基于污泥制备特种陶瓷材料的可行性分析

刘 旭，刘运坤，丁 园

(南昌航空大学环境与化学工程学院，江西 南昌330063)

0 前言

据《中国城市建设统计年鉴》数据显示，2011年全国污泥产量近1 400万t，且这个数据还将逐年增加。如何妥善处置这些数量日益庞大、高度集中的有机固体废弃物，一直是全社会关注的问题。污泥中含有与粘土类似的硅酸盐成分，在一定条件下可替代部分粘土生产烧结砖和陶粒等建筑材料，这无疑为污泥找到了一个新的出路［1～3］。但由于烧结温度高(一般超过1 000℃)［4，5］，属高能耗生产，与节能减排的大趋势是格格不入的。

特种陶瓷(化学键合陶瓷)材料一般由胶凝材料、填充材料和激发剂等经过活化、复合和强化等过程制备而成，其衍生制品还能涵盖大量的建筑材料，因此在国民经济领域具有广阔的应用前景［6］。大量的研究结果表明［6～9］，上述3个组成要素都可以从不同性质的固体废弃物(如粉煤灰、矿渣、赤泥等)中获得，且复合过程一般在低于200℃的条件下完成。但利用污泥作为胶凝材料制备特种陶瓷的研究却鲜见报道。论文以南昌市某污水处理厂污泥为对象，探讨其作为特种陶瓷材料的可行性。在此基础上，分析城市污泥作为特种陶瓷制备的胶凝材料的活化条件。这对改善我国城市生态环境，完成“十二五”的节能减排目标有重要作用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试污泥取自南昌地区某污水处理厂的脱水污泥传送带上的当日新鲜样，每5 min采集1次、多次混合，污泥混合后，在阴凉处自然风干后，磨细，过100目尼龙筛，贮存备用。水泥材料为南方水泥生产的42.5普通硅酸盐水泥。材料的成分见表1。

表1 供试材料的成分/%

1.2 仪器设备

颚式破碎机、各种型号标准检验筛、天平、电热板、电热鼓风干燥箱、箱式电阻炉、水泥胶砂搅拌机、塑料模具、湿热养护箱、抗压、抗折试验机、原子吸收分光光度仪。

1.3 污泥活化条件

污泥的活化温度:600℃、700℃、800℃和900℃。活化时间30 min。

1.4 测定项目与评价方法

重金属测定:参考TCLP毒性浸出实验方法(美国EPASW-846)测定原始污泥的重金属Cu、Zn、Pb、Cd离子含量［10］。

抗压强度:按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T17671-1997)测定实验材料的抗压强度。

活化系数:将高温处理后的污泥粉磨后与42.5普通硅酸盐水泥混合(1∶1)，并以水泥为对照，计算活化系数(活化系数=混合样品的抗压强度/水泥的抗压强度)［11］。活化系数越大，说明污泥的活性越好。

2 结果与讨论

2.1 污泥制备特种陶瓷的可行性

如前所述，特种陶瓷由胶凝材料、激发剂和填充材料制备而成。由表1可知，供试污泥中SiO2和Al2O3的含量分别达到40.9%和14.7%，高于42.5级普遍水泥的含量，具备胶凝材料的特点。研究表明，大多数含有SiO2和Al2O3的高岭土材料应首先在高温下脱水活化转化成偏高岭土才能表现出良好的胶凝性［7］。

另一方面，2种或2种以上胶凝材料复合，比单一材料效果好［7，12～14］。如陆占清［7］通过实验发现，在胶凝材料中掺入20%粉煤灰时，能产生明显的减水效果，增加胶凝材料的塑性，改善成型性。

激发剂由碱及碱土金属的硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、硼酸盐、胺盐组合而成。大量文献资料表明，电石渣、硅渣、窑灰、磷石膏、氟石膏等混合可用作碱性激发剂［6，13］。在激发材料组成一定的情况下，材料的性能与激发剂的用量密切相关。

胶凝材料中适当加入骨料可以增强材料的作用效果。常用的骨料有矿渣、磷渣、石英砂等。骨料在起支撑作用的同时，参与胶凝材料的水化作用［14］。

污泥制备特种陶瓷材料的工艺与其它胶凝废料的制备工艺类似(图1)。方案的可行性主要受到污泥活性的影响以及活化后重金属浸出量的限制，即提高污泥的胶凝性能。固化其中重金属是污泥制备特种陶瓷的关键。

图1 污泥制备特种陶瓷工艺

2.2 污泥活化条件的确定

分别在600℃、700℃、800℃和900℃的温度下煅烧污泥30 min，比较污泥的活化系数(图2)。

图2 温度对污泥活化系数的影响

由图2可知，随着养护时间延长，污泥的活化系数越大，活化效果越好。温度对污泥的活化效果表现出先升后降的趋势。当温度升高到900℃时，由于发生烧结而影响了材料的活化性能。在600～800℃煅烧后，污泥Si、Al以偏高岭土的形式存在，即硅以四面体、铝以八面体的结构连接，且原子排列不规则，呈热力学介稳状态，使体系的反应活性增强。因此活化效果随着温度的增加而加强。在700℃和800℃时，污泥的活化系数差异不大，从节能角度出发，选择活化温度为700℃。

2.3 污泥重金属的浸出毒性

采用TCLP浸出法测定原始脱水污泥和700℃活化后污泥中重金属含量如表2所示。

表2 高温活化前后污泥中重金属离子浸出毒性/mg·L－1

由于供试脱水污泥的污水来源有生活污水和部分工业污水［15］，因此原始污泥中重金属离子Zn、Pb和Cd的最大浸出量均超过了固体废物浸出标准，Cu的最大浸出量也接近固体废物的浸出标准，说明污泥建材利用存在重金属浸出风险。由表3可知，活化后污泥中重金属的TCLP浸出量显著降低，低于固体废物的浸出标准。这主要是由于活化后污泥的胶凝性能提升，与水泥发生固化作用。

3 结论

污泥中含有大量的SiO2和Al2O3，经700℃高温活化后，具备了制备低温陶瓷材料的凝胶特性。活化后污泥中重金属Zn、Cu、Pb和Cd得到有效固化，其TCLP浸出量低于固体废物浸出标准。

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