一種鉛鋅礦尾礦-赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉛鋅礦尾礦-赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷及其制備方法；屬于固體 廢渣處理技術(shù)及建筑陶瓷材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 一方面，工業(yè)廢渣已成為社會(huì)公害，必須找到大量消耗工業(yè)廢渣的有效途徑。我 國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)中產(chǎn)生大量尾礦（如硅砂尾礦、鋁土礦尾礦、鉛鋅礦尾礦）、燃料廢渣、冶煉廢 渣、水處理污泥及工業(yè)粉塵等固體廢渣，其排放量正以每年約12億噸的速度在遞增。至今， 工業(yè)固體廢渣僅限于低層次用途（如堆放在露天渣場(chǎng)、筑路、回填采空區(qū)等）。僅少部分被 用于生產(chǎn)水泥、墻磚、硅酸鹽砌塊、加氣混凝土、泡泡水泥等建筑材料，且引入的廢渣種類和 引入量都極有限（約30%)。我國(guó)鉛鋅礦礦產(chǎn)資源豐富。由于現(xiàn)有裝備和技術(shù)條件所限，選 礦難度高，在鉛鋅礦的開采與利用過程中，產(chǎn)生了大量鉛鋅礦尾礦，從而導(dǎo)致了一系列資源 與環(huán)境問題，如尾礦堆放占用大量土地，尾礦庫(kù)的維護(hù)產(chǎn)生高額成本，尾礦中重金屬離子的 流失對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞以及尾礦庫(kù)壩所存在的安全隱患等。赤泥（也叫紅泥） 是由鋁土礦為原料生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的附產(chǎn)品，赤泥中含有大量強(qiáng)堿性物質(zhì)，很容易 引起周邊土壤的堿化。到目前為止，鉛鋅礦尾礦和赤泥兩種固體廢渣的實(shí)際利用率都極低。 粉煤灰是燃煤電廠排放出的固體廢物，盡管這種工業(yè)廢渣的利用已達(dá)到較高程度，但主要 是用作水泥、混凝土的添加劑。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，粉煤灰的排放量也在逐年增加，如不 加妥善處理，就會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣，成為霧霾的主要組成之一；若排入水中，則會(huì)造成河 流堵塞，其中的有毒有害物質(zhì)還會(huì)對(duì)人體和生物造成危害。建筑材料產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體 廢渣大宗利用和高附加值利用的唯一途徑。農(nóng)村城鎮(zhèn)化、安居工程建設(shè)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、城 區(qū)改造、居住條件的改善、建筑節(jié)能的壓力等為建筑材料提供了廣闊的發(fā)展空間，新型建材 市場(chǎng)容量極大。
[0003] 另一方面，全球氣候變化控制目標(biāo)，提出到2050年要將建筑物能源使用量減少 60%。由于墻壁和窗戶產(chǎn)生的建筑物能耗約占全球能源消耗的38%，因此，要實(shí)現(xiàn)建筑物能 耗控制目標(biāo)，建筑物墻壁和窗戶的能耗控制是關(guān)鍵。對(duì)窗戶熱流的控制，已有較好節(jié)能方案 和產(chǎn)品，即采用雙層中空玻璃，當(dāng)前和今后的問題是降低其成本，推廣其應(yīng)用。但對(duì)于建筑 物墻壁熱流量的控制，目前基本上沒有有效的辦法，至少可以說效果不佳。盡管聚氨酯泡沫 材料具有優(yōu)良的隔熱保溫效果，但其易燃，燃燒速度快，火災(zāi)發(fā)生后，容易引起大火迅速蔓 延，且產(chǎn)生劇毒氰化氫氣體，導(dǎo)致人員死亡；泡沫水泥制品不經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，能耗低，成本低， 質(zhì)輕，隔熱保溫效果好。但泡沫水泥中的廢渣引入量低，目前僅引入了少量粉煤灰、高爐渣 等廢渣；泡沫水泥的強(qiáng)度較低；特別是當(dāng)引入廢渣時(shí)，由于未經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，組成顆粒間難以 形成牢固的化學(xué)鍵合，制品長(zhǎng)期使用下的性能穩(wěn)定性和使用可靠性存在隱患。急需開發(fā)新 型隔勢(shì)保溫材料。
[0004] 作為一種綠色節(jié)能材料，無(wú)機(jī)泡沫陶瓷材料以其體密度小、氣孔率高、熱導(dǎo)率低等 優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到廣泛的重視。目前，已有一些研宄在利用各種尾礦和工業(yè)廢渣制備泡沫材 料，這不僅可節(jié)約優(yōu)質(zhì)的陶瓷資源，降低生產(chǎn)成本，還可以提高二次資源的利用率，解決環(huán) 境污染問題，具有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。
[0005] 在鉛鋅礦尾礦、赤泥、粉煤灰三種廢渣中，鉛鋅礦尾礦的主要組分為Si02、A1 203、 Fe2O3' CaCO3' MnO、MgO、K20、Ti02、FeS2' CaSO4' ZnO、PbO 等。赤泥的主要成分為 Si02、A1203、 似20、卩6 203、0&〇)3、]\1110、]\%0、1( 20、1102、？205等。粉煤灰的主要成分為3丨0 2、六1203、似20、卩620 3、 CaC03、MnO、MgO、K20、TiO2、P2O 5等。這些工業(yè)廢渣組分復(fù)雜，但這些廢渣中包含了建筑材料 必不可少的成分，如Si02、Al 203、CaCKFe2O3等，而怎么將這些廢渣很好地利用制備出性能較 好的建筑材料，是現(xiàn)有技術(shù)中有待解決的技術(shù)難題。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)在用工業(yè)固體廢渣制備泡沫陶瓷方面，專利CN103253961A的公開了一 種使用鉛鋅尾礦為主要原料的發(fā)泡陶瓷材料及其制備方法。其組成配比和工藝如下：1)組 成配比：鉛鋅尾礦45?70%、拋光磚廢渣28?52%、發(fā)泡劑0.5?3% ;2)工藝：配合料裝 入耐火材料制成的匣缽中，放入窯中，在1130?1230°C溫度下燒結(jié)，保溫30?80min，冷卻 后切割成型。該方法鉛鋅尾礦的利用率高，容重小，導(dǎo)熱系數(shù)低，但泡沫陶瓷的燒結(jié)溫度過 高，且強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性等性能并不確定。專利CN103304253A公開了一種利用赤泥和粉煤 灰制備的多孔陶瓷及其制備方法。其組成配比和工藝如下：1)組成配比：赤泥40?70%， 粉煤灰5?40%，造孔劑10?30%，添加劑1?5% ;2)工藝：將原料按比例混合均勻后， 經(jīng)成型、干燥、燒成工序獲得多孔陶瓷材料。該方法制備的多孔陶瓷氣孔率偏低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 現(xiàn)有技術(shù)中利用固體廢渣制備泡沫陶瓷的技術(shù)存在對(duì)工業(yè)固體廢渣利用物種數(shù) 較少、利用率較低、燒結(jié)溫度高、氣孔率低、強(qiáng)度低、性能參數(shù)不全等問題，本發(fā)明的目的是 在于提供一種充分利用廢渣原料進(jìn)行科學(xué)配料得到一種具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、隔音、隔熱、保溫、 防火、不產(chǎn)生二次污染的泡沫陶瓷。
[0008] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種操作簡(jiǎn)單、制備條件簡(jiǎn)單、低成本的鉛鋅礦尾 礦-赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷的方法。
[0009] 本發(fā)明提供了一種鉛鋅礦尾礦-赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷，該泡沫陶瓷由以下質(zhì) 量百分比組分原料通過制坯、燒結(jié)而成：鉛鋅礦尾礦10?24%;赤泥9?16%;粉煤灰43? 53% ;助燒劑18?30%。
[0010] 優(yōu)選的助燒劑可以是堿金屬氧化物、堿金屬鹽類化合物、堿土金屬氧化物、堿土金 屬鹽類化合物中的至少一種；最優(yōu)選為硼酸鈉鹽。助燒劑的加入可有效地補(bǔ)充廢渣中助燒 劑成分的不足。
[0011] 優(yōu)選的鉛鋅礦尾礦-赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷中鉛鋅礦尾礦、赤泥和粉煤灰占原 料總質(zhì)量的70?82%。鉛鋅礦尾礦、赤泥與粉煤灰這三種廢渣既是主要原料，又起發(fā)泡作 用。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種所述的鉛鋅礦尾礦-赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷的制備方法， 將鉛鋅礦尾礦、赤泥、粉煤灰和助燒劑粉末過篩后，外加原料總重量3?5%的水，混合均 勻，制得配合料；將所得配合料裝模后，壓制成型，得到泡沫陶瓷坯體；所得泡沫陶瓷坯體 先置于< 200°C的溫度下干燥，再置于820?980°C的溫度下燒結(jié)，冷卻，即得泡沫陶瓷。
[0013] 本發(fā)明的鉛鋅礦尾礦-赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷的制備方法還包括以下優(yōu)選方 案：
[0014] 優(yōu)選的方案中將泡沫陶瓷坯體置于爐中，升溫進(jìn)行干燥和燒結(jié)，在200°C前，以 2?3°C /min的升溫速率加熱對(duì)陶瓷坯體進(jìn)行干燥，溫度升高至200°C以后，以3?5°C / min的升溫速率加熱到820?980°C，保溫0. 5?3小時(shí)。
[0015] 優(yōu)選的方案中少量水的加入起到粘結(jié)性能，有利于原料的壓制成型。
[0016] 優(yōu)選的方案中鉛鋅礦尾礦、赤泥、粉煤灰和助燒劑粉末通過過篩，篩取粒度為 100?300目的粉末。
[0017] 優(yōu)選的方案中壓制成型采用單面加壓方式成型，成型壓力為15?20MPa。
[0018] 優(yōu)選的方案中冷卻方式為隨爐冷卻。
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和帶來(lái)的有益技術(shù)效果：經(jīng)過發(fā)明人大量研宄發(fā)現(xiàn)，將鉛鋅礦 尾礦、赤泥和粉煤灰三種工業(yè)固體廢渣合理搭配使用，特別適合于制備泡沫陶瓷。
[0020] 1)將鉛鋅礦尾礦、赤泥和粉煤灰按適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量比例復(fù)配，使其中的Si02、Al 2O3成 分在泡沫陶瓷中充分起到骨架作用，可賦予泡沫陶瓷優(yōu)良的機(jī)械性能、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn) 定性；而通常，SiOdP Al 203含量越高，則泡沫陶瓷強(qiáng)度越高、熱膨脹系數(shù)越低、化學(xué)穩(wěn)定性 越好，但同時(shí)其所需的燒結(jié)溫度也高，因此，要同時(shí)保持泡沫陶瓷較低的燒結(jié)溫度和較好的 性能，必須要滿足各工業(yè)廢渣之間的合理配比。
[0021] 2)這三種固體廢渣中含有一定比例的FeS# CaCO^。在本發(fā)明方案的溫度條 件下燒結(jié)FeS2與空氣中的0 2反應(yīng)，生成SO 2氣體，廢渣中的CaCO 3分解為CaO和CO 2氣體， 完全滿足燒結(jié)過程中所需的發(fā)泡劑要求，無(wú)需另外添加發(fā)泡劑。
[0022] 3)各廢渣原料中含有的CaO、MgO、Na20、K2O等堿土金屬和堿金屬氧化物是優(yōu)良的 燒結(jié)助劑，可大大降低材料的燒結(jié)溫度；同時(shí)，Ca0、Mg0、Na 20、K20與Si02、Al203發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，生成硅酸鹽、鋁酸鹽熔體，進(jìn)而形成玻璃相，一方面，硅酸鹽、鋁酸鹽的形成可對(duì)Na+、K + 離子及重金屬離子起"束縛"作用，在材料的使用過程中，這些被束縛的堿金屬離子和重金 屬離子難于排出，從而可解決土壤堿化及重金屬離子污染問題；另一方面，玻璃相的形成又 可以將氣體包裹及將放射物固封。
[0023] 4)廢渣原料中的P205、Ti02、Fe 203、Mn0等都能參與材料的構(gòu)成，不需要對(duì)廢渣原料 進(jìn)行任何除雜處理，廢渣原料拿來(lái)即可使用，從而降低原料的成本。
[0024] 綜上所述本發(fā)明的技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，帶來(lái)了特別優(yōu)異的技術(shù)效果：
[0025] 1、充分利用了三種工業(yè)固體廢渣制備泡沫陶瓷，固體廢渣總引入量達(dá)70?82%， 實(shí)現(xiàn)了固體廢渣的綜合利用，變廢為寶，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0026] 2、制備工藝條件簡(jiǎn)單，泡沫陶瓷的燒結(jié)溫度較低，僅820?980°C。
[0027] 3、制備的泡沫陶瓷以Na6Ca2Al6Si 6O24 (SO4) 2為主晶相，包含F(xiàn)e 203、少量CaS04、 Fe304、SiO2相和玻璃相，其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、隔音、隔熱、保溫、防火、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)； 具體體現(xiàn)在泡沫陶瓷的氣孔率高達(dá)62. 2?78. 5 %，密度0. 42?0. 81g. cm_3,抗壓強(qiáng)度達(dá) 4. 8?8. 4MPa，耐酸堿性在98 %以上。
【附圖說明】
[0028] 【圖1】為本發(fā)明實(shí)施例7所制備的泡沫陶瓷的XRD圖，其中的主要晶相為Na6Ca2A I 6Si6O24 (SO4) 2和 Fe 203,還有少量的 CaS04、Fe3O4及 SiO 2相。
[0029] 【圖2】為本發(fā)明實(shí)施例7所制備的泡沫陶瓷的實(shí)物剖面圖。 具體實(shí)施方案
[0030] 下面結(jié)合實(shí)