專利名稱：無機粘合劑組合物,其制備及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無機粘合劑組合物。其制備和其應用。更具體地，本發(fā)明涉及特別適用于在廢物材料處理中用于再循環(huán)、安全和可靠處置的無機粘合劑組合物。
背景技術：
無機粘合劑組合物已用于固化和處置有害廢物。在Davidovits的專利5,352,427；5,349,118；5,342,595；4,859,367；4,349,386；4,472,199；4,509,985；4,522,652；4,533,393；4,608,795；4,640,715；4,642,137中，描述了一種含硅鋁酸鹽的幾何聚合物。這些幾何聚合物是研制來用于包容在石工瓷磚中的，但發(fā)現它們在長期處置固化廢物中很有用。
硅鋁酸鹽粘合劑是由兩種組分構成一種干燥細粉末和一種糖漿狀、高堿性液體。這種粉末是一種可溶性堿性多硅酸鹽，它能由堿性液體活化形成SiO4和AlO4四面體。這種四面體由分享氧分子而交聯，形成無機聚合物網絡。在這種堿活化混合物，伴隨緩和的放熱反應發(fā)生硬化和縮聚作用。
無機粘合劑有多種特性，包括熱穩(wěn)定性、高表面光滑性、精確的淌度和硬的表面。因此，無機粘合劑特別適用于專業(yè)結構的應用，例如鹽水含水環(huán)境。
此外，先有技術的這種無機粘合劑組合物已發(fā)現能提供對有害或有危險廢物處理的長期解決。各種有機或無機廢物可與這些無機化合物混合，形成整塊固體而取代了集料的正常占據的體積。當這種晶體結構生長，溶液固化時，廢物組分共結合進入晶格，使廢物化學上變得惰性，適于填埋、再循環(huán)進入建筑介質或再引入生產工藝中。用無機粘合劑處理過的廢物的最重要性質是其抵抗酸性化學腐蝕的能力，并將軟的、未聚集的或污泥狀廢物，在短期內轉變?yōu)橛驳?、緊密結合在一起的固體。
可惜，這些原料成本太高，防止了先有技術的無機粘合劑組合物對于其它現存的長期處置、或廢物再循環(huán)。甚至與常規(guī)波特蘭水泥聯用的工藝的商業(yè)競爭力。
發(fā)明概述先有技術的這些缺點可由提供一種制造和使用成本低的無機粘合劑組合物來克服。
需要提供一種在包括鹽水、腐蝕性、酸性、毒性和放射性介質的各種環(huán)境中能固化的無機粘合劑組合物。
需要提供一種適用于在長期處置中處理有害、有危險性的廢物并使這些廢物變?yōu)槎栊浴?br> 根據本發(fā)明的一個方面，它提供一種無機粘合劑組合物的第一組成部分。該第一組成部分包括約20％氧化鈉；約60％硅酸三鈣；約10％硅酸二鈣；約6％鋁酸三鈣；約1％氧化鋁；約1％氧化鐵；約1％氧化鎂；和約1％三氧化硫。
根據本發(fā)明的另一方面，它提供一種無機粘合劑組合物，其包括約5-20％細粒二氧化硅；40-60％無水硅酸鋁；1-10％硅酸和1-10％鉀鹽或鈉鹽。
根據本發(fā)明的另一方面，它提供一種無機粘合劑組合物，其包含與下列一種或數種物質混合的聚(硅酸鹽(sialate))或聚(硅酸鹽(sialate)-硅氧基(siloxo))作為第一組成部分飛灰F、飛灰C、細粒氧化硅、Al2O3、火山灰、渣粉、nephelene cyanite、無水硅酸鋁、水合硅酸鋁、含水氫氧化鈉、硅酸、鉀鹽和鈉鹽。該混合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2至14.3。
根據本發(fā)明的另一方面，它提供包含第一組成部分的無機粘合劑組合物，該第一組成部分包括氧化鈉、硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、氧化鋁、氧化鐵、氧化鎂、三氧化硫、并與選自以下一種或數種物質的第二組成部分混合飛灰F、飛灰C、細粒氧化硅、Al2O3、火山灰、渣粉、nephelene cyanite、無水硅酸鋁、水合硅酸鋁、含水氫氧化鈉、硅酸、鉀鹽和鈉鹽。
根據本發(fā)明的另一方面，它提供一種將來自熔煉爐的廢料再循環(huán)的方法，包括如下步驟將一種金屬熔煉的回爐物料與一種無機粘合劑組合物混合，將其混合物壓實成團塊，以便將其再循環(huán)到該爐中。
根據本發(fā)明的另一方面，它提供一種將來自熔煉爐的廢料再循環(huán)的方法，廢料包括焦粉、爐渣、磨屑和煙灰。該方法包括如下步驟將金屬熔煉爐的回爐物料與13.5％-約17.5％(重)的無機粘合劑組合物混合，將其混合物壓實成團塊，以便將其再循環(huán)到該爐中。發(fā)明描述第一實施方案本發(fā)明涉及一種粘合劑組合物，作為一種水泥的替代物或水泥的添加劑。本發(fā)明第一實施方案的無機粘合劑組合物包括含有如下的第一組成部分(按重量計)20％ 氧化鈉60％ 硅酸三鈣10％ 硅酸二鈣6％ 鋁酸三鈣1％ 氧化鋁1％ 氧化鐵1％ 氧化鎂1％ 三氧化硫該第一組成部分是一種聚(硅酸鹽(sialate))或聚(硅酸鹽(sialate)-硅氧基(siloxo))。然而，本發(fā)明的第一組成部分的組合物，其組分的摩爾比不同于先有技術的聚(硅酸鹽(sialate))或聚(硅酸鹽(sialate)-硅氧基(siloxo))。
實例162-90％(重)的無機粘合劑組合物的第一實施方案的第一組成部分，可與下列組分混合5-20％ 飛灰F4-10％ 細粒氧化硅1-8％ Al2O3得到組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比在約5.2比約7.6的范圍內。
本例的組合物可用于作為建筑材料，可部分代替波特蘭水泥或與其聯合使用。飛灰F與細粒氧化硅一起再與Al2O3聯用時起波特蘭水泥型材料的作用。實例260-90％(重)的無機粘合劑組合物的第一實施方案的第一組成部分，可與下列組分混合4-10％ 火山灰4-10％ 渣粉(氧化鈣)5-10％ 無水硅酸鋁1-5％ 硅酸1-5％ 鉀鹽得到的組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約8.9，M2O與SiO2的摩爾比為約0.07-約0.11，H2O∶M2O摩爾比＝約5.0-約10.0，M2O∶Al2O3摩爾比＝約0.30-約0.45，其中M2O選自Na2O，K2O及其混合物。
本例的組合物特別適用于有害廢物的處置。無水硅酸鋁當與硅酸和鉀鹽結合使用時，提供了用于沸石結構的建筑塊。由硅酸鈣鍵結提供了附加的晶體結構。這種鍵結有效地包封了有害物料的分子。實例360-90％(重)的無機粘合劑組合物的第一實施方案的第一組成部分，可與下列組分混合4-10％ 火山灰4-10％ 渣粉5-10％ 無水硅酸鋁1-5％ 硅酸1-5％ 鈉鹽得到的組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約8.9，M2O與SiO2的摩爾比為約0.07-約0.11，H2O∶M2O摩爾比＝約5.0-約10.0，M2O∶Al2O3摩爾比＝約0.30-約0.45。
本例的組合物也適用于有害廢物的處置。實例460-90％(重)的無機粘合劑組合物的第一實施方案的第一組成部分，可與下列組分混合5-20％ 飛灰C4-10％ 火山灰1-5％ 硅酸1-5％ 鉀鹽或鈉鹽，優(yōu)選鉀鹽得到的組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約7.4-約14.3，M2O與SiO2的摩爾比為約0.05-約0.10，H2O與M2O的摩爾比為約5.0-約9.0，M2O與Al2O3的摩爾比為約0.25-0.45。
本例的組合物適用于作為建筑材料，或代替波特蘭水泥或與其結合使用。
本例的組合物比前述實例中的組合物的價格要貴。飛灰C現在貴于飛灰F，然而飛灰C的質量更好。
火山灰用于代替無水硅酸鋁作為Al2O3源。實例540-60％(重)的無機粘合劑組合物的第一實施方案的第一組成部分，可與下列組分混合4-10％ 火山灰4-10％ nephelene cyanite1-5％ 水合硅酸鋁1-5％ 水合氫氧化鋁1-5％ 硅酸1-5％ 鉀鹽或/和鈉鹽得到的組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約9.0，M2O與SiO2之摩爾比為約0.50-約2.00，H2O與M2O之摩爾比為約5.0-約9.0，M2O與Al2O3之摩爾比為約1.75-約3.50。
在本例中，可用5-10％無水硅酸鋁替代nephelene cyanite和水合硅酸鋁。但nephelene cyanite和水合硅酸鋁是優(yōu)選的，因為它是廢料因而較價廉。
本例的粘合劑組合物在鋼鐵工業(yè)中特別有用。在煉鋼過程中，工業(yè)廢料，例如焦粉、磨屑、煙塵和其它回爐物料可被制成團塊再利用?；貭t物料的回收除了再生了有價值的鐵制零部件外，還減少了填埋工業(yè)廢料的需要。
過去，這種回爐物料與淀粉、石灰、瀝青、水泥和糖漿等粘合劑混合。聚集的物料再被制成團塊再利用。但是有機粘合劑的焚燒產生毒素，如酚類(苯酚)。美國環(huán)保局最近已禁止使用有機粘合劑于回爐物料的再循環(huán)。
本例的粘合劑組合物用于與回爐廢物料混合。粘合劑-廢料中粘合劑組合物的含量，當加入冷粘合劑原料時應為約13.5％至17.5％。若該粘合劑原料被加熱可用更少的粘合劑就能達到滿意結果。若該粘合劑含量超過14％，則該粘合劑-廢料在壓制成團塊之前要先干燥。
該種廢料可包括多至約55％焦粉和爐渣，約10％煙塵和約20％再循環(huán)的磨屑。
該粘合劑-廢料然后由傳統(tǒng)的制團機壓成團塊。加壓壓力為1800-2600psi，優(yōu)選2100-2600psi，使用輪速4-6RPM。然后再將該團塊引入焚燒爐。
高爐中使用原始物料的鐵礦石粒料，鐵含量的回收率達約85％。使用現有技術的再循環(huán)技術，回收約為40％，使用本發(fā)明的團塊，鐵回收可高達78％。
可以容易理解，這里所述的方法也可應用于基礎金屬，包括如鉛、鎳和鋅的熔煉的其它處理。第二實施方案第二實施方案的粘合劑組合物包括如下的重量組成5-20％ 氧化硅細粒40-60％ 無水硅酸鋁1-10％ 硅酸1-10％ 鉀鹽和/或鈉鹽當使用鉀鹽時，得到的組合物具有如下的摩爾比SiO2∶Al2O3為約0.24-約2.2，M2O∶SiO2為約0.04-約0.10，H2O∶M2O為約5.0-約12.5，M2O∶Al2O3為約0.12-約0.30。
當使用鈉鹽時，得到的具有如下的摩爾比SiO2∶Al2O3為約2.5-約3.4，M2O∶SiO2為約0.04-約0.15，H2O∶M2O為約5.0-約9.0，M2O∶Al2O3為約0.10-約0.40。第三實施方案第三實施方案的粘合劑組合物包括如下的重量組成10-20％ 細粒氧化硅40-50％ 無水硅酸鋁和等分的15-25％ 硅酸和15-25％ 鉀鹽和/或鈉鹽。
本實施方案的粘合劑組合物特別適用于鋼鐵工業(yè)。
容易理解，這里描述的任一實例已應用于再循環(huán)、建筑和有害廢物處置。然而，作為考慮成本和/或所需特性的結果，每個實例有其特定的應用。一般而言。本發(fā)明的無機粘合劑與波特蘭水泥，甚至其它無機粘合劑組合物相比，發(fā)現是固化時無收縮，早期強度高，表面硬度高(＞6莫氏硬度)和壓縮強度高。
本領域的技術人員現在明白，使用本發(fā)明可以制造出多種粘合劑的結合。然而，對于已閱讀過前述說明書的本領域技術人員而言，本發(fā)明的目的和其它許多改進也變得容易明白，應當理解，在不遠離本發(fā)明的精神和所附權利要求的范圍的情況下，可以進行組分、其類型和含量的變化。
權利要求
1.一種包括與第二組成部分混合的第一組成部分的無機粘合劑組合物，其中第一組成部分包括氧化鈉、硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、氧化鋁、氧化鐵、氧化鎂、三氧化硫，第二組成部分包括一種或數種下列物質飛灰F、飛灰C、細粒氧化硅、Al2O3、火山灰、渣粉、nephelene cyanite、無水硅酸鋁、水合硅酸鋁、含水氫氧化鈉、硅酸、鉀鹽和鈉鹽，其中所述混合物具有SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約14.3。
2.權利要求1的無機粘合劑組合物，其中所述組合物包括40-90％(重量)的第一組成部分。
3.權利要求2的無機粘合劑組合物，其中SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約7.6。
4.權利要求3的無機粘合劑組合物，其中所述混合物是與含5-20％飛灰F、4-10％細粒氧化硅和1-8％ Al2O3的第二組成部分混合的約62-90％的第一組成部分(均按重量計)。
5.權利要求1的無機粘合劑組合物，其中所述混合物是與含4-10％火山灰、4-10％渣粉、5-10％無水硅酸鋁、1-5％硅酸和1-5％鉀鹽的第二組成部分混合的60-90％的第一組成部分(均按重量計)。
6.權利要求4的無機粘合劑組合物，其中所述組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約8.9，M2O與SiO2的摩爾比為約0.07-約0.11，H2O∶M2O摩爾比＝約5.0-約10.0，M2O∶Al2O3摩爾比＝約0.30-約0.45。
7.權利要求1的無機粘合劑組合物，其中所述混合物是與含5-20％飛灰C、4-10％火山灰、1-5％硅酸和1-5％鉀鹽的第二組成部分混合的60-90％的第一組成部分(均按重量計)。
8.權利要求7的無機粘合劑組合物，其中所述混合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約7.4-約14.3，M2O與SiO2的摩爾比為約0.05-約0.10，H2O與M2O的摩爾比為約5.0-約9.0，M2O與Al2O3的摩爾比為約0.25-約0.45。
9.權利要求1的無機粘合劑組合物，其中所述混合物是與含4-10％火山灰、4-10％ nephelene cyanite、1-5％水合硅酸鋁、1-5％含水氫氧化鈉、1-5％硅酸、1-5％鉀鹽的第二組成部分混合的約40-60％的第一組成部分(均按重量計)。
10.權利要求8的無機粘合劑組合物，其中所述混合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約9.0，M2O與SiO2之摩爾比為約0.50-約2.00，H2O與M2O之摩爾比為約5.0-約9.0，M2O與Al2O3之摩爾比為約1.75-約3.50。
11.一種包括約20％ 氧化鈉約60％ 硅酸三鈣約10％ 硅酸二鈣約6％ 鋁酸三鈣約1％ 氧化鋁約1％ 氧化鐵約1％ 氧化鎂約1％ 三氧化硫的無機粘合劑組合物的組成部分。
12.一種包含與選自鉀鹽和鈉鹽的第二組成部分混合的第一組成部分的無機粘合劑組合物，其中第一組成部分包括細粒氧化硅、無水硅酸鋁和硅酸。
13.權利要求12的無機粘合劑組合物，其中的第二組成部分為鉀鹽，該混合物具有如下的摩爾比SiO2∶Al2O3為約0.24-約2.2，M2O∶SiO2為約0.04-約0.10，H2O∶M2O為約5.0-約12.5，M2O∶Al2O3為約0.12-約0.30。
14.權利要求12的無機粘合劑組合物，其中的第二組成部分為鈉鹽，該混合物具有如下的摩爾比SiO2∶Al2O3為約2.5-約3.4，M2O∶SiO2為約0.04-約0.15，H2O∶M2O為約5.0-約9.0，M2O∶Al2O3為約0.10-約0.40。
15.權利要求12的無機粘合劑組合物，其中所述組合物包括按重量計10-20％細粒氧化硅、40-50％無水硅酸鋁和等分的15-25％硅酸和15-25％鉀鹽和/或鈉鹽。
16.一種將來自熔爐的廢料再循環(huán)的方法，包括如下步驟將回爐物料與一種無機粘合劑組合物混合；并將該混合物壓成團塊，再循環(huán)至該爐中。
17.權利要求16的方法，其中所述的回爐物料包括焦粉、爐渣、磨屑和煙塵。
18.權利要求17的方法，其中所述的混合物包括約13.5％-17.5％(重量)的所述無機粘合劑組合物。
19.權利要求18的方法，其中所述的回爐物料包括最高達約55％的焦粉、約10％煙塵和約20％磨屑(均按重量計)。
20.權利要求19的方法，其中所述的混合物含有＞14％(重量)的無機粘合劑，所述方法包括將所述無機粘合劑干燥的步驟。
21.權利要求16的方法，其中所述的無機粘合劑組合物包括與第二組成部分混合的第一組成部分的無機粘合劑組合物，其中第一組成部分包括氧化鈉、硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、氧化鋁、氧化鐵、氧化鎂、三氧化硫，第二組成部分包括一種或數種下列物質飛灰F、飛灰C、細粒氧化硅、Al2O3、火山灰、渣粉、nephelene cyanite、無水硅酸鋁、水合硅酸鋁、含水氫氧化鈉、硅酸、鉀鹽和鈉鹽，其中所述混合物具有SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約14.3。
22.權利要求21的方法，其中所述的無機粘合劑組合物包括40-90％(重量)的第一組成部分。
23.權利要求22的方法，其中所述的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約7.6。
24.權利要求23的方法，其中所述的無機粘合劑組合物包括約62-90％的第一組成部分，和與其混合的含5-20％飛灰F、4-10％細粒氧化硅和1-8％ Al2O3的第二組成部分。
25.權利要求21的方法，其中所述的無機粘合劑組合物包括約60-90％的第一組成部分，和與其混合的含4-10％火山灰、4-10％渣粉、5-10％無水硅酸鋁、1-5％硅酸和1-5％鉀鹽的第二組成部分。
26.權利要求25的方法，其中所述的無機粘合劑組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約8.9，M2O與SiO2的摩爾比為約0.07-約0.11，H2O∶M2O摩爾比為約5.0-約10.0，M2O∶Al2O3摩爾比為約0.30-約0.45，其中M2O選自Na2O和/或K2O。
27.權利要求21的方法，其中所述的無機粘合劑組合物含有與含5-20％飛灰C、4-10％火山灰、1-5％硅酸和1-5％鉀鹽的第二組成部分混合的60-90％的第一組成部分(均按重量計)。
28.權利要求27的方法，其中所述的無機粘合劑組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約7.4-約14.3，M2O與SiO2的摩爾比為約0.05-約0.10，H2O與M2O的摩爾比為約5.0-約9.0，M2O與Al2O3的摩爾比為約0.25-約0.45。
29.權利要求21的方法，其中所述的無機粘合劑組合物含有與含4-10％火山灰、4-10％ nephelene cyanite、1-5％水合硅酸鋁、1-5％含水氫氧化鈉、1-5％硅酸、1-5％鉀鹽的第二組成部分混合的約40-60％的第一組成部分(均按重量計)。
30.權利要求29的方法，其中所述的無機粘合劑組合物的SiO2與Al2O3的摩爾比為約5.2-約9.0，M2O與SiO2之摩爾比為約0.50-約2.00，H2O與M2O之摩爾比為約5.0-約9.0，M2O與Al2O3之摩爾比為約1.75-約3.50。
31.權利要求21的方法，其中所述的無機粘合劑組合物包括約20％ 氧化鈉約60％ 硅酸三鈣約10％ 硅酸二鈣約6％ 鋁酸三鈣約1％ 氧化鋁約1％ 氧化鐵約1％ 氧化鎂約1％ 三氧化硫。
32.權利要求16的方法，其中所述的無機粘合劑組合物包含與選自鉀鹽和鈉鹽的第二組成部分混合的第一組成部分的無機粘合劑組合物，其中第一組成部分包括細粒氧化硅、無水硅酸鋁和硅酸。
33.權利要求32的方法，其中的第二組成部分為鉀鹽，該混合物具有如下的摩爾比SiO2∶Al2O3為約0.24-約2.2，M2O∶SiO2為約0.04-約0.10，H2O∶M2O為約5.0-約12.5，M2O∶Al2O3為約0.12-約0.30。
34.權利要求32的方法，其中的第二組成部分為鈉鹽，該混合物具有如下的摩爾比SiO2∶Al2O3為約2.5-約3.4，M2O∶SiO2為約0.04-約0.15，H2O∶M2O為約5.0-約9.0，M2O∶Al2O3為約0.10-約0.40。
35.權利要求16的方法，其中所述無機粘合劑組合物包括按重量計10-20％細粒氧化硅、40-50％無水硅酸鋁和等分的15-25％硅酸和15-25％鉀鹽和鈉鹽。
36.權利要求16的方法，其中所述加壓壓力為2100-2600psi。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無機粘合劑組合物,它包括與第二組成部分混合的第一組成部分,第一組成部分為一種聚(硅酸鹽(sialate))或聚(硅酸鹽(sialate)－硅氧基(siloxo)),第二組成部分含有一種或數種下列物質:飛灰F、飛灰C、細粒氧化硅、Al
文檔編號C22B7/04GK1209110SQ96199976
公開日1999年2月24日 申請日期1996年12月18日 優(yōu)先權日1995年12月22日
發(fā)明者D·C·科姆里 申請人:Ib技術公司