申請日2014.10.24
公開(公告)日2015.02.18
IPC分類號C04B33/132; C04B38/06
摘要
本發明公開了一種利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，包括如下步驟：(1)混料：先將粘土、城市污泥和造孔劑進行預處理，然后將預處理后的城市污泥進行二次處理，再將預處理后的粘土、造孔劑和二次處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，粘土添加的重量份為50~80份，城市污泥添加的重量份為20~50份，造孔劑的添加量為粘土和城市污泥總重的5~20%;(2)將所述混合料先后進行粗練、陳腐、練泥、成型、干燥、燒成后即得成品。本發明方法的城市污泥利用率高、安全無毒、制得的多孔陶瓷具有良好的抗壓強度和較低的導熱系數。
權利要求書
1.一種利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，包括如下步驟：
(1)混料：先將粘土、城市污泥和造孔劑進行預處理，然后將預處理后的城市污泥進行二次處理，再將預處理后的粘土、造孔劑和二次處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，粘土添加的重量份為50~80份，城市污泥添加的重量份為20~50份，造孔劑的添加量為粘土和城市污泥總重的5~20%;
(2)將所述混合料先后進行粗練、陳腐、練泥、成型、干燥、燒成后即得成品。
2.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述造孔劑為鋸末、煤粉和淀粉中任一種或一種以上混合物。
3.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述燒成的條件是：燒成溫度950~1050℃，保溫時間60~120min。
4.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述城市污泥預處理，是將城市污泥與除臭劑混合陳放7~10天后暴曬、烘干、粉磨、過0.6mm篩;所述除臭劑為硝酸鈣。
5.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述二次處理，是先將預處理后的部分城市污泥在500~550℃下預燒20~40min，然后與未預燒的城市污泥按1：1的重量比混合。
6.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述粗練的時間為1.5~2h，保持混合料含水率16~22%。
7.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述陳腐的時間為3~5天。
8.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述練泥時間為1h左右，保持混合泥料含水率12~18%。
9.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述成型，是對混合料使用20~30MPa的壓力壓制成型。
10.根據權利要求1所述的利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，其特征在于：所述干燥，是將壓制成型的坯體自然風干后，于100~110℃下烘干10~12h。
說明書
利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法
技術領域
本發明屬于污泥再利用技術領域，特別涉及一種利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料 的方法。
背景技術
作為現代城市之腎，污水處理廠不僅凈化水源，也產生了城市污泥。城市污泥安 全使用是一種有益資源，在建筑建材、農業、能源、生物等領域可以取得較好的經濟 效益;處理不當將產生嚴重的后果，造成重金屬富集、空氣污染等惡劣的二次污染。 通常，城市污泥的循環利用需要達到以下幾個最基本的要求：減量化，城市污泥含水 率較高、體積疏松、占地面積大，采用常規運輸的方式需要較高的運輸成本。通過減 量這一步的處理，能有效的減去污泥所含的水份，縮減體積，方便長距離運輸與資源 化處理;穩定化和無害化，污泥的組成復雜，含有許多的致病碳氫有機物、病毒、細 菌和重金屬等，易威脅到人類健康與環境保護。且污泥組成易隨地區的變化而改變。 污泥堆置時，會釋放出二噁英、硫化氫等有毒物質，污染環境造成危害。
廣西“十一五”期間已經新建了69座污水處理廠，城市污水處理總量迅猛增至 405.4萬m3/d，污水廠產生的固體廢棄物城市污泥，將成為繼污水處理之后，環境保 護中新出現的另一大難題。城市污泥組分復雜，含有大量致病細菌、病毒和重金屬， 且其含水率高不易于長距離運輸。以南寧市為例，原污水處理能力約為44萬m3/d， 經過擴建及技術改造后，污水處理總能力達到80萬m3/d，按污泥占污水比例的 0.3～0.5%，由此增加的污泥可達0.8～1.6萬m3/d。該市原有利用污泥生產有機肥、衛 生填埋等處理措施難以滿足需要，進一步研究污泥資源化、穩定化、安全化的利用方 式迫在眉睫。
污泥由硅、鋁、鉀、鈣、氧等元素構成基本組分，但是也存在銅、鋅、鎳等少量 重金屬及一些致病物質，正是這些有害物質成為了限制污泥循環利用的主要障礙。當 前污泥的資源化利用研究主要集中在農業土地堆肥和新型建筑材料研發，傳統的投 海、衛生填埋由于土地匱乏及嚴重的二次污染越來越受到限制。農業利用主要把污泥 當做一種有機化肥來使用，經過堆肥處理的污泥含有植物營養和少量的礦物質，適當 用于農業生產，可顯著提高作物的產量和品質。但是，近年來伴隨檢測技術的發展， 污泥農用容易受到重金屬的影響。建材利用是當今污泥資源化研究的熱點，主要集中 在制磚、水泥、陶粒等領域，工藝方式有直接利用和焚燒過后利用，這種處置方法能 妥善處理污泥中的有害物質，比如致病有機物、細菌和重金屬等，不足之處在于污泥 的摻量低、消耗大量能源，高溫時放出加劇溫室效應的氮氧化物。
多孔陶瓷材料是指材料擁有較高的機械強度、化學穩定性、尺寸穩定性以及耐腐 蝕、耐高溫等性能，又具有多孔材料孔洞率高、密度低、較低的導熱系數的新型材料。 陶瓷材料經過燒結之后一般密度較大，難以具有質輕保溫隔熱的性能，因此需要采取 人工造孔的方法，提高孔隙率，降低密度，把陶瓷材料與多孔材料的優越隔熱保溫效 果相結合。陶瓷多孔材料常見的造孔工藝有有機泡沫浸漬造孔法、添加造孔劑造孔法、 燒結造孔法以及發泡造孔法等。
關于利用城市污泥制備多孔陶瓷的研究，我們查到如下期刊文獻：《城市污泥制 備多孔陶瓷填料的試驗研究》，成岳等，中國陶瓷，第47卷第9期，2011年9月，起 止頁碼：48-53頁。該文獻公開了以城市污泥12～20%、石英24～40%、涂裝廢水絮凝 污泥20～30%為主要原料，煤炭20～30%為造孔劑，焙燒溫度為1230～1250℃，保溫 時間30min燒制多孔陶瓷填料。但該文獻仍存在我們上述提到的，城市污泥的利用率 低，能源消耗大。
發明內容
本發明的目的在于解決上述技術問題，提供一種利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料 的方法，該方法的城市污泥利用率高、安全無毒、制得的多孔陶瓷材料具有良好的抗 壓強度和較低的導熱系數。
為實現本發明的目的，本發明提供以下技術方案：
一種利用城市污泥燒制多孔陶瓷材料的方法，包括如下步驟：
(1)混料：先將粘土、城市污泥和造孔劑進行預處理后，然后將預處理后的城 市污泥進行二次處理，再將預處理后的粘土、造孔劑和二次處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，粘土添加的重量份為50～80份，城市污泥添 加的重量份為20～50份，造孔劑的添加量為粘土和城市污泥總重的5～20%;
(2)將所述混合料先后進行粗練、陳腐、練泥、成型、干燥、燒成后即得成品。
以上所述造孔劑為鋸末、煤粉和淀粉中任一種或一種以上混合物。
以上所述燒成的條件是：燒成溫度950～1050℃，保溫時間60～120min。在此溫度 范圍內成色較好，溫度較低于950℃時試塊呈現出的顏色較淡說明欠燒。燒成溫度高 于1050℃時由于試塊的收縮率過大，試塊容易出現變形、開裂等不良現象。
以上所述城市污泥預處理，是將城市污泥與除臭劑混合陳放7～10天后經暴曬、 烘干、粉磨、過0.6mm篩;所述除臭劑為硝酸鈣。具體步驟為：1m3復合污泥用硝酸 鈣12～20kg，硝酸鈣用水配制成質量百分比為40%的溶液，然后與濕污泥拌合后，加 蓋(或覆膜)陳放7～10天，
以上所述二次處理，是先將預處理后的部分污泥在500～550℃下預燒20～40min， 然后與未預燒的城市污泥按1：1的重量比混合。經過預燒，污泥中原本含有的大量 不穩定組分在預燒時發生分解，體積穩定性增加，在壓制過程中不會因為污泥摻量過 高而在試塊表面產生裂縫，造成坯體質量下降，且城市污泥經過預燒，可以提高摻量 到50%。研究發現城市污泥摻量大于50%時，泥料的可塑度下降明顯，試塊難以成型， 制作時保水性差，易開裂，燒成之后表面更是出現較多裂縫，嚴重影響陶瓷材料的性 能。
以上所述粗練的時間為1.5～2h，保持混合料含水率16～22%。
以上所述陳腐的時間為3～5天。
以上所述練泥時間為1h左右，保持混合泥料含水率12～18%。含水率較低于12% 時，料坯不易成型，表面容易出現細裂紋;而含水率高于18%時，料坯容易被壓變形， 脫模時造成試塊開裂。
以上所述成型，是對混合泥料使用20～30MPa的壓力壓制成型。高于30MPa壓制 的試塊，表面容易出現裂紋，用低于20MPa的成型壓力又不易壓制強度較高的試塊， 所以適宜的成型壓力在20～30MPa之間。
以上所述干燥，是將壓制成型的坯體自然風干后，于100～110℃下烘干10～12h。
以上所述粘土和造孔劑的預處理，為本領域的常規處理方法，即干燥、粉磨、過 篩。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
1.本發明的城市污泥利用率可達到20～50%，大大提高了污泥的利用率，符合循 環經濟的要求。
2.本發明通過對城市污泥進行除臭、烘干等預處理，可以降低城市污泥資源化 利用過程中對環境產生的危害。
3.本發明所選用的造孔劑，可提高陶瓷的孔隙率至40～46%，降低表觀密度至 1.54～1.60g·cm-3，提高隔熱保溫性能。通過本發明方法制得的多孔陶瓷，具有良好的 抗壓強度(10～15MPa)、較低的導熱系數(0.55～0.96W·(m-1·k-1))，且本發明的燒 成溫度較低，符合節約能源的要求，因此具有十分重要的應用意義。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式并不局限于 實施例所表示的范圍。
實施例中所用的城市污泥，由瑯東污泥和江南污泥按1:1重量組成。
瑯東污泥取自南寧市瑯東污水處理廠，該廠采用二級活性污泥法，通過兩級沉淀 池的沉淀過程，利用微生物的分解作用對城市中的有機成分進行降解，處理的污水來 源主要為城市生活污水及少量工業污水。該污水含泥量較低、重金屬及放射性組分少， 新鮮的瑯東污泥呈深黑色，粘稠狀，暴露在空氣中15min左右后變為灰色，含水率在 32.4～37.3%之間，PH為7，熱值為2076.1kJ·kg-1。
江南污泥來自于南寧市江南污水處理廠，有機質含量比瑯東污泥低，顏色較淺， 含水率在27.3～34.0%之間，熱值均為1524.0kJ·kg-1，都低于瑯東污泥，其PH為7。
兩種污泥在自然狀態下散發出微弱的腐臭味，少量污泥堆積不會引起人的反感; 但是在加熱到300℃時，會放出大量的刺激性氣體，導致嚴重的空氣污染。
本發明所用原料化學成分檢測如表1所示
表1原料化學成分
原料名稱 Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 總和 埌東污泥 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、原料預處理
1.城市污泥預處理
硝酸鈣用量是1m3城市污泥用硝酸鈣12～20kg，首先將硝酸鈣用水配制成質量百 分比為40%的溶液，然后與城市污泥拌合后，加蓋(覆膜)陳放3天后檢查除臭效果， 觀察污泥的顏色及其它物理性能的變化。
經過上述處理后的污泥再陳放7d，在太陽下暴曬，待水分降至10%時，在105 ℃繼續烘干干燥。用球磨機對烘干的污泥粉磨半個小時，過0.6mm篩，加蓋保存，作 為污泥原料之一。
2.粘土預處理：所用的粘土呈黃白色，表觀密度為2.61g·cm-3，在105℃下干燥 后，粉磨30min，過0.6mm篩，作為粘土原料。
3.造孔劑主要有鋸末、煤粉和淀粉。鋸末采購自木材加工廠，買回來之后，先烘 干，再用振動磨粉磨;煤粉為無煙煤;淀粉為市售純淀粉。所有造孔劑干燥粉磨之后 全部過0.6mm篩，然后再用0.15mm的篩測試篩余量，其中淀粉、煤粉、鋸末的篩余 量為依次為10.3%、35.8%、70.6%。
二、制備
1.混料：先將粘土、城市污泥和造孔劑進行預處理，然后將預處理后的城市污泥 進行二次處理，再將預處理后的粘土、造孔劑和二次處理后的城市污泥按一定比例混 合，得到混合料;混合料中，粘土添加的重量份為50～80份，城市污泥添加的重量份 為20～50份，造孔劑的添加量為粘土和城市污泥總重的5～20%;
2.粗練：把各種原料倒入混料機中，先干混30min左右,然后再加入干混料重 16-22%的水繼續進行攪拌1.5-2h。
3.陳腐：把經過粗練的混合料放入池中蓋好，陳腐3-5天。
4.練泥：取出陳腐后的混合料再次練泥1h得到混合好的泥料，期間保持混合泥料 含水率在12～18%之間。在練泥過程中，伴隨污泥摻量的增加，混合料保持良好的可 塑性所需的水分也相應增加。
5.成型：對混合泥料使用20～30MPa的壓力壓制成型。
6.干燥：壓制成型后的坯體自然風干至表面泛白后，置于100-110℃溫度下烘干 10～12h。
7.燒成：將干燥后的試塊于溫度950～1050℃下焙燒，保溫60～120min，即得成品。
8.二次處理：先將部分經除臭預處理后的城市污泥在500～550℃下預燒20～40min， 然后與未預燒的城市污泥按1：1的重量比混合。
