燒脹赤泥陶粒的制備

1、第28卷第2期2008年5月桂林工學院學報JournalofGuilinUniversityofTechnologyVol128No12May2008文章編號:1006-544X(2008)02-0196-04燒脹赤泥陶粒的制備謝襄漓,王林江,趙建新,周靜abaa(桂林工學院a1材料與化學工程系;b1有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室,廣西桂林541004)摘要:探討了以赤泥為主要原料制備輕質燒脹陶粒的方法:在入爐溫度800、燒結溫度1200、保溫時間10min條件下用自然冷卻和快速冷卻方式分別制備出膨脹率160%、吸水率14%210MPa和膨脹率175%、吸水率7%、筒壓強度312MP

2、a料和建筑工程材料。關鍵詞:赤泥;燒脹陶粒;膨脹率;筒壓強度中圖分類號:TQ174176;X7581目前,與此同時,在氧化鋁生產(chǎn)過程中排出的固體粉狀廢棄物大量堆積,使生產(chǎn)企業(yè)付目前全世界80多個大型氧化鋁廠每年排放的赤泥1超過6600萬t。我國僅五大氧化鋁生產(chǎn)基地(山用于各種工程建筑材料;另一方面,輕質球形陶粒具有掛膜性好、水流阻力小和易清洗等特點,在水處理工程中也獲得大量應用。在陶粒制備方陶粒的研究報道10-13出高昂的赤泥排放費用并對環(huán)境造成嚴重污染。面,有一些以粘土巖、粉煤灰等為原料制備輕質,而以氧化鋁工業(yè)廢渣赤泥為主要原料制備輕質陶粒的研究卻少見報道。東、貴州、河南、山西、廣西)每年排

3、放的赤泥量就超過600多萬t,累積赤泥堆存量高達5000萬t。氧2%,一個年產(chǎn)100萬t的氧化鋁廠每5年就需要1km的土地來堆放赤泥22,31原料及試驗赤泥取自廣西平果鋁業(yè)公司拜爾法生產(chǎn)氧化鋁工藝的副產(chǎn)品。其主要化學成分:Fe2O325152%,CaO24129%,Al2O320170%,SiO2916%,Na2O1196%。赤泥的主要礦物有赤鐵礦、針鐵礦、水化鋁廠用于赤泥堆放的費用占氧化鋁價格的1%111試驗原料。赤泥的開發(fā)利用已成為氧化鋁工業(yè)急待解決的重要問題。自有了氧化鋁工業(yè)以來,世界各國專家對赤泥開發(fā)利用就開始了探索,近年來更是引起高度重視。目前對赤泥的開發(fā)利用研究主要包括下述鉭、鈦4

4、化石榴石、一水硬鋁石、含水硅鋁酸鈉、鈣鈦礦、羥鈣石、方解石等。赤泥顆粒比較細,主要分布方面:一是回收赤泥中的有價組分如鎵、鈧、鈮、在216m(約占80%)范圍內,比表面積為;二是將赤泥作為大宗材料的原料,整5,67108m/g。2體加以綜合利用,主要用作建筑材料的原料三是制備環(huán)境修復材料7-9;就制備燒脹陶粒的化學成分要求而言,平果鋁拜爾法赤泥中Fe、Ca、Al含量偏高,而Si含量較低,故以添加碎玻璃來提高硅的含量。所用碎玻璃的化學成分:SiO29211%,Al2O3114%,Fe2O3015%,Na2O211%。在工業(yè)固體廢棄物的開發(fā)利用方面,陶粒占有非常重要的位置:以其密度小、工程造價低、

5、保溫隔熱性能好、防火防凍、耐化學細菌作用、抗震等性能而被廣泛應收稿日期:2007-04-03基金項目:國家自然科學基金資助項目(40672026);新材料及其制備新技術廣西重點實驗室開放基金資助項目(桂科能063006-5C-10)作者簡介:謝襄漓(1963-),女,實驗師,分析化學專業(yè)。第2期謝襄漓等:燒脹赤泥陶粒的制備197其他配料包括膨潤土、粘結劑等。112陶粒的制備方法為了更多地利用赤泥,配料化學成分組成已靠近Riley三角圖核心膨脹區(qū)的邊緣,位于其右下部。輕質陶粒的制備主要包括原料準備、干燥、配料的主要化學組成與天然粘土存在較大區(qū)別,粉碎、混合、造粒、煅燒和冷卻等過程。以赤泥和硅石為

6、主要原料,添加相應的調節(jié)劑,參考SiO2-Al2O3-溶劑三元法原料化學成分Riley三角溶劑含量偏高而硅含量偏低。高的溶劑含量有利于降低燒結溫度和改變SiO2-Al2O3-Flux圖中可膨脹區(qū)域的范圍。3、4、5號樣品也獲得了較好的燒脹效果,只是由于液相粘度偏低、熔融范圍較形進行配料,并混配均勻以保證產(chǎn)物具有良好的淀粉,用模擬圓盤成球機的手工方法成球造粒,成型球粒直徑510mm,自然干燥24h,后在干燥箱中于100干燥24h,使造粒料含水在3%10%。將烘干的生陶粒置于爐溫為750850的馬弗爐中,升溫。然后在11001250煅燒530min,冷卻。燒脹性。分別加入15%20%的水和少量膨潤

7、土、窄,煅燒溫度不易控制。2結果與討論2111。其化學成分組成特征是SiO225%45%,Al2O312%16%,(CaO+Fe2O3)30%40%。原料的配比對陶粒的圖1原料成分組成三角圖Fig11Ternaryplotofrawmaterials212煅燒制度21211進料溫度在原料溫度升高過程中導致氣成型起著決定性作用。就成型而言,赤泥本身不具有塑性和粘結性,必須添加一定量的粘結劑才能成型和具有干燥強度。在原料中添加膨潤土和淀粉后,所制備的生陶粒就具有較好的成型性和干燥強度。表1試驗原料配比Table1RatioofrawmaterialswB/%樣號12345體產(chǎn)生的過程是:原料中的吸

8、附水在100開始揮發(fā);含硫氣體在400左右揮發(fā);粘土中結晶水的釋放溫度是600左右;碳酸鹽礦物從700開始分解反應并產(chǎn)生CO2;而由Fe2O3與碳作用產(chǎn)生CO2氣體的有關反應發(fā)生在1100左右。因此,如果物料入爐時溫度過低,在原料內部和外表面都將經(jīng)歷相同的溫度升高過程,在氣體產(chǎn)生時表面還沒有來得及形成玻璃化狀態(tài),從而導致氣體的逸出。如果溫度太高,原料中的水分在短時間內揮發(fā)產(chǎn)生的大量氣體可能導致陶粒爆裂。對于赤泥陶粒的燒脹試驗,起主要膨脹作用的氣體來自于Fe2O3與碳反應產(chǎn)生的CO2氣體。試驗所采用的進料溫度為600、750、800、850、900,并于1200煅燒10min。在600的物料入爐

9、溫度下樣品的膨脹效果普遍不好,750850的進料溫度有利于在原料表面迅速形成玻璃化和產(chǎn)生多或少存在開裂現(xiàn)象。理后,分別在溫度1100、1150、1180、1200、1230、1250、1280煅燒10min,快速冷卻。試驗表明赤泥7570656055碎玻璃1520253035添加劑1010101010原料配比也決定陶粒的燒脹性能,一般認為,陶粒的膨脹須具備兩個基本條件:一是原料組成中含有熔融溫度下產(chǎn)生氣體的組分;二是高溫下能生成粘度足夠大、不使氣體逸出的熔融相。一般認為粘土形成燒脹陶粒的化學成分條件是原料Na2O、MgO等)最好位于如圖1所示的區(qū)域。天然70%,Al2O310%25%,溶劑8%

10、25%。由于的進料溫度下樣品表面或中的SiO2、Al2O3、溶劑組分(CaO、Fe2O3、K2O、較好的膨脹效果,900燒成溫度將經(jīng)造粒的樣品按前述干燥處粘土膨脹性的化學成分基本特征是SiO245%21212所用原料赤泥的SiO2含量較低,溶劑含量偏高,198桂林工學院學報2008年表3不同保溫時間陶粒的膨脹率Table3Expandingrateofhayditeindifferentsinteringduration%樣品號345(表2),對于不同原料組成的陶粒,其煅燒膨脹溫度不同,膨脹溫度范圍是11501250:溫度過低,樣品基本不發(fā)生膨脹;過高的溫度則導致樣品熔融燒結。通過對煅燒條件的

11、控制,樣品膨脹率最高可以達到170%。表2不同溫度下陶粒的燒結性及膨脹率Table2Sinteringpropertyandexpandingrateofhayditeatdifferentsinteringtemperatures%樣品號12345保溫時間/min5657890101001401701512014517520100140145258610011030455670過程后,關閉電爐的電源,在電爐自然降溫過程中使陶粒冷卻。試驗表明自然冷卻會導致?lián)]發(fā)物部分通過陶粒表面擴散,在陶粒表面形成多孔狀結構,其最大膨脹率為160%,形成的陶粒吸水率為14%,筒壓強度210MPa,;175%,在

12、陶粒表面形成致密,陶粒吸水率7%,筒壓強度312MPa,適用于建筑陶粒。213陶粒微結構特征燒結溫度/110011501180120025301001401701230386011012013012503040801101401280欠燒欠燒欠燒欠燒欠燒欠燒欠燒欠燒2030欠燒欠燒8990100過燒過燒過燒過燒過燒21213保溫時間,3、4、5m自然冷卻,。結果表明,5min時,煅燒效果都不夠理想,出現(xiàn)不同程度的欠燒現(xiàn)象。過于短的煅燒時間使反應不完全,不能有效地產(chǎn)生氣體和發(fā)生膨脹。煅燒時間超過20min時,則由于過多玻璃相的產(chǎn)生,玻璃相充填部分孔隙,陶粒密度增加,也使陶粒的膨脹效果降低(表3)

13、。綜合上述情況,以1015min的保溫時間為宜。21214冷卻制度對樣品在進料溫度800、燒圖2是樣品在不同處理條件下的SEM圖片。其中圖2a、b分別是5號樣品1200煅燒10min快速冷卻和自然冷卻后的SEM照片,可以看出其他條件相同時快速冷卻產(chǎn)物中孔隙發(fā)育較完全,孔隙呈不規(guī)則均勻分布,孔徑50100m,孔的形狀不規(guī)則。而圖2c、d分別是3號樣品1180煅燒10min快速冷卻和自然冷卻后的SEM照片,圖2e、f分別是3號樣品1200煅燒5min、自然冷卻和1號樣品1200煅燒10min、自然冷卻的結溫度1200、保溫時間10min條件下采用了兩種冷卻方式:自然冷卻是陶粒完成燒結和保溫圖2陶粒

14、的SEM圖Fig12SEMimagesofsinteredhaydite第2期謝襄漓等:燒脹赤泥陶粒的制備199SEM圖片。由于配料中硅含量偏低和煅燒溫度偏低,其膨脹效果不夠理想。3結論利用氧化鋁工業(yè)排出的固體廢料,在硅含量較低的情況下,通過摻加適量的添加劑,借助原料中溶劑含量較高的特點,在特定工藝條件下可以得到燒脹赤泥輕質陶粒。陶粒的膨脹率達到160%175%,吸水率7%14%,筒壓強度210312MPa,顆粒密度為1100kg/m。作為對工業(yè)廢棄物的開發(fā)利用,不僅可以對自然陶粒資源的短缺提供補充,而且對工業(yè)廢棄物的處理提供一種經(jīng)濟可行的處理和回收方法,具有資源綜合利用和環(huán)境保護意義。3參考

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