專利名稱:一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法
技術領域:
本發明涉及一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法,屬與資源(土地、礦產)、環保(有毒有害物排放)、能源(建筑物節能降耗)和新材料多學科交叉技術領域。
背景技術:
粉煤灰作為燃煤電廠排出的固體廢棄物,其對環境的污染是多方面的。粉煤灰的處置及加工利用過程中,其中富集的有害元素可通過各種方式侵入環境,危害生物及人體健康。貯存在灰場的粉煤灰,水分一旦蒸發,遇到四級以上的風力就可將表層灰粒剝離揚棄,揚灰高度可達40-50m,不僅影響能見度,而且在潮濕環境中會對建筑物、露天雕塑品等 表面造成腐蝕。粉煤灰對水體的污染主要是電廠直接向水域排灰。粉煤灰進入水體,形成沉淀物、懸浮物、可溶物等物質而使水濁度增加,惡化水質。粉煤灰被大量貯存堆放,不僅占用耕地,污染環境,而且危害人體的健康和生態環境,因此研究和重視粉煤灰資源的綜合利用,對構建資源節約型、環境友好型社會十分必要。可見,開展粉煤灰的綜合利用具有重要的環境保護價值和經濟效益。赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁過程中產生的固體廢棄物,是一種不溶性殘渣。根據煉鋁方法不同,赤泥可以分為燒結法、拜耳法和聯合法赤泥。赤泥的主要成分有Si02、CaO、Al2O3等。一般赤泥顆粒中含有大量的強堿性物質,還含有氟、鋁及其他多種有害物質。我國從鋁土礦提煉氧化鋁的主要方法是燒結法和聯合法,這兩種工藝產生的赤泥的成分較為類似,主要有硅酸二鈣及其水合物。國外則多為拜耳法赤泥,其中主要含有赤鐵礦、鋁硅酸鈉水合物。到目前為止,大部分赤泥未得到充分利用和處置,被長期堆存在赤泥池中,不僅占用大量土地,耗費較多的堆場建設和維護管理費用,而且含堿廢液污染地表、地下水源,造成自然生態環境嚴重破壞,直接危害人們的健康。綜合治理和利用赤泥,已經成為氧化鋁工業一項亟待解決的課題。隨著環境保護意識的加強,赤泥利用已經引起國內外的普遍重視。目前,全世界許多國家都在積極尋找對策,力求得到更有效的赤泥處理技術和方法。利用赤泥制備生產新型材料——赤泥粉煤灰基泡沫陶瓷,可在很大程度上提高赤泥的利用率,是一個被看好的解決赤泥資源利用問題的新途徑。《中國資源綜合利用技術政策大綱》已將提高廢棄物資源化水平作為“十二五”期間資源綜合利用的重點推進領域,重點在排放量大、堆存量大、污染嚴重的固體廢棄物大宗利用和高附加值利用。建筑材料業是大宗利用工業廢渣的最佳選擇。目前國內已有對于赤泥粉煤灰綜合利用的專利,中國專利(申請號200610128450. 4)“赤泥粉煤灰免燒磚”,中國專利(申請號200910092222. X) “一種赤泥粉煤灰免燒地質聚合物材料及其制備方法”,在這兩項專利中,均使用了工業固體廢渣赤泥和粉煤灰作為原料,但其工業廢渣總添加量有限,不足以大規模消耗廢渣。并且目前國內外尚沒有綜合利用赤泥粉煤灰為原料制備泡沫陶瓷的專利,本專利正彌補了這一不足
發明內容
本發明的目的在于提供一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法,以大量消耗工業固體廢渣(主要是粉煤灰和赤泥),同時又能開發出氣孔率高,抗壓強度、抗彎強度好,具有優良的力學性能的高附加值泡沫陶瓷產品,從而使得集資源的合理利用、變廢為寶、節約土地、降低企業廢渣維護成本、減少廢渣中有毒有害物質對環境的污染及實現建筑物的節能降耗為一體成為可能。一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷,包括下述組分,按質量百分比組成粉煤灰20_40wt%,赤泥30_50wt%,碳酸鈣10_25wt%,硼砂5_20wt%。 本發明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,包括下列步驟第一步配料、制坯按設計的泡沫陶瓷組份配比,取過300目篩的赤泥、粉煤灰原料及化學分析純級碳酸I丐、硼砂原料,混合均勻,制成混合料;向混合料中加入占混合料質量l_10wt%的粘接齊U,攪拌均勻后壓制成塊狀坯料;第二步燒制將第一步制得的塊狀坯料以3°C /min-5°C /min的升溫速率加熱至800°C -950°C進行燒結,保溫0. 5-3h后;隨爐冷卻到室溫,即制得粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷。本發明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,所述粘接劑為聚乙烯醇。本發明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,壓制壓力為20MPa 25MPa。本發明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,所述燒結采用箱式電阻爐或陶瓷燒結爐。本發明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,制備的泡沫陶瓷氣孔率可高達69%,抗彎強度達可高達8. 05MPa,抗壓強度可高達11. 04MPa。本發明由于采用上述組分配比及制備工藝方法,在樣品燒結過程中碳酸鈣分解釋放出了二氧化碳氣體,大量的氣體在基體內形成氣孔。樣品燒結過程中生成硬度較大的鈣鐵礦和藍方石等礦物,雖然其強度受氣孔的影響較大,但抗彎強度仍可達到8. 05MPa,抗壓強度可高達11. 04MPa。多孔性使得材料具備一定的隔熱、隔音、隔聲性能。與已有技術相比,本發明的特點在于I)粉煤灰中主要成分是SiO2和Al2O3,赤泥中主要成分是CaO,屬于一種富氧化鈣礦渣,兩種礦渣正好在成分上互補,形成CaO-Al2O3-SiO2系陶瓷。前者賦予燒結制品的高強度、高化學穩定性,后者賦予燒結制品相對低的燒成溫度。2)泡沫陶瓷中粉煤灰和赤泥工業廢渣的消耗量達到70wt%,廢渣耗量大,有著重大的環境效益。3)泡沫陶瓷中含有大量氣孔,從而賦予其優良的隔熱(夏天)、保溫(冬天)和隔音功能。4)泡沫陶瓷經過了高溫燒結,成份間產生化學結合,使得這種泡沫陶瓷有高的強度和耐高溫性能;同時,使得這種泡沫陶瓷在使用過程中有高的化學穩定性,不會產生新的
二次污染。5)本發明涉及的一種工業廢渣基高強度、高氣孔率泡沫陶瓷,所需制備條件簡單且易操作,成本低,主要是以工廠棄置的粉煤灰、赤泥為原料,所制備的泡沫陶瓷材料綜合性能優良;既可大量消耗工業固體廢渣,又可獲得高附加值、多功能制品。綜上所述,本發明提出了一種粉煤灰、赤泥綜合利用的新途徑,粉煤灰、赤泥類廢渣引入量達到了 70wt%或70wt%以上,既可大量消耗工業固體廢渣,又可實現建筑物的節能降耗。對于資源的合理利用、變廢為寶、節約土地、降低企業廢渣維護成本、減少廢渣中有毒有害物質對環境的污染,都具有非常重要的社會意義和經濟效益。適于工業化應用。
附圖I為本發明實施例I制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖2為本發明實施例2制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖3為本發明實施例3制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖4為本發明實施例1、2、3制備的泡沫陶瓷的XRD圖譜。附圖5為本發明實施例4制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖6為本發明實施例5制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖7為本發明實施例6制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖8為本發明實施例7制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖9為本發明實施例8制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖10為本發明實施例9制備的泡沫陶瓷的SEM照片。由圖1、2、3可見,本發明制得的泡沫陶瓷中粉煤灰、赤泥的相對含量對產品氣孔率的影響很大,在赤泥20wt%,粉煤灰50wt%時,氣孔較大;在赤泥30wt%,粉煤灰40wt%時,氣孔分布較均勻,并且氣孔直徑都較小,氣孔率較高;在赤泥40wt%,粉煤灰30wt%時,得到的產品氣孔直徑小,氣孔率相對較低。由圖4可見,本發明制得的泡沫陶瓷主晶相主要是鈣鐵榴石(Ca3Fe2(SiO4)3)和藍方石(Kh6Ca2.4Na4.32(AlSi04)6(S04)3),在赤泥20wt%,粉煤灰50wt%中,出現鈣長石(CaAl2Si2O8);當赤泥30wt%,粉煤灰40wt%時,主要是鈣鐵榴石和藍方石兩種晶相;在赤泥40wt%,粉煤灰30wt%時,主晶相仍然是鈣鐵榴石和藍方石,但有霞石相出現。由圖5、6、7可見,本發明中制得的泡沫陶瓷,在赤泥30wt%,粉煤灰40wt%時,保溫時間對氣孔的大小及分布影響很大。在保溫時間0. 5h時,氣孔直徑相對較小;在保溫時間Ih時,氣孔直徑較大、分布也較均勻;在保溫時間3h時,氣孔直徑相對較大。由圖8、9、10可見,本發明中制得的泡沫陶瓷中硼砂、碳酸鈣的相對含量對樣品影響很大,在硼砂含量較低,碳酸鈣含量較高時(圖8,A7),樣品不易軟化,由碳酸鈣分解出的氣體不易溢出,在內部形成一些孔徑相對較小的氣孔。在硼砂含量較高,碳酸鈣含量較低時(圖10,A9),樣品的軟化溫度明顯降低,氣體較易溢出坯體,并且在內部形成孔徑相對較大的氣孔。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明,但不應以此限制本發明的保護范圍。實施例I (編號Al):原料配比(質量比)為赤泥20wt%,粉煤灰50wt%,硼砂15wt%,碳酸鈣15wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度800°C,保溫2h。經試驗檢測結果其氣孔率59%,抗壓強度12. 09MPa,抗彎強度3. 08MPa。實施例2 (編號A2):原料配比(質量比)為赤泥30wt%,粉煤灰40wt%,硼砂15wt%,碳酸鈣15wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度800°C,保溫2h。經試驗檢測結果其氣孔率64%,抗壓強度13. 21MPa,抗彎強度7. 05MPa。實施例3 (編號A3):原料配比(質量比)為赤泥40wt%,粉煤灰30wt%,硼砂15wt%,碳酸鈣15wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度800°C,保溫2h。經試驗檢測結果其氣孔率59%,抗壓強度16. OlMPa,抗彎強度8. 04MPa。
實施例4 (編號A4):原料配比(質量比)為赤泥30wt%,粉煤灰40wt%,硼砂15wt%,碳酸鈣15wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度900°C,保溫0. 5h。經試驗檢測結果其氣孔率57%,抗壓強度13. 5MPa,抗彎強度11. 09MPa。實施例5 (編號A5):原料配比(質量比)為赤泥30wt%,粉煤灰40wt%,硼砂15wt%,碳酸鈣15wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度900°C,保溫lh。經試驗檢測結果其氣孔率69%,抗壓強度11. 04MPa,抗彎強度8. 05MPa。實施例6 (編號A6):原料配比(質量比)為赤泥30wt%,粉煤灰40wt%,硼砂15wt%,碳酸鈣15wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度900°C,保溫3h。經試驗檢測結果其氣孔率59%,抗壓強度13. 45MPa,抗彎強度9. 20MPa。實施例7 (編號A7):原料配比(質量比)為赤泥25wt%’粉煤灰45wt%,硼砂8wt%’碳酸鈣22wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度950°C,保溫lh。經試驗檢測結果其氣孔率52%,抗壓強度13. 5MPa,抗彎強度10. 42MPa。實施例8 (編號A8):原料配比(質量比)為赤泥25wt%’粉煤灰45wt%,硼砂13wt%,碳酸鈣17wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度950°C,保溫lh。經試驗檢測結果其氣孔率57%,抗壓強度12. 86MPa,抗彎強度8. 24MPa。實施例9 (編號A9):原料配比(質量比)為赤泥25wt%,粉煤灰45wt%,硼砂18wt%,碳酸鈣12wt%,升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結溫度950°C,保溫lh。經試驗檢測結果其氣孔率60%,抗壓強度12. 41MPa,抗彎強度6. 4MPa。由以上可知,本發明制備的高強度高氣孔率泡沫陶瓷,其氣孔率60%左右,抗壓強度達到IOMPa以上,抗彎強度也基本上都達到8MPa以上,具有優良的力學性能。
權利要求
1.一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷,包括下述組分,按質量百分比組成 粉煤灰20-40wt%, 赤泥 30-50wt%, 碳酸鈣 10-25wt%, 硼砂 5-20wt%。
2.一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,包括下列步驟 第一歩配料、制坯 按設計的泡沫陶瓷組份配比,取過300目篩的赤泥、粉煤灰原料及化學分析純級碳酸I丐、硼砂原料,混合均勻,制成混合料;向混合料中加入占混合料質量l_10wt%的粘接劑,攪拌均勻后壓制成塊狀坯料; 第二步燒制 將第一步制得的塊狀坯料以3°c /min-5°c /min的升溫速率加熱至800°C _950°C進行燒結,保溫O. 5-3h后;隨爐冷卻到室溫,即制得粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷。
3.根據權利要求2所述的ー種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,其特征在干所述粘接劑為聚こ烯醇。
4.根據權利要求3所述的ー種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,其特征在于壓制壓カ為20MPa 25MPa。
5.根據權利要求4所述的ー種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,其特征在于所述燒結采用箱式電阻爐或陶瓷燒結爐。
6.根據權利要求2-5任意一項所述的一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法,其特征在于制備的泡沫陶瓷氣孔率高達69%,抗彎強度達高達8. 05MPa,抗壓強度高達 11.04MPa。
全文摘要
一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法,是將赤泥、粉煤灰過300目篩后與碳酸鈣、硼砂和聚乙烯醇粘接劑混合、研磨,制成配合料,然后壓制成塊狀坯體;將成型后的塊狀坯體置于燒結爐中進行燒結,在燒結過程中形成分布均勻的氣孔,冷卻到室溫后得到高強度高氣孔率的工業廢渣基泡沫陶瓷。泡沫陶瓷中大量氣孔的存在賦予其優良的隔熱(夏天)、保溫(冬天)和隔音功能,高溫燒結過程中的化學結合又使得這種泡沫陶瓷有高的強度和耐高溫性能。這種泡沫陶瓷的制備工藝簡單,燒結溫度低,生產成本低,粉煤灰和赤泥總引入量達到70wt%或70wt%以上,可大量消耗粉煤灰、赤泥類工業廢渣,可廣泛應用于建筑物頂層(隔熱、保溫)、室內非承重墻(隔熱、保溫、隔音)及室內外墻(隔熱、保溫),使用過程中不再產生新的工業廢渣,屬環保型多功能建筑材料。
文檔編號C04B33/138GK102731138SQ20121024647
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月17日 優先權日2012年7月17日
發明者劉宏偉, 劉清, 盧安賢, 羅志偉, 肖重德, 胡曉林, 陳興軍, 陳波 申請人:中南大學, 湖南億泰環保科技股份有限公司