申请日2014.10.24
公开(公告)日2015.02.18
IPC分类号C04B33/132; C04B38/06
摘要
本发明公开了一种利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，包括如下步骤：(1)混料：先将粘土、城市污泥和造孔剂进行预处理，然后将预处理后的城市污泥进行二次处理，再将预处理后的粘土、造孔剂和二次处理后的城市污泥按一定比例混合，得到混合料;所述混合料中，粘土添加的重量份为50~80份，城市污泥添加的重量份为20~50份，造孔剂的添加量为粘土和城市污泥总重的5~20%;(2)将所述混合料先后进行粗练、陈腐、练泥、成型、干燥、烧成后即得成品。本发明方法的城市污泥利用率高、安全无毒、制得的多孔陶瓷具有良好的抗压强度和较低的导热系数。
权利要求书
1.一种利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)混料：先将粘土、城市污泥和造孔剂进行预处理，然后将预处理后的城市污泥进行二次处理，再将预处理后的粘土、造孔剂和二次处理后的城市污泥按一定比例混合，得到混合料;所述混合料中，粘土添加的重量份为50~80份，城市污泥添加的重量份为20~50份，造孔剂的添加量为粘土和城市污泥总重的5~20%;
(2)将所述混合料先后进行粗练、陈腐、练泥、成型、干燥、烧成后即得成品。
2.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述造孔剂为锯末、煤粉和淀粉中任一种或一种以上混合物。
3.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述烧成的条件是：烧成温度950~1050℃，保温时间60~120min。
4.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述城市污泥预处理，是将城市污泥与除臭剂混合陈放7~10天后暴晒、烘干、粉磨、过0.6mm筛;所述除臭剂为硝酸钙。
5.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述二次处理，是先将预处理后的部分城市污泥在500~550℃下预烧20~40min，然后与未预烧的城市污泥按1：1的重量比混合。
6.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述粗练的时间为1.5~2h，保持混合料含水率16~22%。
7.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述陈腐的时间为3~5天。
8.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述练泥时间为1h左右，保持混合泥料含水率12~18%。
9.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述成型，是对混合料使用20~30MPa的压力压制成型。
10.根据权利要求1所述的利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述干燥，是将压制成型的坯体自然风干后，于100~110℃下烘干10~12h。
说明书
利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法
技术领域
本发明属于污泥再利用技术领域，特别涉及一种利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料 的方法。
背景技术
作为现代城市之肾，污水处理厂不仅净化水源，也产生了城市污泥。城市污泥安 全使用是一种有益资源，在建筑建材、农业、能源、生物等领域可以取得较好的经济 效益;处理不当将产生严重的后果，造成重金属富集、空气污染等恶劣的二次污染。 通常，城市污泥的循环利用需要达到以下几个最基本的要求：减量化，城市污泥含水 率较高、体积疏松、占地面积大，采用常规运输的方式需要较高的运输成本。通过减 量这一步的处理，能有效的减去污泥所含的水份，缩减体积，方便长距离运输与资源 化处理;稳定化和无害化，污泥的组成复杂，含有许多的致病碳氢有机物、病毒、细 菌和重金属等，易威胁到人类健康与环境保护。且污泥组成易随地区的变化而改变。 污泥堆置时，会释放出二噁英、硫化氢等有毒物质，污染环境造成危害。
广西“十一五”期间已经新建了69座污水处理厂，城市污水处理总量迅猛增至 405.4万m3/d，污水厂产生的固体废弃物城市污泥，将成为继污水处理之后，环境保 护中新出现的另一大难题。城市污泥组分复杂，含有大量致病细菌、病毒和重金属， 且其含水率高不易于长距离运输。以南宁市为例，原污水处理能力约为44万m3/d， 经过扩建及技术改造后，污水处理总能力达到80万m3/d，按污泥占污水比例的 0.3～0.5%，由此增加的污泥可达0.8～1.6万m3/d。该市原有利用污泥生产有机肥、卫 生填埋等处理措施难以满足需要，进一步研究污泥资源化、稳定化、安全化的利用方 式迫在眉睫。
污泥由硅、铝、钾、钙、氧等元素构成基本组分，但是也存在铜、锌、镍等少量 重金属及一些致病物质，正是这些有害物质成为了限制污泥循环利用的主要障碍。当 前污泥的资源化利用研究主要集中在农业土地堆肥和新型建筑材料研发，传统的投 海、卫生填埋由于土地匮乏及严重的二次污染越来越受到限制。农业利用主要把污泥 当做一种有机化肥来使用，经过堆肥处理的污泥含有植物营养和少量的矿物质，适当 用于农业生产，可显著提高作物的产量和品质。但是，近年来伴随检测技术的发展， 污泥农用容易受到重金属的影响。建材利用是当今污泥资源化研究的热点，主要集中 在制砖、水泥、陶粒等领域，工艺方式有直接利用和焚烧过后利用，这种处置方法能 妥善处理污泥中的有害物质，比如致病有机物、细菌和重金属等，不足之处在于污泥 的掺量低、消耗大量能源，高温时放出加剧温室效应的氮氧化物。
多孔陶瓷材料是指材料拥有较高的机械强度、化学稳定性、尺寸稳定性以及耐腐 蚀、耐高温等性能，又具有多孔材料孔洞率高、密度低、较低的导热系数的新型材料。 陶瓷材料经过烧结之后一般密度较大，难以具有质轻保温隔热的性能，因此需要采取 人工造孔的方法，提高孔隙率，降低密度，把陶瓷材料与多孔材料的优越隔热保温效 果相结合。陶瓷多孔材料常见的造孔工艺有有机泡沫浸渍造孔法、添加造孔剂造孔法、 烧结造孔法以及发泡造孔法等。
关于利用城市污泥制备多孔陶瓷的研究，我们查到如下期刊文献：《城市污泥制 备多孔陶瓷填料的试验研究》，成岳等，中国陶瓷，第47卷第9期，2011年9月，起 止页码：48-53页。该文献公开了以城市污泥12～20%、石英24～40%、涂装废水絮凝 污泥20～30%为主要原料，煤炭20～30%为造孔剂，焙烧温度为1230～1250℃，保温 时间30min烧制多孔陶瓷填料。但该文献仍存在我们上述提到的，城市污泥的利用率 低，能源消耗大。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料 的方法，该方法的城市污泥利用率高、安全无毒、制得的多孔陶瓷材料具有良好的抗 压强度和较低的导热系数。
为实现本发明的目的，本发明提供以下技术方案：
一种利用城市污泥烧制多孔陶瓷材料的方法，包括如下步骤：
(1)混料：先将粘土、城市污泥和造孔剂进行预处理后，然后将预处理后的城 市污泥进行二次处理，再将预处理后的粘土、造孔剂和二次处理后的城市污泥按一定 比例混合，得到混合料;所述混合料中，粘土添加的重量份为50～80份，城市污泥添 加的重量份为20～50份，造孔剂的添加量为粘土和城市污泥总重的5～20%;
(2)将所述混合料先后进行粗练、陈腐、练泥、成型、干燥、烧成后即得成品。
以上所述造孔剂为锯末、煤粉和淀粉中任一种或一种以上混合物。
以上所述烧成的条件是：烧成温度950～1050℃，保温时间60～120min。在此温度 范围内成色较好，温度较低于950℃时试块呈现出的颜色较淡说明欠烧。烧成温度高 于1050℃时由于试块的收缩率过大，试块容易出现变形、开裂等不良现象。
以上所述城市污泥预处理，是将城市污泥与除臭剂混合陈放7～10天后经暴晒、 烘干、粉磨、过0.6mm筛;所述除臭剂为硝酸钙。具体步骤为：1m3复合污泥用硝酸 钙12～20kg，硝酸钙用水配制成质量百分比为40%的溶液，然后与湿污泥拌合后，加 盖(或覆膜)陈放7～10天，
以上所述二次处理，是先将预处理后的部分污泥在500～550℃下预烧20～40min， 然后与未预烧的城市污泥按1：1的重量比混合。经过预烧，污泥中原本含有的大量 不稳定组分在预烧时发生分解，体积稳定性增加，在压制过程中不会因为污泥掺量过 高而在试块表面产生裂缝，造成坯体质量下降，且城市污泥经过预烧，可以提高掺量 到50%。研究发现城市污泥掺量大于50%时，泥料的可塑度下降明显，试块难以成型， 制作时保水性差，易开裂，烧成之后表面更是出现较多裂缝，严重影响陶瓷材料的性 能。
以上所述粗练的时间为1.5～2h，保持混合料含水率16～22%。
以上所述陈腐的时间为3～5天。
以上所述练泥时间为1h左右，保持混合泥料含水率12～18%。含水率较低于12% 时，料坯不易成型，表面容易出现细裂纹;而含水率高于18%时，料坯容易被压变形， 脱模时造成试块开裂。
以上所述成型，是对混合泥料使用20～30MPa的压力压制成型。高于30MPa压制 的试块，表面容易出现裂纹，用低于20MPa的成型压力又不易压制强度较高的试块， 所以适宜的成型压力在20～30MPa之间。
以上所述干燥，是将压制成型的坯体自然风干后，于100～110℃下烘干10～12h。
以上所述粘土和造孔剂的预处理，为本领域的常规处理方法，即干燥、粉磨、过 筛。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明的城市污泥利用率可达到20～50%，大大提高了污泥的利用率，符合循 环经济的要求。
2.本发明通过对城市污泥进行除臭、烘干等预处理，可以降低城市污泥资源化 利用过程中对环境产生的危害。
3.本发明所选用的造孔剂，可提高陶瓷的孔隙率至40～46%，降低表观密度至 1.54～1.60g·cm-3，提高隔热保温性能。通过本发明方法制得的多孔陶瓷，具有良好的 抗压强度(10～15MPa)、较低的导热系数(0.55～0.96W·(m-1·k-1))，且本发明的烧 成温度较低，符合节约能源的要求，因此具有十分重要的应用意义。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不局限于 实施例所表示的范围。
实施例中所用的城市污泥，由琅东污泥和江南污泥按1:1重量组成。
琅东污泥取自南宁市琅东污水处理厂，该厂采用二级活性污泥法，通过两级沉淀 池的沉淀过程，利用微生物的分解作用对城市中的有机成分进行降解，处理的污水来 源主要为城市生活污水及少量工业污水。该污水含泥量较低、重金属及放射性组分少， 新鲜的琅东污泥呈深黑色，粘稠状，暴露在空气中15min左右后变为灰色，含水率在 32.4～37.3%之间，PH为7，热值为2076.1kJ·kg-1。
江南污泥来自于南宁市江南污水处理厂，有机质含量比琅东污泥低，颜色较浅， 含水率在27.3～34.0%之间，热值均为1524.0kJ·kg-1，都低于琅东污泥，其PH为7。
两种污泥在自然状态下散发出微弱的腐臭味，少量污泥堆积不会引起人的反感; 但是在加热到300℃时，会放出大量的刺激性气体，导致严重的空气污染。
本发明所用原料化学成分检测如表1所示
表1原料化学成分
原料名称 Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 总和 埌东污泥 46.33 30.75 10.79 5.01 2.26 2.83 97.97 江南污泥 40.9 33.04 10.73 6.08 3.85 0.84 95.44 粘土 9.28 60.98 18.12 8.11 0.92 1.20 98.61
一、原料预处理
1.城市污泥预处理
硝酸钙用量是1m3城市污泥用硝酸钙12～20kg，首先将硝酸钙用水配制成质量百 分比为40%的溶液，然后与城市污泥拌合后，加盖(覆膜)陈放3天后检查除臭效果， 观察污泥的颜色及其它物理性能的变化。
经过上述处理后的污泥再陈放7d，在太阳下暴晒，待水分降至10%时，在105 ℃继续烘干干燥。用球磨机对烘干的污泥粉磨半个小时，过0.6mm筛，加盖保存，作 为污泥原料之一。
2.粘土预处理：所用的粘土呈黄白色，表观密度为2.61g·cm-3，在105℃下干燥 后，粉磨30min，过0.6mm筛，作为粘土原料。
3.造孔剂主要有锯末、煤粉和淀粉。锯末采购自木材加工厂，买回来之后，先烘 干，再用振动磨粉磨;煤粉为无烟煤;淀粉为市售纯淀粉。所有造孔剂干燥粉磨之后 全部过0.6mm筛，然后再用0.15mm的筛测试筛余量，其中淀粉、煤粉、锯末的筛余 量为依次为10.3%、35.8%、70.6%。
二、制备
1.混料：先将粘土、城市污泥和造孔剂进行预处理，然后将预处理后的城市污泥 进行二次处理，再将预处理后的粘土、造孔剂和二次处理后的城市污泥按一定比例混 合，得到混合料;混合料中，粘土添加的重量份为50～80份，城市污泥添加的重量份 为20～50份，造孔剂的添加量为粘土和城市污泥总重的5～20%;
2.粗练：把各种原料倒入混料机中，先干混30min左右,然后再加入干混料重 16-22%的水继续进行搅拌1.5-2h。
3.陈腐：把经过粗练的混合料放入池中盖好，陈腐3-5天。
4.练泥：取出陈腐后的混合料再次练泥1h得到混合好的泥料，期间保持混合泥料 含水率在12～18%之间。在练泥过程中，伴随污泥掺量的增加，混合料保持良好的可 塑性所需的水分也相应增加。
5.成型：对混合泥料使用20～30MPa的压力压制成型。
6.干燥：压制成型后的坯体自然风干至表面泛白后，置于100-110℃温度下烘干 10～12h。
7.烧成：将干燥后的试块于温度950～1050℃下焙烧，保温60～120min，即得成品。
8.二次处理：先将部分经除臭预处理后的城市污泥在500～550℃下预烧20～40min， 然后与未预烧的城市污泥按1：1的重量比混合。