利用建筑垃圾和水稻秸稈制備陶粒的研究★

陳成俠 陳玲玲 王傳虎

(1.安徽珍昊環(huán)保科技有限公司，安徽 滁州 233100；2.蚌埠學(xué)院土木與水利工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030； 3.蚌埠學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

1 概述

我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾約3億t，如果不去及時處理加以綜合利用，建筑垃圾不僅占用大量土地，還會造成水土流失和環(huán)境污染，對生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成威脅。我國作為農(nóng)業(yè)大國，水稻秸稈資源豐富，但卻不能很好的轉(zhuǎn)化利用，違燒現(xiàn)象屢禁不絕，這不僅造成了能源浪費、污染環(huán)境，還對公路、森林以及航空造成威脅[1]。

使用建筑垃圾和水稻秸稈，經(jīng)過破碎、篩選、混合、成球、預(yù)熱、煅燒等工序制得陶粒，拓寬了建筑垃圾和水稻秸稈利用途徑。

陶粒除用作輕骨料外，因其表面粗糙、孔隙率高、比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不含有害物質(zhì)，易于再生，并且重復(fù)利用率高等特點使其可以作為吸附材料。

2 材料與方法

2.1 儀器

電磁式制樣粉碎機、箱式電阻爐、電熱恒溫干燥箱、電子天平、X射線衍射儀、坩堝、燒杯、李氏比重瓶等。

2.2 藥品

氫氧化鈉、鹽酸、氟化鉀、氯化鉀、硝酸鉀、乙二胺四乙酸二鈉、硫酸銅、三乙醇胺、鈣黃綠素、甲基百里香酚藍、酒石酸鉀鈉、硝酸、氨水、酚酞、磺基水楊酸鈉、醋酸、乙酸鈉、PAN、苦杏仁酸、酸性格蘭K、萘酚綠B、甲基橙、碳酸鈣等，均為分析純。

2.3 試驗方案

試驗流程如圖1所示。

原材料的成分依據(jù)GB/T 16399—1996粘土化學(xué)分析方法，陶粒吸水率、表觀密度依據(jù)CJ/T 299—2008水處理用人工陶粒濾料和GB/T 17431.2—2010輕集料試驗方法。

2.4 單因素控制變量試驗

2.4.1原料配比選擇

由于建筑垃圾為主要原材料，水稻秸稈為輔助材料，所以建筑垃圾和水稻秸稈配比選取四組，分別為9∶1，8∶2，7∶3，6∶4。通過單因素控制變量初步確定了煅燒工藝，在相應(yīng)的煅燒溫度T1、煅燒時間t1、預(yù)熱溫度T2、預(yù)熱時間t2的條件下，分別對上述四組配比進行煅燒試驗。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳配料比。

取適量建筑垃圾粉末，緩慢加入一定量的水進行混合，手工成球，使其直徑大于5 mm。然后將生料球放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱于(105±2)℃干燥1 h，以除去生料球中的水分，避免煅燒時料球因含水較多破裂，干燥后的料球備用。

2.4.2煅燒溫度的選擇

在煅燒時間t1取10 min，預(yù)熱溫度T2取450 ℃，預(yù)熱時間t2取20 min的環(huán)境下，分別在煅燒溫度T1為1 000 ℃,1 050 ℃,1 100 ℃,1 150 ℃,1 200 ℃下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最優(yōu)煅燒溫度T1。

2.4.3煅燒時間的選擇

在確定了煅燒溫度T1，預(yù)熱溫度T2取450 ℃，預(yù)熱時間t2取20 min的環(huán)境下，分別在煅燒時間t1為5 min,10 min,15 min,20 min,25 min下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳煅燒時間t1。

2.4.4預(yù)熱溫度的選擇

在確定了煅燒溫度T1、煅燒時間t1，預(yù)熱時間t2取20 min的環(huán)境下，分別在預(yù)熱溫度T2為350 ℃,400 ℃,450 ℃,500 ℃,550 ℃下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳預(yù)熱溫度T2。

2.4.5預(yù)熱時間的選擇

在確定了煅燒溫度T1、煅燒時間t1，煅燒溫度T1，煅燒時間t1取10 min，預(yù)熱溫度T2取450 ℃的環(huán)境下，分別在預(yù)熱時間t2為10 min,15 min,20 min,25 min,30 min下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳預(yù)熱時間t2。

2.5 正交設(shè)計試驗

通過單因素試驗確認了燒制建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的大致煅燒工藝，配比試驗確認了最佳的原料配比。繼續(xù)通過一組正交設(shè)計試驗，綜合考察建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的最佳煅燒工藝條件。

2.6 陶粒產(chǎn)品性能分析

觀察陶粒成品的外觀顏色、表層結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部孔隙， 并對陶粒成品進行XRD衍射試驗，定性分析陶粒成品的化學(xué)組分。

3 結(jié)果與討論

3.1 測定原材料的成分

通過試驗，最終測定采集的建筑垃圾化學(xué)成分和燒失量如表1所示。

表1 建筑垃圾主要化學(xué)成分

通過查閱資料上述成分組合能夠成功燒制陶粒。

3.2 單因素控制變量試驗

3.2.1煅燒溫度的選擇結(jié)果

在煅燒時間t1取10 min，預(yù)熱溫度T2取450 ℃，預(yù)熱時間t2取20 min的環(huán)境下，分別在煅燒溫度T1為1 000 ℃,1 050 ℃,1 100 ℃,1 150 ℃,1 200 ℃下進行燒制，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 煅燒溫度的影響

由表2可知，最佳煅燒溫度T1選擇1 150 ℃。

3.2.2煅燒時間的選擇結(jié)果

在煅燒溫度T1取1 150 ℃，預(yù)熱溫度T2取450 ℃，預(yù)熱時間t2取20 min的環(huán)境下，分別在煅燒時間t1為5 min,10 min,15 min,20 min,25 min下進行燒制，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 煅燒時間的影響

由表3可知，最佳煅燒時間t1選擇10 min。

3.2.3預(yù)熱溫度的選擇結(jié)果

在煅燒溫度T1取1 150 ℃，煅燒時間t1取10 min，預(yù)熱時間t2取20 min的環(huán)境下，分別在預(yù)熱溫度T2為350 ℃,400 ℃,450 ℃,500 ℃,550 ℃下進行燒制，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 預(yù)熱溫度的影響

由表4可知，預(yù)熱溫度為400 ℃時，1 h吸水率和其他條件下的1 h吸水率差別較大，取陶粒進行破碎，發(fā)現(xiàn)陶粒內(nèi)部尚未完全膨脹。最佳預(yù)熱溫度T2選擇450 ℃。

3.2.4預(yù)熱時間的選擇結(jié)果

煅燒溫度T1取1 150 ℃，煅燒時間t1取10 min，預(yù)熱溫度T2取450 ℃的環(huán)境下，分別在預(yù)熱時間t2為10 min,15 min,20 min,25 min,30 min下進行燒制，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 預(yù)熱時間的影響

由表5可知，預(yù)熱時間為10 min時，1 h吸水率和其他條件下的1 h吸水率差別較大，取陶粒進行破碎，發(fā)現(xiàn)陶粒內(nèi)部尚未完全膨脹。最佳煅燒時間t2選擇15 min。

通過以上四組單因素控制變量試驗，初步確定建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的煅燒工藝，煅燒溫度T1為1 150 ℃，煅燒時間t1為10 min，預(yù)熱溫度T2為450 ℃，預(yù)熱時間t2為15 min。

3.3 原料配比試驗

通過四組試驗，測定陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率，選取最佳配料比，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 原料配比的影響

由表6可知，建筑垃圾和水稻秸稈最佳配比為7∶3。

3.4 正交設(shè)計試驗

取四個變量，分別為：預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、煅燒溫度、煅燒時間，每個變量取3個水平，預(yù)熱溫度取400 ℃，450 ℃，500 ℃，預(yù)熱時間取10 min，15 min，20 min，煅燒溫度取1 130 ℃，1 150 ℃，1 170 ℃，煅燒時間取5 min，10 min，15 min。試驗設(shè)計如表7所示。

表7 正交設(shè)計試驗

試驗結(jié)果如表8所示。

表8 正交設(shè)計試驗結(jié)果

由表8可知，試驗6和試驗8的1 h吸水率過大，取陶粒進行破碎，發(fā)現(xiàn)陶粒內(nèi)部尚未完全膨脹。最佳試驗結(jié)果為試驗9。

3.5 陶粒產(chǎn)品性能分析

3.5.1形貌特征

外觀上呈現(xiàn)暗黃色，表面是一層釉化的材質(zhì)，從外表上看，建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒外表面粗糙，光滑度低，表面有孔隙，如圖2所示。對陶粒進行破碎處理以便觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，陶粒斷面是一層暗黃色的類似晶體的外殼，陶粒內(nèi)部呈現(xiàn)黑色，并且具有很多氣孔，如圖3所示。

3.5.2XRD衍射試驗

XRD衍射圖譜如圖4所示。

結(jié)果表明：燒制的建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的主要礦物成分有石英(SiO2)、黏土類高嶺石(Al2[Si2O5]·(OH)4)、莫來石(Al6Si2O13)、方解石(CaCO3)及赤鐵礦(Fe2O3)等，并且雜峰比較多，含有許多非晶質(zhì)的煤。

3.6 結(jié)論

以建筑垃圾為主要原料，水稻秸稈為輔助原料。經(jīng)過單因素試驗、原料配比試驗以及正交設(shè)計試驗，分析試驗結(jié)果以及相關(guān)試驗現(xiàn)象，得出以下結(jié)論：

1)建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的最佳原料配比為7∶3，最佳煅燒工藝：煅燒溫度為1 150 ℃，煅燒時間為5 min，預(yù)熱溫度為500 ℃，預(yù)熱時間為20 min。

2)引起陶粒膨脹反應(yīng)的氣體為建筑垃圾里的碳酸鹽分解產(chǎn)生的二氧化碳、水稻秸稈燃燒產(chǎn)生的一氧化碳及二氧化碳、氧化鐵被還原產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳。

3)煅燒過程盡量快速升溫，緩慢升溫的情況下水稻秸稈直接完全燃燒不能引起料球膨脹，同時料球其他材料會在煅燒的過程中占據(jù)秸稈的位置，最終使燒制的陶粒內(nèi)部孔隙不明顯。

4)燒制的陶粒成品表觀密度為1 165 kg/m3，1 h吸水率為6.3%，達到試驗預(yù)期。