一种利用相图研制污泥陶粒的方法

摘要

一种利用相图研制污泥陶粒的方法，涉及污泥陶粒的生产方法，先测定在污泥、粘土和粉煤灰中各氧化物的质量百分数；再计算出陶粒中采用的污泥、粘土和粉煤灰的投料质量百分比范围，并在此范围内设计陶粒的正交试验；选取陶粒的正交试验产品中符合标准质量指标的污泥、粘土和粉煤灰的投料配合比作为实际生产投料比；从正交试验配合比中计算污泥、粘土和粉煤灰形成的混合物中三元或者四元氧化物化学成分的含量，进而通过三元或者四元相图预测混合物的焙烧温度。采用本发明可针对不同批次的污泥、粘土和粉煤灰设计合适的投料配比和焙烧温度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用相图研制污泥陶粒的方法，属于建筑材料领域。 

背景技术

随着人口的增长、大工业化生产的进一步实施，水污染日益严重，为此，兴建了大批污水处理厂。污水处理后产生的污泥成分极其复杂，需要对污泥进行无害化处理。 

当前中国的陶粒主要以粘土陶粒为主，而粘土绝大部分取自于耕地，不符合可持续发展战略。因此以污水厂的污泥为主要原料，适量添加一些辅料作为添加剂，烧制成具有一定强度的污泥陶粒，满足了经济效益和环境效益。 

污泥、粉煤灰和粘土为原材料配制的生料球烧制陶粒轻骨料的过程主要分为以下4个阶段：自由水和结合水的析出过程、挥发分的析出和燃烧、 挥发分和固定碳的燃尽、残留物的燃烧和分解。以上工艺中，由于自由水和结合水的析出过程与残留物的燃烧和分解是吸热过程，需要加大外部供热， 而挥发分的析出和燃烧以及固定碳的燃尽都是放热过程， 可以充分利用坯料蕴含的热能并适当减小外部供热，降低能耗。因此采用污泥生产陶粒是一种污泥无害化的废物利用方式。 

由于各种污泥、粘土和粉煤灰中的成份不一致性，且各原料中氧化物有十种之多，而优质陶粒化学组成要求是：SiO₂：48%～79%；A1₂O₃：8%～25%；由CaO、MgO、Fe₂O₃、Na₂O和K₂O组成的氧化物溶剂总含量：8%～24%（以上含量指质量百分比）。如在制备污泥陶粒时还参照以往的经验进行配比生产时，则易出现每批次的污泥陶粒质量差异性大，甚至不能符合污泥陶粒产品的质量要求。 

发明内容

本发明的目的是针对不同批次的污泥、粘土和粉煤灰，为生产优质陶粒，设计合适的污泥、粘土和粉煤灰的投料配方的方法。 

     本发明的技术方案包括以下步骤： 

    1）对污泥、粘土和粉煤灰分别进行化学成分分析，测定在污泥、粘土和粉煤灰中各氧化物的质量百分数；

2）根据陶粒化学组成理论以及污泥、粘土和粉煤灰中各氧化物的质量百分比，将污泥、粘土和粉煤灰中占比最大的三种或者四种氧化物通过三元一次方程组或四元一次方程组的方法计算出陶粒中采用的污泥、粘土和粉煤灰的投料质量百分比范围，并在此范围内设计陶粒的正交试验；

3）选取陶粒的正交试验产品中符合标准质量指标的污泥、粘土和粉煤灰的投料配合比作为实际生产投料比；

4）从正交试验配合比中计算污泥、粘土和粉煤灰形成的混合物中三元或者四元氧化物化学成分的含量，进而通过三元或者四元相图预测混合物的最佳焙烧温度。

本发明在步骤1）中污泥、粘土和粉煤灰化学成分分析是根据国家标准(GB/T 20260-2006)通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES)测定污泥、粘土和粉煤灰中的Al₂O₃、Fe₂O₃、MnO、TiO₂、P₂O₅、MgO、CaO、K₂O和Na₂O等氧化物的质量百分比，根据国家标准（GB/T176-2008)通过氯化铵重量法测定污泥、粘土和粉煤灰中的SiO₂氧化物的质量百分比。 

    以相图和陶粒化学组成理论为理论指导，预测陶粒的熔点以及在烧制过程中形成的各种化合物： 

    由于经步骤1）分析后各原料中氧化物有十种之多，将污泥、粘土和粉煤灰中占比最大的三种或者四种氧化物换算成100%，就可近似成三元或者四元体系。

    根据陶粒化学组成理论以及污泥、粘土和粉煤灰中各氧化物的质量百分比，将污泥、粘土和粉煤灰中占比最大的三种或者四种氧化物通过三元一次方程组或四元一次方程组的方法计算出陶粒中采用的污泥、粘土和粉煤灰的投料质量百分比范围，并在此范围内进行正交试验。 

针对正交后选择三种或者四种主要氧化物计算出质量百分比。对照相应的三元体系或者四元体系相图，预测其熔点以及在烧制过程中形成的各种化合物。 

最后，根据国家标准( GB/T17431.2-2010)来测定各试验组取得的污泥陶粒的物理性能，包括松散容重、筒压强度、吸水率和软化系数等，从中选取最佳的污泥、粘土和粉煤灰的投料配合，并结合最佳焙烧温度，用于本批次实际生产。 

本发明针对不同原料批次进行生产，可获得优质、统一质量标准的污泥陶粒。 

附图说明

    图1为SiO₂-Al₂O₃-CaO的系统相图。 

具体实施方式

    一、利用相图研制污泥陶粒的生产配方及焙烧温度： 

对取得原料样品进行分析：根据国家标准(GB/T 20260-2006)通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES)测定原料样品污泥、粘土和粉煤灰中的Al₂O₃、Fe₂O₃、MnO、TiO₂、P₂O₅、MgO、CaO、K₂O和Na₂O等氧化物的质量百分比，根据国家标准（GB/T176-2008)通过氯化铵重量法测定污泥、粘土和粉煤灰中的SiO₂氧化物的质量百分比，如表1所示：

表1

 SiO₂Al₂O₃Fe₂O₃MnOTiO₂CaOMgOP₂O₅K₂ONa₂O>污泥%44.4711.674.930.170.636.192.6610.212.231.04粘土%65.1910.982.970.070.791.941.810.542.281.17粉煤灰%51.2528.372.0601.322.000.600.290.980.48

烧制优质陶粒的原材料化学组成要求：SiO₂:48%～79%；A1₂O₃:8%～25%；氧化物溶剂（由CaO、MgO、Fe₂O₃、Na₂O和K₂O组成）:8%～24%。

根据以上要求，设污泥的范围为X，粘土的范围为Y，粉煤灰的范围为Z，可以列出如下的三元一次方程组： 

    0.48≤0.4447X+0.6519Y+0.5125Z≤0.79 

    0.08≤0.1167X+0.1098Y+0.2837Z≤0.25 

    0.08≤0.1705X+0.1017Y+0.0666Z≤0.24 

    根据上述公式可以计算出污泥、粘土和粉煤灰在烧制优质污泥陶粒质量百分比的取值范围，从而可以设计如表2的配比。

 表2 

序号123因素名称污泥配比粉煤灰配比焙烧温度水平140%30%1120℃水平250%20%1160℃水平360%10%1200℃

    根据上述3因素3水平可以获得如下9组实验的正交表

    表3

因素污泥粉煤灰烧结温度烧结时间试验140%30%1120℃10min试验240%20%1160℃20min试验340%10%1200℃30min试验450%30%1160℃30min试验550%20%1200℃10min试验650%10%1120℃20min试验760%30%1200℃20min试验860%20%1120℃30min试验960%10%1160℃10min

根据表3配比，每组换算出各个氧化物百分比，选出主要的三个或者四个氧化物换算成100%。通过相图上的三元体系或者四元体系来预测此组污泥陶粒的焙烧温度，并可预测焙烧过程中生成的各种化合物。

以试验1为例，污泥、粉煤灰和粘土的混合投料质量比为40︰30︰30，混合后各氧物分别占比见表4。 

表4 

氧化物SiO₂Al₂O₃Fe₂O₃MnOTiO₂CaOMgOP₂O₅K₂ONa₂O>混合后%52.7216.4733.4810.0890.8853.6581.7874.3331.870.911

由上表可知含量最多的分别是SiO₂、Al₂O₃和CaO。污泥、粉煤灰和粘土混合后SiO₂、Al₂O₃和CaO的质量百分比分别为52.72%，16.473%，3.658%。换算成100%后，SiO₂、Al₂O₃和CaO的质量百分比分别为72%、23%和5%。

图1中， CS:CaSiO₃；C₃S₂:Ca₃Si₄O₇；C₂S:Ca₂SiO₄；C₃S:Ca₃SiO₅；C₃A:Ca₃Al₂O₆；C1₂A₇:Ca1₁₂Al₁₄O₃₃；CA:CaAl₂O₄；CA₂:CaAl₄O₇；CA₆:CaAl₁₂O₁₉；A₃S₂:Al₆Si₄O₁₃；CAS₂:CaAl₂Si₂O₈；C₂AS:Ca₂Al₂SiO₇。 

如图1中的O点即是试验1换算后SiO₂、Al₂O₃和CaO在SiO₂-Al₂O₃-CaO系统相图中呈现的点，熔点在1200℃到1400℃之间，焙烧过程可能形成的化合物有CA₂。 

由以上相图可得出结果： 

对于取得的原料样品，在生产污泥陶粒时，污泥、粉煤灰和粘土的混合投料质量比为40︰30︰30时，焙烧温度为1200℃～1400℃。

    二、按以上配方及焙烧温度进行实际生产： 

1、按物料配合比混合造粒：把污泥和粘土分别烘干，并磨细，将污泥、粘土和粉煤灰通过40目的筛孔，按照40︰30︰30的混合投料比将污泥、粉煤灰和粘土进行混合。

2、污泥陶粒的烧制：污泥陶粒的烧制要经历三个阶段，分别是干燥、预热和焙烧。其中焙烧温度为1200℃～1400℃。 

三、污泥陶粒的物理性能： 

根据规范《轻集料及其实验方法》（GB/T 17431.1-2010）测定实验1中污泥陶粒的松散容重，吸水率，筒压强度和软化系数所得数据如下表：

表5

组别松散容重（Kg/m³）吸水率(%)筒压强度（Mpa)软化系数满足级数实验1782>41.54.10.82800级