固体废弃物作为多孔陶瓷造孔剂的研究进展*

刘俊荣

(佛山欧神诺陶瓷有限公司 广东 佛山 528138)

固体废弃物按其来源,可分为工业固体废物、矿业固体废物、城市固体废物(城市垃圾)、农业固体废物和放射性固体废物5类。近年来我国一般工业固废产生量基本在30亿t左右,2017年的工业固废产生量为33.16亿t,到2020年增至36.75亿t,2021年工业固废产生量超38亿t。工业固体废物污染防治关乎生态环境质量,基于此,国家相关部门出台了一系列政策。2021年3月发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》,要求到2025年,煤矸石、粉煤灰、尾矿(共伴生矿)、冶炼渣、工业副产石膏、建筑垃圾、农作物秸秆等大宗固废的综合利用能力显著提升,利用规模不断扩大,新增大宗固废综合利用率达到60%。

在固体废弃物中,粉煤灰、稻壳灰、高炉渣、抛光砖废料、污泥和赤泥等废料,由于具有与陶瓷原材料相似的化学成分,已被用于陶瓷生产[1～6]。笔者主要介绍将食品、农业和工业固体废弃物作为多孔陶瓷造孔剂的研究进展。

1 固体废弃物的性质

固体废弃物原料的元素组成见表1。

从表1可以看出,粘土的有机质含量较低,而有机废弃物中含有大量的碳和氢。由于化学降解和相应的气体释放,这些成分可以促进陶瓷在烧制或烧结过程中形成孔隙。此外,确定固体废弃物原料中的挥发性元素成分(例如氯和硫)至关重要,因为这些挥发性元素会影响工艺的稳定性,甚至腐蚀陶瓷窑炉。一般来说,硫的含量应低于0.09%,以避免损坏陶瓷窑炉。

固体废弃物原料的化学成分见表2。原料中的主要氧化物二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)之间的反应可形成稳定的莫来石晶相(3Al2O3·2SiO2)和硅线石晶相(Al2O3·SiO2),当固体废弃物原料中含有较高的SiO2含量时,也能提高多孔陶瓷产品的抗压强度。其他氧化物如Na2O、Fe2O3、CaO 和Mg O 可作为配方中的助熔剂,降低配方中粘土原料的熔点。

粘土原料和固体废弃物原料之间的另一个区别是它们的烧失量数值。粘土原料的烧失量为4.8%,而锯末的烧失量高达99%。高烧失量表明有机成分含量很高,这有助于提高陶瓷的孔隙率。除此之外,有些污泥、堆肥灰等废弃物的烧失量虽然很低,但是与不添加任何固体废弃物的陶瓷砖产品相比,添加了污泥、堆肥灰等废弃物能够增加孔隙的形成。

2 固体废弃物对多孔陶瓷性能的影响

固体废弃物制备多孔陶瓷工艺流程,如图1所示。

图1 固体废弃物制备多孔陶瓷的工艺流程图

多孔陶瓷的产品性能主要决定于产品中孔的形状,以及加入造孔剂的粒度。添加不同类型、含量和形状的固体废弃物原料会影响多孔陶瓷中孔隙的形成。多孔陶瓷中的孔隙有开孔和闭孔两种。这两种孔隙都会直接增加多孔陶瓷产品的吸水率。

开孔也称为互连孔,它会降低多孔陶瓷产品的抗压强度,并且增加产品隔热性能;闭孔也称为孤立孔隙,可以提高砖的抗压强度和导热系数。固体废弃物的另一个重要特性是粒度分布,固体废弃物的粒度分布会影响多孔陶瓷产品的孔隙率,以及多孔陶瓷产品的烧结温度。

固体废弃物制备多孔陶瓷的产品性能见表3。

表3 固体废弃物制备多孔陶瓷的产品性能

一般来说,废料的添加增加了陶瓷孔隙率并减轻其重量,从而提高了陶瓷的隔热性能。固体废弃物原料的利用,节约了生产成本,但是增加了固体废弃物预处理的成本、能源消耗以及设备成本,但是总体来说,固体废弃物制备多孔陶瓷可以实现食品、农业和工业废物零排放,减轻环境负担,固体废弃物作为造孔剂的多孔陶瓷具有较大的应用前景和可持续发展潜力。