,密度介于500~1000kg/m3之间。不过目前鲜有关于底泥制备免烧型陶粒的研究,而关于底泥制备烧胀型陶粒和烧结型陶粒的研究较多,本文着重介绍烧胀型陶粒和烧结型陶粒。
    无论制备何种陶粒,我国大部分的河道和湖泊底泥的化学组成基本都能满足制备陶粒的基础条件。表是我国部分河流和湖泊底泥的化学组成情况,由表中可知,底泥的主要成分是SiO2和Al2O3,并含有一定量的Na2O、K2O、CaO、MgO、Fe2O3和FeO等物质,这些化学成分构成了制备陶粒的物质基础,使得底泥资源化制备陶粒成为可能。
    底泥中SiO2和Al2O3是陶粒成陶的主要成分,能在高温下形成玻璃熔体,不过含量过高会使陶粒烧成温度升高,陶粒膨胀性变低,但陶粒强度会增大;若其含量过少,则会对陶粒强度造成一定的影响,有研究表明[14]当原料中SiO2含量增加时,陶粒内部会变得致密;若Al2O3的质量百分比低于18%时,陶粒的强度较低,然而SiO2对陶粒的强度影响较小。底泥中的MgO、CaO、Fe2O3、FeO、Na2O、K2O等在成陶过程中起助熔作用,降低液相生成温度。当K2O、Na2O共存时,陶粒胚体能在较低温度下就开始产生熔液,所以K2O、含量高时,有利于陶粒膨胀,但其含量过高会使陶粒产品遇水泛霜;而CaO、MgO和FeO大量存在时,焙烧温度稍提高,熔液就大幅度增加,这对焙烧过程中的温度控制要求较高,故不是理想的助熔成分。有研究表明[15]Fe2O3质量分数为3.5%~7%时,以污水污泥和河道底泥为原料可制备得到密度较低、吸水率低的轻质陶粒;Fe2O3质量分数为5%时,陶粒表面致密性良好,分布一些10~20μm微孔,并可得到较佳的抗压强度。同时,Fe2O3质量分数越高,陶粒中的晶相就越复杂,陶粒的孔隙率就越低,但强度越高[16]。Fe2O3也是一种着色剂,它以高价铁富积于底泥陶粒表面,使其呈铁锈红色,以低价铁存在于陶粒内部,呈黑灰色,在与碳进行氧化还原反应时产生气相[17]。
    同时底泥中可能含有一些能在高温下产生气相的矿物成分,这是导致陶粒膨胀的重要因素。最常见的产气(CO2)矿物是白云石[CaMg(CO3)2]、方解石(CaCO3)、黄铁矿(FeS2)、褐铁矿(Fe2O3·nH2O)、石膏、赤铁矿(Fe2O3)、碳(C)及有机质与沸石[18]等。其主要的化学反应列于(1)~当底泥中上述矿物含量多时,陶粒膨胀效果就较好,相应的陶粒内部气孔数目也较多。由上述分析可知,底泥中含有在高温下产生液相和气相的物质,满足制备陶粒的物质组成要求,因此,底泥可以用于制备陶粒。
    底泥制备陶粒的工艺流程
    底泥制备陶粒的过程如图1,主要包括原料预处理、底泥性质分析、配料、混合、成型、干燥、预热(烧)、焙烧、冷却、筛分等过程。
    .1原料预处理
    刚挖出的底泥杂质较多、成分不均,需要进行一定的处理。首先,进行去渣、除杂物处理,较细的小杂物,可通过调节净化筛板剔除[19];其次,由于沉积的底泥一般分为上、中、下3层,上、中层底泥性能较适合制备陶粒,相比之下,下层底泥性能稍差[20],所以必须将其混匀,同时若底泥含沙量较多时,要对其进行脱砂处理,因为含沙量较大则需要加大量的粘结剂,而加入大量的粘结剂不利于陶粒膨胀性能[21];最后,对底泥进行陈化处理以提高底泥的匀质性[14],陈化后的底泥可能存结块,需要对其进行破碎和研磨处理,这有利于后续的混料和成型。
    .2底泥性质分析
    为烧制理想的底泥陶粒,必须全面地了解底泥的物理化学性质。一般底泥的含水率、颗粒度、塑性、化学成分、矿物组成等对底泥陶粒的烧制有较大的影响,因而,必须对这些性质进行测定及分析。就颗粒的粒度而言,一般要求底泥原料中大于50μm的颗粒应少于25%[19],5~50μm的颗粒应超过25%,小于5μm的颗粒要超过50%。粒度越细,表面能越大,提供化学反应的作用面积就相应越大,反应能力也就越强[22]。
    当小于5μm的颗粒含量高达60%以上,说明其具备良好的可塑性。
    底泥的塑性指数对底泥陶粒的成型有重要的影响,同时底泥的可塑性与底泥陶粒的容重呈反比;同时,原料塑性指数高于25属于高膨胀性原料,塑性指数介于15~25之间属于中膨胀性原料,塑性指数小于15属于低膨胀性原料,原料塑性低则料球(粒)的强度也低,对工艺操作不也利[18],但可通过掺入塑性剂如水玻璃来予以改善;底泥塑性指数的测定,可参照韩艳丽等[23]关于淤泥塑性指数研究中所用到的方法[24]。对于底泥化学成分的测定,高红杰[25]等采用等离子光谱仪法,钱伟等[26]利用X射线荧光光谱仪法,采用后者的方法对底泥的化学成分进行测定时,虽然快速方便,但存在较大的误差,建议用前者的方法测定底泥中各化学成分的含量。
    .3配料
    不同用途的陶粒,配料也有所不同,要根据实际需要确定配料。Riley[27]根据大量的粘土与页岩原料膨胀性能的研究结果,发现当W(SiO2)为53%~79%,W(Al2O3)为12%~26%),其他氧化物熔剂为8%~24%时,原料具有适宜的膨胀性能,适合烧制轻质陶粒。根据大量的试验[28]表明生产超轻陶粒原料化学组成和最佳含量范围见表2。研究表明[29]适合烧制高强陶粒最佳原料成分和最佳含量范围为:W(SiO2)为55%~65%;W(Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O)为为18%~25%;W(Fe2O3+FeO)为6%~10%;W(CaO+MgO)为4%~6%;W(K2O+Na2O)为1.5%~4.烧失量为3%~5%。另外有研究表明[30],原料中硅、铝氧化物之和与RO、R2O总和的比值在3.5~10时,生产陶粒较佳,当比值较小时,陶粒烧成温度较低,对膨胀有利;当比值较大时,烧成温度较高。
    因此,需要结合底泥自身化学成分的特性,并根据制备陶粒的用途,以“缺什么,补什么”为原则,适当加入外加剂予以调整,以制备出理想的陶粒。
    .4混合与成型
    为使烧制的陶粒性质均匀,必须对原料充分地混匀,以达到均质化的效果。根据原料的不同力学性能,陶粒生产过程中的成型工艺可分为塑化法、干法、泥浆法或粉末成球法、成球盘法等[31]。而关于底泥制备陶粒的研究中,成型工艺几乎都采用粉末成球法成球,混合料成型后含水率控制在10%~30%[26],水含量过少不利于成型,过多则容易造成焙烧时水分不能及时排出,从而引起陶粒表面产生裂纹,影响陶粒质量。
    .5干燥与预烧
    一般初成型的陶粒料球需要干燥,以免在高温焙烧时出现裂纹或者炸裂。可以直接将陶粒料球放在烘箱里烘干;也可以室内自然干燥一段时间之后再进入烘箱烘干,这样既可以减小耗能,同时自然干燥的过程中也起到了陈化作用,Xu等[32]干燥时选的是后者。大多数研究中干燥温度在100~110℃之间,而对于干燥时间,则各有不同,王佳福等[33]和施云芬等[34]制备陶粒时,干燥时间为2h,而Liu[35]采用的干燥时间为,笔者根据多次试验认为,干燥时间应综合制备陶粒的原料、陶粒粒径、陶粒的用途等方面来确定。
    预烧是为了避免料球突然进入高温而炸裂,也可使气体缓慢产生。不过,预烧温度过高或预烧时间过长,气体会在物料达到最佳黏度之前逸出,使料粒膨胀性较差。一般预热温度为500~600℃,时间在9~,预烧后烧失量3%~5%[19]。
    .6焙烧
    焙烧是陶粒烧制过程的最主要环节,焙烧过程目的是使膨胀气体逸出,并与适宜黏度液相生成,同时抑制气体逸出的一个动态平衡过程。
    不同性能要求和不同用途的陶粒,其焙烧条件有所不同。烧胀型陶粒一般采用快烧制度,这样能保证达到焙烧温度时,既有液相产生又有较多的气相生成,可使陶粒充分膨胀。为此笔者建议最好使预烧和焙烧分别在两个炉子中进行,当料球预热结束时马上将其转移到温度已达到焙烧温度的炉中进行焙烧,这样能保证高温时料球中仍有气体产生。经国内许多学者研究表明,烧胀的焙烧温度在1000~1250℃,其中集中在±50)℃,焙烧为10~35min。制备高强陶粒时,焙烧时间一般比制备超轻陶粒适当延长5~8min,以保证有充足的液相成分生成来维持陶粒的强度[19]。对于生产过滤滤料,应该适当提高料球进入烧结区的升温速率,保留料球中的有机物,提高烧结体的比表面积;对于生产轻骨料,宜采用低温预热工艺,使陶粒料球充分致密化,增加陶粒强度。
    .7冷却
    冷却是使料球表面逐渐形成坚硬壳体,使料球的表面密实坚硬,内部形成闭合的孔隙。冷却速率对陶粒性能有一定的影响[19],冷却过快,可以防止回缩或结块现象,但容易使陶粒产生微细裂纹,理论和实践证明,在700~400℃温度段,需要缓慢冷却,这主要由于降温速度快会导致陶粒内部以及表面产生温度收缩应力,将导致表面出现网状的微细裂纹,从而大大降低陶粒的筒压强度[36]。而在其他温度段可以快速冷却,以提高冷却效率。
    由于各地底泥性质和成分存在差异,不同时期挖的淤泥性状也可能不同,因此,在利用底泥制备陶粒时需要进行多次试烧试验,找出最优的制备方案,实现底泥的资源化利用。
    底泥陶粒应用的研究
    陶粒密度小,内部多孔,形态、成分较均一,且具一定强度和坚固性,因而具有轻质,耐腐蚀,抗冻,抗震和良好的隔绝性等多功能特点。陶粒已经广泛应用于石油、建材、环保、化工等部门,郭宗艳等[37]利用熟铝矾土、粉煤灰、FT酚醛环氧树脂等制得低密度高强度陶粒支撑剂是一种油气井压裂作业中的关键材料;何世华等[38]利用海底底泥为主要原料制得陶粒,并用其制备出符合标准要求的自保温陶粒砼多孔砖,为建筑节能提供了新型轻质自保温墙体材料;刘宝河等[39]制备了具有吸附除磷特性的TBX多孔陶粒滤料;Hart等[40]利用铝化物制备陶粒吸附剂去除水中重金属离子。
    目前,关于底泥陶粒应用研究中较多的方向是污水处理滤料。因为这些底泥陶粒通常是一种多孔轻质材料,具有较发达的比表面、空隙率高、表面粗糙、吸附能力强、有效地进行生物降解、易挂膜、挂膜快等优点,所以可以用于污水处理滤料。不过作为滤料,对底泥陶粒的性能要求较高,所以在制备过程中应该合理控制原料配比和焙烧工艺,适当增加产气成分的含量,以提高其比表面积。
    吴建峰等[41]采用淤泥为主要原料,以煤粉为成孔剂,添加适量粘土,制备了烧成温度低、烧成范围宽的滤球。滤球显气孔率达57.18%,吸水率为41.35%,体积密度为1.38g/cm3。,压碎强度达到6.1MPa。潘嘉芬等[42]利用底泥陶粒进行含油废水的处理,研究得出底泥陶粒处理含油废水的效果明显好于相同条件的砂粒。徐淑红等[43]将底泥陶粒用于印染废水处理中,结果表明底泥陶粒滤料对印染废水中COD、NH3-N的去除率优于对照陶粒滤料,对染料废水的脱色率也高于对照陶粒。刘贵云等[44]将底泥陶粒用作曝气生物滤池填料进行生活污水深度处理,NH3-N的去除效果不低于对照陶粒;在生活污水深度处理中,底泥陶粒与活性炭相比,对NH3-N的去除效果并无明显差别。由此可见,将底泥陶粒作为废水处理滤料具有较好的应用前景,同时也体现了“变废为宝,以废治废”的思路,符合可持续发展的要求。
    底泥陶粒处理废水取得了较好的效果,不过也存在一些问题亟待解决,底泥陶粒应用于滤料时,首先要解决制备过程中底泥陶粒多孔和高强度的矛盾;第二,烧制过程中,应该避免陶粒表面结釉现象的出现,表面结釉直接影响到陶粒粗糙度及亲水性,从而影响到陶粒的吸附性能。第三,由于处理不同性质的废水,对滤料的性质要求应该有所差异,而目前并没有相关的研究。最后,底泥陶粒作为滤料时,如何进行脱附处理来延长陶粒的使用寿命。
    展望
    利用底泥代替粘土作为制备陶粒的原料,不但可以解决我国现阶段陶粒原料来源匮乏单一的问题,同时也为底泥资源化利用开辟新的路线,具有重要的现实意义。目前,关于底泥陶粒的研究虽然很多,但仍有几方面还值得进行深入研究。

    底泥中的各化学成分是如何影响陶粒性能及制备不同用途的陶粒对焙烧工艺的要求,以此提到底泥利用率鉴于有机物及氮磷含量较高的底泥,如果直接用于烧制陶粒,不仅浪费了这些物质耗费大量热能,同时也对环境造成了一定的污染,若探究将其用于制备免烧型陶粒,再将底泥免烧型陶粒应用于无土栽培技术的研究;这不仅实现了底泥的综合利用,而且避免焙烧陶粒所耗能源目前,陶粒的吸附性能并不是很理想,需要进一步提高,故可尝试对底泥陶粒表面进行改性之后再应用于吸附方面的研究。


本文由 武汉陶粒厂家 整理编辑。

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