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陶粒制备工艺:知其所以然!

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2020/5/20     浏览次数:    
1 烧结陶粒工艺
调节陶粒原料成分至设定成分并加入辅料,经破碎—混料—造球—干燥—烧结—冷却,产出陶粒成品。常见烧结陶粒工艺流程图如图 1所示
图 1 烧结陶粒基本工艺流程

通过烧结陶粒工艺制备陶粒,可以由成分、烧结温度与时间的不同,产出两种性质差异较大的陶粒产品,在焙烧温度较低(一般为950~1 100 ℃),焙烧时间较短时产出的陶粒表面粗糙,有很多细微气孔,比表面积大,膨胀系数小,密度偏高,硬度一般,具有很好的吸附性;在焙烧温度较高(一般大于1 100 ℃),焙烧时间长时产出的陶粒表面由一层釉质层包裹,具有很高的硬度,内部呈多孔蜂窝状,膨胀系数大,密度小,物理化学性质稳定,具有很好的隔绝性能,是一种极佳的轻质骨料。

2 免烧陶粒工艺
原料、辅料与胶凝材料经破碎,磨矿,混匀后造球成型,再经养护后即可得到成品免烧陶粒。常见免烧陶粒工艺流程如图 2所示
图 2 免烧陶粒基本工艺流程

与烧结陶粒工艺相比,免烧陶粒没有焙烧流程,取而代之的是养护流程,对能源的消耗会大大减少。免烧陶粒在养护的过程中会产生气泡并发生凝结,使免烧陶粒强度增加体积膨胀。但由于膨胀机制的不同,免烧陶粒的强度与膨胀系数现阶段仍劣于烧结陶粒,并且原料成本相对较高。

3 陶粒制备原理
陶粒制备的原理是在不同条件下,陶粒生球会发生不同的物理与化学行为,使得陶粒形成特殊的结构,达到所需要的功能。由制备工艺的不同,陶粒可被细分为烧结陶粒、膨胀陶粒、烧结陶粒滤料、免烧陶粒、免烧陶粒滤料五类,具体的原理如表 4所示。
表 4 各类型陶粒的制备原理与主要特征


固废陶粒的研究进展
陶粒的原料最初是黏土页岩等,由于黏土页岩的不可再生性,黏土陶粒和页岩陶粒正逐渐淡出市场。陶粒原料对成分的质量要求为:SiO2 53%~79%,Al2O3 12%~16%,熔剂氧化物8%~24%[26]。在此范围内均可烧成具有膨胀性的陶粒。部分固体废弃物由于其成分符合或者接近陶粒生产所需成分,从理论上可以作为陶粒的原料,这些固废包含煤矸石、粉煤灰、部分废石尾矿、污泥、赤泥等,具体研究总结如表 5所示。总体看来,能作为陶粒原料的固废成分不尽相同,但大体上具有一致性:主要成分为SiO2、Al2O3,另外还含有钙、铁、钾、钠、镁和少量重金属物质等。

表 5 固废制备陶粒的研究现状

作为陶粒基体材料的固废在成分上与陶粒原料所需成分相接近,但又各有偏差,需与其他粉料掺配以达到适当的成分,才能制备指标优良的陶粒。粉煤灰的成分与陶粒原料所需成分极为契合,其主要成分为SiO2含量52%~65%,Al2O3含量16%~36%,除此之外还有Fe2O3、CaO、Na2O、MgO、TiO2等,因此粉煤灰陶粒制备过程中仅添加少量粉煤灰、废渣等。其他类型的固废由于成分与陶粒原料所需成分契合度稍差,为了调整成分配比,在制作陶粒时大都掺加了黏土、页岩、粉煤灰等不可再生材料或价格偏贵的原料,某些固废陶粒中黏土掺加量甚至超过50%,这使得在消纳固废的同时也消耗了大量黏土、页岩等不可再生资源,在某种程度上不符合绿色工业与可持续发展的要求。其中也有部分学者仅使用多种固废进行配比以达到陶粒原料的要求,并制得指标良好的陶粒。郭夙琛[73]等使用石英尾矿、水处理厂污泥、河道底泥与浮选脱硫废渣烧制出强度为5.11 MPa,吸水率为11.7%,堆积密度为913 kg/m3的陶粒,虽只满足1000级工业废渣陶粒标准,但是一次不错的尝试;魏国侠[56]等采用疏浚污染底泥与垃圾焚烧灰混合烧制陶粒,最佳条件下烧制的陶粒筒压强度为4.56 MPa、吸水率为15.3%,堆积密度为735 kg/m3,且符合重金属浸出标准;符勇[74]等利用焦作市三大固体废物赤泥、铝土尾矿、污泥烧制陶粒,烧制出符合国家标准的700级高强陶粒与900级高强陶粒,最大筒压强度为16.19MPa。

固废制备的陶粒密度普遍偏高,密度等级多为600级与700级甚至更高等级,少有小于500级的超轻陶粒。密度偏高会限制陶粒在轻质材料方向的应用,限制陶粒的销出途径,同时高密度的陶粒价格低廉,产品附加值低。

中建三局蔡爽]等以东湖淤泥为基本原料制备了两种不同类型的陶粒:超轻陶粒和高强陶粒,最终制得了表观密度为0.394 g/cm3、吸水率为13.89%、显孔隙率为5.47%的淤泥超轻陶粒和表观密度为1.032 g/cm3、吸水率3.87%、单颗粒强度8.16 MPa的淤泥-粉煤灰高强陶粒。

除了常见的陶粒外,近年来新兴陶粒研究也逐渐多了起来,例如相变储能陶粒、特性吸附陶粒、脱色陶粒、吸音陶粒、微生物载体陶粒[82]等。这些陶粒因为经过了特殊处理,所以具备这些特殊的功能。例如相变储能陶粒中封装了相变材料,特性吸附陶粒进行过表面改性或者加入表面涂层,脱色陶粒经历过活化处理,吸音陶粒表面孔结构进行过优化,微生物载体陶粒进行过表面改性。这些类型的陶粒生产量少,工艺复杂,价格高,陶粒高附加值化是未来陶粒研究的热点。
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