一种以污泥为原料制成的建筑材料及其制备方法

摘要

一种以污泥为原料制成的建筑材料及其制备方法，涉及一种建筑材料及其制备方法。现有污泥存在没有被有效利用的弊端。本发明提供一种以污泥为原料制成的建筑材料，它是由干污泥、粘土和粘结剂三种原料制备而成；制备过程包括对污泥进行干燥、破碎和筛分；按比例加入粘土、粘结剂和干污泥，成型；烧结；自然冷却。本发明所述建筑材料结构致密、硬度高、抗腐蚀、不易风化、使用寿命长，原料中的重金属不易析出，从而可以使该建筑材料在房屋、路面、桥梁等位置的施工中使用；本发明应用的都是遍布广泛的原料，价格低廉，所以建筑材料的整体成本降低，并且本发明所述制备方法时间较短，节约了能源，提高了工作效率，利于推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑材料及其制备方法。

背景技术

现在，污泥做为一种自然资源，并没有被有效利用；相反，在人们对水处理过程中产生的污泥还需要投加另外的费用进行处置，增加了人们的劳动负担和经济负担。对于污泥作为建筑材料使用的首要障碍是污泥内存在的重金属不容易被去除或不容易被固化，因为在以污泥为原料制备建筑材料的烧结过程中，重金属元素在材料中的转化是非常复杂的过程，可能发生颗粒物间的结合、气相金属在颗粒物表面的冷凝和扩散或金属蒸汽遇冷结核以及重金属之间或重金属元素与其他元素之间的化学反应等过程，这些过程不仅与重金属的性质有关，还与烧结炉内的气氛状态有关，所以即使人们试探着以污泥为原料制成建筑材料，也由于存在着污泥内的重金属易析出而无法使用，所以污泥这种自然资源一直不能被大规模的开发利用。中国专利申请号为02116671公开了一种“汞污泥转化处理制成的建筑材料及其制备方法”，该申请虽然公布了一种以污泥为原料制备建筑材料的方法，但由于该申请所用原料除了污泥外，还需要使用成本较高的砂及大量的催化凝固剂，所以建筑材料的整体成本较高，在实际使用上存在困难；另外，用该申请的制备方法制备建筑材料时间很长，所以整体效率降低；同时，该申请所应用的主要是汞污泥，而对于含有大量其他重金属成分的污泥则不具有应用价值。

发明内容

针对现有污泥没有被有效利用的弊端，本发明提供一种在保持建筑材料基本性能前提下，可以对重金属较好固化、可以降低成本又可以变废为宝的以污泥为原料制成的建筑材料及其制备方法。一种以污泥为原料制成的建筑材料，建筑材料是由干污泥、粘土和粘结剂三种原料制备而成，各原料的添加量分别为：粘土占干污泥质量的80～150％、粘结剂占干污泥质量的5～30％；将各原料按所述比例混合后，在700～1100℃条件下烧制10～30min；所述粘结剂为水玻璃；它的制备方法依次包括以下步骤：a.对污泥进行干燥、破碎和筛分；b.加入占干污泥质量80～150％的粘土和占干污泥质量5～30％的水玻璃作为粘结剂，与干污泥混合均匀后注入模具，振动挤压成型；c.烧结：先对成型材料进行干燥和预热，使其水分得到充分排除；然后在700～1100℃条件下进行焙烧10～30min；d.自然冷却至室温。一种以污泥为原料制成的建筑材料，建筑材料是由干污泥、粘土和粘结剂三种原料制备而成，各原料的添加量分别为：粘土占干污泥质量的300～400％、粘结剂占粘土质量的10～20％；将各原料按所述比例混合后，在900～1200℃条件下烧制15～35min，所述粘结剂为水玻璃；它的制备方法依次包括以下步骤：a.对污泥进行干燥、破碎和筛分；b.加入占干污泥质量300～400％的粘土、占粘土质量10～20％的水玻璃作为粘结剂，与干污泥混合均匀后注入模具，振动挤压成型；c.烧结：先对成型材料进行干燥和预热，使其水分得到充分排除；然后在900～1200℃条件下进行焙烧15～35min；d.自然冷却至室温。本发明所述建筑材料结构致密、硬度高、抗腐蚀、不易风化、使用寿命长，尤为可贵的是，使用本发明所述制备方法得到的建筑材料，原料中的重金属不易析出，从而可以使该建筑材料在房屋、路面、桥梁等位置的施工中使用；本发明应用的都是遍布广泛的原料，价格低廉，所以建筑材料的整体成本降低，并且本发明所述制备方法时间较短，节约了能源，提高了工作效率，利于推广应用。

附图说明

图1是具体实施方式一中的烧成温度与建筑材料的绝对浸出量的关系曲线图，图2是具体实施方式一所述建筑材料在25℃恒温下在浸出液中振荡12h时pH值与建筑材料中重金属Cr⁶⁺浸出量的关系曲线图，图3是具体实施方式一所述建筑材料在氧化剂H₂O₂浓度递增时重金属浸出量的曲线示意图，图4是具体实施方式一所述建筑材料中不同重金属Cr⁶⁺添加量的X射线衍射分析图，图5是具体实施方式二中的烧成温度与建筑材料的绝对浸出量的关系曲线图，图6是具体实施方式二所述建筑材料在25℃恒温下在浸出液中振荡12h时pH值与建筑材料中重金属Cr⁶⁺浸出量的关系曲线图，图7是具体实施方式二所述建筑材料在氧化剂H₂O₂浓度递增时重金属浸出量的曲线示意图，以上各图中，—◆—是1#(0)试验曲线，—■—是2#(100mg/kg)试验曲—▲—线，—▲—是3#(250mg/kg)试验曲线，是4#(500mg/kg)试验曲线，是5#(1000mg/kg)试验曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种以污泥为原料制成的建筑材料，建筑材料是由干污泥、粘土和粘结剂三种原料制备而成，各原料的添加量分别为：粘土占干污泥质量的80～150％、粘结剂占干污泥质量的5～30％；将各原料按所述比例混合后，在700～1100℃条件下烧制10～30min；所述粘结剂为水玻璃；它的制备方法依次包括以下步骤：

a.对污泥进行干燥、破碎和筛分；

b.加入占干污泥质量80～150％的粘土和占干污泥质量5～30％的水玻璃作为粘结剂，与干污泥混合均匀后注入模具，振动挤压成型；

c.烧结：先对成型材料进行干燥和预热，使其水分得到充分排除；然后在700～1100℃条件下进行焙烧10～30min；

d.自然冷却至室温。

具体实施方式二：本实施方式为一种以污泥为原料制成的建筑材料，建筑材料是由干污泥、粘土和粘结剂三种原料制备而成，各原料的添加量分别为：粘土占干污泥质量的300～400％、粘结剂占粘土质量的10～20％；将各原料按所述比例混合后，在900～1200℃条件下烧制15～35min，所述粘结剂为水玻璃；它的制备方法依次包括以下步骤：

a.对污泥进行干燥、破碎和筛分；

b.加入占干污泥质量300～400％的粘土、占粘土质量10～20％的水玻璃作为粘结剂，与干污泥混合均匀后注入模具，振动挤压成型；

c.烧结：先对成型材料进行干燥和预热，使其水分得到充分排除；然后在900～1200℃条件下进行焙烧15～35min；

d.自然冷却至室温。

具体实施方式三：本实施方式建筑材料中，各原料的添加量分别为：粘土占干污泥质量的100％、粘结剂占干污泥质量的10％；将各原料按所述比例混合后，在900℃条件下烧制30min。

具体实施方式四：本实施方式建筑材料中，各原料的添加量分别为：粘土占干污泥质量的130％、粘结剂占干污泥质量的25％；将各原料按所述比例混合后，在1100℃条件下烧制20min。

只体实施方式五：本实施方式建筑材料中，各原料的添加量分别为：粘上占干污泥质量的320％、粘结剂占粘土质量的12％；将各原料按所述比例混合后，在1000℃条件下烧制30min。

具体实施方式六：本实施方式建筑材料中，各原料的添加量分别为：粘十占干污泥质量的380％、粘结剂占粘土质量的18％；将各原料按所述比例混合后，在1150℃条件下烧制20min。

下面是发明人所做的对本发明建筑材料中重金属析出程度的试验。

对建筑材料中重金属析出程度的分析方法：

试验中选用自行定义的两个指标——浸出率和有效固化率来表示建筑材料对重金属的固化作用，计算公式如下：

试验中采用的污泥为实验室培养的生活污泥，Cr⁶⁺含量在5mg Cr⁶⁺/kg干污泥以下，为了验证准确的析出程度，发明人在污泥中依次加入相当于100、250、500、1000mg Cr⁶⁺/kg干污泥含量的Cr⁶⁺，试验采用配制的Cr⁶⁺溶液与生活污泥混合，充分搅拌，在105℃干燥至恒重，制出含有Cr⁶⁺的干污泥，此时污泥中重金属总量已知，用本发明所述方法烧制出建筑材料，然后对样品进行浸出试验。

本发明试验了在两种配方的建筑材料的原料中人为的加入重金属Cr⁶⁺，考察了烧制温度、pH值和氧化环境对建筑材料中重金属的影响，并且对加入重金属之后的建筑材料晶体结构进行XRD分析，得出结论如下：

对具体实施方式一所述建筑材料：

(1)5种样品1#(0)，2#(100mg/kg)、3#(250mg/kg)、4#(500mg/kg)、5#(1000mg/kg)中重金属Cr⁶⁺的浸出率都是随着烧成温度的提高而逐渐减小；有效固化率随着烧成温度的提高而逐渐变大；绝对浸出量都是随着烧成温度的提高而逐渐减小。图1是烧成温度与建筑材料的绝对浸出量的关系曲线图。前面所述“mg/kg”是Cr⁶⁺与干污泥的质量比。

(2)5种样品重金属浸出率在低pH条件下，浸出率明显小于高pH值条件；有效固化率在低pH值时要好于高pH值时；浸出量是低pH值时要小于高pH值时。图2是建筑材料在25℃恒温下在浸出液中振荡12h时pH值与建筑材料中重金属Cr⁶⁺浸出量的关系曲线图。

(3)建筑材料的1#、2#、3#、4#和5#样品重金属Cr⁶⁺的浸出率曲线变化趋势基本一致，在氧化剂H₂O₂浓度为1mol/L时，各样品的浸出率达到最大值；在氧化剂H₂O₂浓度为1mol/L时，有效固化率和浸出量分别达到最小值和最大值。图3是建筑材料在氧化剂H₂O₂浓度递增时重金属浸出量的曲线示意图。

(4)通过对具体实施方式一所述建筑材料的XRD分析，参照图4，5种样品以氧化物和硅酸盐晶体为主，建筑材料中的铬以铬的氧化物结构存在，建筑材料对重金属铬的固化作用十分理想。

对具体实施方式二所述建筑材料：

(1)5种样品1#(0)，2#(100mg/kg)、3#(250mg/kg)、4#(500mg/kg)、5#(1000mg/kg)中重金属Cr⁶⁺的浸出率都是随着烧成温度的提高而逐渐减小；有效固化率随着烧成温度的提高而逐渐变大；浸出量都是随着烧成温度的提高而逐渐减小。图5是烧成温度与建筑材料的绝对浸出量的关系曲线图。前面所述“mg/kg”是Cr⁶⁺与干污泥的质量比。

(2)具体实施方式二所述建筑材料5种样品重金属浸出率在pH＝2和pH＝3时，5种样品出现浸出率最小值，有效固化率和浸出量分别达到最大值和最小值。图6是建筑材料在25℃恒温下在浸出液中振荡12h时pH值与建筑材料中重金属Cr⁶⁺浸出量的关系曲线图。

(3)具体实施方式二所述建筑材料的1#、2#、3#、4#和5#样品重金属Cr⁶⁺的浸出率曲线变化趋势基本一致，建筑材料的1#、2#、3#、4#和5#样品重金属Cr⁶⁺的浸出率曲线变化趋势基本一致，在氧化剂H₂O₂浓度为1mol/L时，各样品的浸出率达到最大值；氧化剂H₂O₂浓度为1mol/L时，有效固化率和浸出量分别达到最小值和最大值。图7是建筑材料在氧化剂H₂O₂浓度递增时重金属浸出量的曲线示意图。

(4)通过对具体实施方式二所述建筑材料的XRD分析，在1000℃时，5种样品检出建筑材料中的铬主要以ZnCrO₄结构存在，在建筑材料中加入重金属Cr⁶⁺不会影响建筑材料对重金属的固化作用。