基于实践育人的固体废弃物资源化实验设计——以“建筑固废工业副产石膏制备免烧砖”为例*

周 龙，马华菊，欧阳丹丽

(桂林理工大学 南宁分校，广西 南宁 530001)

“固体废弃物资源化实验”是为我校环境专业和资源循环科学与工程专业开设的一门综合性的实验课，其开设在第五学期，学生学完四大基础化学和固体废弃物资源化课程后，旨在使学生掌握常规的废弃物处理与资源化方法，培养学生的实验创新能力，引导学生将所学理论知识与生产实际相结合，运用理论指导解决实际问题，进而加深对“固体废弃物资源化”这门课程的理论理解。“高掺比建筑固废工业副产石膏制备免烧砖”实验，其来源于教师横向科研课题，在融入了“固体废弃物就是放错了地方的资源”这一课程思政理念的基础上设计。通过实验锻炼学生动手能力、创新思维、运用理论分析解决问题能力，潜移默化的加强学生的环保意思、节约意识以及资源循环利用意识。

1 设计背景及意义

2021年2月，《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》发布，要求建设资源综合利用基地，促进工业固体废物综合利用，资源循环利用和污染物集中安全处置等[1]。建筑固废和工业副产石膏作为大宗固废[2，3]，仅广西一地，2015年建筑固废排放量已近达到4780万t，随着近几年广西大力推进城市基础设施更新、旧城改造和新城同步建设，建筑固废排放量应早已突破 8000万t。工业副产石膏在2020年的总产生量约达到 200 Mt 的高位，如何挖掘建筑固废、工业副产石膏再生产业价值是研究者亟待解决的问题[2，4]。

免烧砖(即蒸压加气混凝土砌块)是以硅质材料和钙质材料为主要原材料，其具有质地轻，强度大等特性，大量用于各种公共设施和民用建筑中。团队通过对南宁地区的免烧砖砖厂调研发现，其生产的免烧砖主要是以粉煤灰、生石灰、天然石膏、水泥、细沙等为主要原料，通过压制成型后高温蒸汽养护而成。但现阶段的免烧砖制备过中，细沙、水泥和天然石膏的占比到达60% ～70%，固废使用率并不高。而近年来随着国家大力整治河沙的乱开乱采现象，以及高耗能产业的转移和关停，直接导致细沙和水泥的成本逐年升高，企业成本压力越来越大，找到细沙、水泥和石灰的替代原料是十分必要的。由于建筑固废的主要成分是砂石和固化后的水泥，成分与免烧砖相同，工业副产石膏和天然石膏的成分都为硫酸钙，且建筑固废、工业副产石膏皆为大宗固废，作为免烧砖的原料时完全可行的，且购置成本几乎为零。

因此，从固体废弃物资源化利用这一问题出发，同时兼顾降低企业原料成本，引导学生自主设计实验，探究合适的免烧砖配比，最终达到培养学生创新能力、分析解决问题能力和巩固所学理论的目的。该实验具有一定的科研前瞻性，且由教师科研项目派生而来，在实验过程中，对学生的科技查新，文献资阅读、科研能力培养提升也起到了一定促进作用。

2 实验设计

2.1 实验目的

掌握X射线衍射仪、电感耦合等离子体质谱仪的操作；掌握MDI Jade软件的使用；锻炼学生运用已学理论知识分析解释实验现象规律的能力；树立“垃圾就是放错了地方的资源”这一环保理念，培养学生动手能力、创新思维及环保意识。

2.2 实验原理

免烧砖(即蒸压加气混凝土砌块)是以硅质材料和钙质材料为主要原材料，通过配料浇注、发气静停、切割、蒸压养护等工艺制成的多孔轻质硅酸盐建筑制品[5]，其生产的免烧砖主要是以粉煤灰、生石灰、天然石膏、水泥、细沙等为主要原料，建筑固废的主要成分是砂石和固化后的水泥[6]，成分与免烧砖相同原料细沙、 水泥相同，工业副产石膏和天然石膏的成分都为硫酸钙。 从废物资源化利用的角度出发，以建筑固废部分代替细沙，工业副产石膏部分代替天然石膏制备免烧砖，并考察不同固废的加入对免烧砖品种的影响。

2.3 主要仪器和试剂

实验主要原料：工业副产石膏(由来自不同企业的磷石膏、脱硫石膏、钛石膏、中和石膏等以不同比例配置成多份，并编号)；建筑固废(选不同地区的废弃水泥块，破碎后，以不同比例配置成多份，并编号)；粉煤灰、生石灰、天然石膏、水泥、细沙 (广西南宁某制砖厂提供)

主要实验仪器：微机伺服万能试验机(YAW-3000)；电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9920A)；X射线衍射仪(XRD-7000S/L型)；制砖机(ZY1100型)；电感耦合等离子体质谱仪(德国 Thermo Fisher)。

2.4 实验方法[7]

1)免烧砖制备：将实验原料按照设定配比混匀混合，加水搅拌，于模具内制砖并压实，脱模蒸压养护制得；

2)XRD分析：将工业副产石膏、建筑固废制样后，于X射线衍射仪上进行测样，结果用MDI Jade软件进行分析；

3)抗压强度测试：将干洁的免烧砖试块样品至于电液伺服压力试验机上，设定测试程序，样品被挤压碎裂的压力值即为抗压强度测试值；

4)干密度测试：取无破损的的砖试块，置于烘箱中 120 ℃ 烘烤，每隔 6 h 测试一次质量，当其质量不再发生变化时，测量其长宽高，计算出体积V，并称量其质量m1，用质量m1/体积V及得到密度ρ。

5)吸水率测试：将进行干密度测试后的砖试块完全浸渍于水中，24 h 后取出，擦干表面水分，称量其重量m2，计算出吸水率ω，公式如下：

6)孔隙率测试：将免烧砖试块置于烘箱中 120 ℃ 烘烤至恒重，测试质量为m3，并依据试块长宽高测定其体积V2，然后将砖试块完全浸渍于水中，静水天平称量其在水中的质量m4，计算出孔隙率p，计算公式如下：

(7)重金属浸出实验：将抗压强度测试后破碎的试块进一步破碎，过100目筛，取筛下样品，完全浸渍在pH=3.2的浓硫酸和浓硝酸混合液(m浓硫酸∶m浓硝酸=2∶1)中，混合液与砖块测试样体积比为5∶1。常温下震荡，分别于6、24 h 取 5 mL 上清液，过膜后于电感耦合等离子体质谱仪中测试样品中重金属离子的浓度。

3 实验内容和结果分析

3.1 原料中重金属成分分析研究

学生以小组为单位，进行实验，通过抽签的方式选择不同编号的工业副产石膏和建筑固废，进行XRD实验，并通过MDI Jade软件分析原料的主要成分及含量，填写表1和表2，通过对比各组分含量的高低，确定重金属侵出实验主要研究的重金属，填写表3部分内容。同时与传统免烧砖制备原料组分进行比对，论证建筑固废代替部分细沙，工业副产石膏代替部分天然石膏的理论可行性。

表1 工业副产石膏XRD分析

表2 建筑固废XRD分析

表3 重金属侵出实验

3.2 建筑固废最佳配比研究

建筑固废的主要成分为固化后的水泥、细沙及破碎后的鹅卵石，在建筑固废最佳配比研究中，其研磨粉碎后可替代细沙，学生在查阅相关资料基础上，确定传统免烧砖中细沙的配比，以传统免烧砖中细沙的配比作为研究过程中建筑固废和细沙的总原料占比，调节建筑固废的含量，并研究其对免烧砖性能的影响。

如学生在查阅资料后，得到在传统免烧砖制备中，原料中各组分占比分别为粉煤灰15%、生石灰10%、天然石膏25%、水泥10%和细沙占40%，可在研究中，设定粉煤灰15%、生石灰10%、天然石膏5%、工业副产石膏15%、水泥10%、建筑固废、细沙共占比为40%，考察不同建筑固废含量对免烧砖的性能影响，并填写表4。

表4 不同建筑固废参杂量制备的免烧砖指标

通过对比表4中不同建筑固废添加量制备的免烧砖的各项指标，分析工业副产石膏的添加对免烧砖各个性能指标的影响，并查阅相关资料，分析其内在影响机理，最终确定最优的建筑固废参杂量。

3.3 工业副产石膏最佳配比研究

工业副产石膏的主要成分为硫酸钙，其与天然石膏的主要成分相同，在制备免烧砖时可代替天然石膏，在工业副产石膏最佳配比研究中，在确定传统免烧砖中天然石膏的配比，以传统免烧砖中天然石膏的配比作为研究过程中工业副产石膏和天然石膏的总原料占比，调节工业副产石膏的含量，并研究其对免烧砖性能的影响，最终确定最优的工业副产石膏、天然石膏参杂量。

如学生在查阅资料后，得到在传统免烧砖制备中，原料中各组分占比分别为粉煤灰15%、生石灰10%、天然石膏25%、水泥10%和细沙占40%，可在研究中，设定粉煤灰15%、生石灰10%、水泥10%、建筑固废30%、细沙10%、天然石膏、工业副产石膏攻占比25%，考察不同工业副产石膏含量对免烧砖的性能影响，并填写表5。

表5 不同工业副产石膏参杂量制备的免烧砖指标

通过对比表5中不同工业副产石膏添加量制备的免烧砖的各项指标，分析工业副产石膏的添加对免烧砖各个性能指标的影响，并查阅相关资料，分析其内在影响机理，终确定最优的工业副产石膏参杂量。

3.4 重金属侵出研究研究

由于免烧砖中的重金属主要来源于工业副产石膏，所以本次实验只考虑工业副产物的添加量和浸出时间对重金属浸出量的影响，将论文3.3部分中制备的免烧砖置于配好的酸性液中，分别在浸泡 6 h 和 24 h 取样测试，分析浸渍液中于论文3.1部分中确定的主要研究的重金属的含量，并将对应数据填入表3中。

依据表3中的数据，分析工业副产石膏增加和浸泡时长对重金属浸出量的影响，并查阅相关资料，分析其内在影响机理，评估工业副产石膏制备免烧砖的环境风险。

4 结语

依据教育部《高等学校课程思政建设指导纲要》文件精神和学校课程思政改革的要求，教学团队在设置“固体废弃物资源化”课程实验中，注重将理论与企业实际问题相结合，并有机融入教师日常科研课题研究内容，有效激发学生科研探索兴趣，并将“垃圾就是放错了地方的资源”这一理念融入实验中，树立学生资源循环利用意识，同时注重对学生动手能力，创新能力、发现问题并利用理论知识解决问题的能力以，及归纳总结的能力，达到实验实践课程育人的目的。