城市污泥为部分原料制备黏土烧结普通砖

刘波波等：高能球磨和热压烧结制备SiC/Ti3SiC2复相陶瓷及其性能·1963·第38卷第10期城市污泥为部分原料制备黏土烧结普通砖林子增，孙克勤(东南大学能源与环境学院，南京210096)摘要：用城市污泥为部分原料制备了黏土烧结普通砖。结果表明：随着污泥掺量增加，成型砖坯密实度下降；在焙烧过程，污泥中重金属熔融固化，有机物挥发，所形成的气孔和孔洞降低了砖体抗压强度及热导率。制备生坯时的最优含水率为19%～21%，经105℃干燥，960℃焙烧，所生产的黏土砖体质量较好。综合考虑制砖各工艺环节，建议将污泥掺量控制在5%(质量分数)以内，5%污泥制备黏土烧结普通砖的抗压强度达15.0MPa以上，可作为承重砖体使用，并可提高隔热保温性能。关键词：黏土；城市污泥；烧结普通砖；抗压强度；气孔率中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：0454–5648(2010)10–1963–06PREPARATIONOFCOMMONCLAYBRICKBYSEWAGESLUDGEASTHEPARTIALRAWMATERIALLINZizeng，SUNKeqin(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Theclaybrickwaspreparedbysinteringusingsewagesludgeasthepartialrawmaterial.Theresultshowsthatthecom-pactnessofunburnedbrickdecreasesasthecontentofsludgeincreases.Duringthesinteringprocess,theheavymetalinthesewagesludgemeltsandthensolidifies;theorganicmattersvolatilizesandformsvoidstocausereductionofthecompressivestrengthandthermalconductivity.Thebrickswithgoodqualitycanbeobtainedwiththeoptimummoisturecontentrangefrom19%to21%,thedryingtemperatureof105andthesinteringtemperature℃of960.Consideringthebrickmanufacturingprocessinallaspects,the℃amountofsewagesludgeisrecommendedtobecontrolledwithin5%inmass,andthebrickpreparedhasthecompressivestrengthtoatleast15.0MPa.Thebrickmadeinthiswaycanbeusedasbearbrickwithgoodthermalinsulationandheatpreservationproperties.Keywords:clay;sewagesludge;firedcommonbrick;compressivestrength;porosity随着污水处理量增加及污水排放标准提高，城市污水厂污泥产量迅速增加。污泥产量约占污水量的0.3%～0.5%，但污泥处理设备投资却占到总投资的30%～50%，发达国家甚至达到70%，投资比例高。[1]目前，我国的污泥处置方式主要有卫生填埋、土地利用、焚烧等，但是这几种方法都存在一定的问题，[2–4]因此，寻找有效的污泥减量化、稳定化、资源化处置技术具有重要的现实意义。近年来，污泥资源化制砖技术得到了充分发展，[5–8]但对制砖工艺流程尚缺少系统性研究。为此，采用城市污泥为部分原料制备了黏土烧结普通砖(承重砖，120mm×57mm×27mm)，研究了污泥掺量对制砖工艺及砖体质量的影响，确定了污泥制砖的工艺参数及污泥控制掺量比；对砖体热导率及气孔率进行了测定，研究了污泥砖体隔热保温性能。此外，还对污泥砖体物相组成及重金属固化效果进行了分析。1实验1.1砖样制备城市污泥(含水率为75%)取自南京市江心洲污水处理厂，污泥处理工艺为：剩余污泥–浓缩–消化–机械脱水。为防止污泥中有机物挥发以及减少污泥干燥过程中臭味，污泥置于上海博迅实业有限公司医疗设备厂产GZX–9140MBE型数显鼓风干燥箱，60℃恒温干燥至恒重，粉碎后孔径为3mm的标准收稿日期：2010–01–10。修改稿收到日期：2010–06–23。第一作者：林子增(1982—)，男，博士研究生。通讯作者：孙克勤(1961—)，男，教授。Receiveddate:2010–01–10.Approveddate:2010–06–23.Firstauthor:LINZizeng(1982–),male,postgraduatestudentfordoctordegree.E-mail:[e-mail]:SUNKeqin(1961–),male,professor.第38卷第10期2010年10月硅酸盐学报JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.38，No.10October，2010硅酸盐学报·1964·2010年筛筛分，去除其中的粗大颗粒。黏土取自南京鑫翔新型建筑材料公司，粉碎后筛分。原料经上述预处理后，直接用于制砖。干燥污泥与黏土粉按表1配比混合，经陈化、成型制坯、干燥、焙烧等处理工序后，制成污泥烧结砖，工艺流程如图1。表1城市污泥–黏土质量配比Table1MassratiobetweenmunicipalsewagesludgeandclayCompositionw/%SampleSewagesludgeClayPlasticityindex1010018.2259519.13109020.34158521.3图1烧结普通砖生产工艺流程Fig.1Processchartofmanufactureofsludgebrick制砖工艺过程如下：原料称量预混，加水搅拌混合；陈化均匀混合料颗粒间的空隙水分，制坯成型(砖样尺寸为120mm×57mm×27mm)；生坯在105℃干燥至恒重，960℃烧结31h后冷却，制成黏土烧结普通砖。坯样置于上海博迅实业有限公司医疗设备厂产SX–4–10型高温箱型电炉中，按图2温度曲线进行烧结，在烧结起始阶段(室温～200℃)，主要为了去除干燥坯体中剩余水分，升温速率较快，一般为100℃/h；后升温速率降低至50℃/h，升温至400℃；在400～960℃,升温速率进一步降低至25℃/h，这是因为：第一，坯体熔融点在600℃左右，此时，黏土在烧结过程中开始熔融，液态玻璃相逐渐出现并开始发生反应。第二，为保证污泥中有机物完全分解以提高砖的气孔率，提高砖的隔热保温性能。在960℃烧成2h，以充分反应，后自然冷却至常温。图2砖坯烧结温度曲线Fig.2Thetemperatureprofileusedtosinterbrick1.2砖坯检测按照国家标准《烧结普通砖》(GB5101–2003)，用深圳市新三思材料检测有限公司产MT5305型微机电子万能试验机测量砖体抗压强度。用Isomet公司产Isomet2104型便携式热传导物性分析仪测定砖的热导率。用美国micromeritics公司产AutoPore9510Ⅳ型压汞仪测定砖的气孔率，检测条件：压力范围为0～413.7MPa，孔径范围为0.005～360μm。用吉林丹东通达仪器公司产DX–2000X型X射线衍射(X-raydiffraction，XRD)仪分析砖体的物相组成。用北京金索坤技术公司产SK–2003AZ型双道原子荧光光谱仪(atomicforcespectrometer，AFS)测定砖体浸出液重金属含量。用美国Microtrac公司产S3500型激光粒度分析仪分析粒度。用荷兰DEI公司产QUANTA200型环境扫描电镜(environmentalscanningelectronmicroscope，ESEM)观察形貌。用英国OXFORD公司产INCA型能谱仪确定成分。按照国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123–1999)，用南京土壤仪器厂GYS–3型光电式液塑限测定仪测定原料的塑性指数。2结果与分析2.1原料性质图3为原料颗粒尺寸分布曲线。图4为黏土、城市污泥形态SEM照片。原料的元素组成见表2.由图4可见：污泥中有较多的纤维，有机物、无机物布满了纤维之间的空隙，整块污泥呈现疏松多孔的结构。黏土结构致密，排列有序，铝硅酸盐类晶体的层状结构清晰可见。同时，由表2可见：污泥与黏土元素组成相似，林子增等：城市污泥为部分原料制备黏土烧结普通砖·1965·第38卷第10期图3污泥、黏土的颗粒尺寸分布曲线Fig.3Granulesizedistributioncurvesofsewagesludgeandclay图4污泥、黏土的SEM照片Fig.4Scanningelectronmicroscope(SEM)photographsofsewagesludgeandclay表2黏土和城市污泥元素组成Table2Elementalcompositionofclayandsewagesludgew/%ElementClaySewagesludgeAl10.558.13Si26.9927.25Fe6.315.92Ca1.442.43Mg2.111.50K1.862.42O46.1241.13Na0.370.68Ti0.480.55Ni0.520.43Note:Sewagesludgedriedat60toconstant℃mass.数量级接近，烧结过程易于熔融，形成烧结体。2.2污泥掺加对原料塑性指数影响不同污泥掺量混合原料的塑性指数如图5所示。由图5可见：随着污泥的掺加，混合原料液限随污泥量增加而呈指数型增长，塑限随污泥量的增加呈线性增大，液限增长较快，塑性指数也增大。分析认为，随着污泥掺量增加，混合原料有机质含量增大，其易分解形成有机酸，并与黏土矿物产生离子交换，增加了原料可塑性。纯黏土塑性指数为18.9，15%污泥原料塑性指数为21.3，上述原料均具有较好的成型能力，满足制砖要求。图5污泥掺量与原料塑性指数关系Fig.5RelationshipbetweenatterberglimitsandsludgesludgeadditionRisrelativefactor.由此可见，污泥在制砖过程中，起到了增塑剂作用。对于低可塑性制砖原料，如页岩石等，适量掺加污泥制砖可增加混合原料的塑性指数，降低对页岩粉颗粒粒径要求，减少页岩破碎能耗，节约能硅酸盐学报·1966·2010年源及制砖成本。2.3污泥掺加对原料制坯成型的影响在制坯工艺中，有2个最重要的参数：最优含水率(optimummoisturecontent，OMC)和最大干密度(maximumdrydensity，MDD)这2个参数可以对成型过程原料及水分添加量进行有效控制，以保证原料颗粒间的连结性能最好，[9]坯体质量最优。图6为不同污泥掺量混合原料的最优含水率和最大干密度曲线。由图6可见：纯黏土的OMC约为18.6%，混合料的OMC为19%～21%，此即污泥制坯工艺含水率控制范围。同时可知，随着污泥的掺加，混合原料的OMC上升而MDD下降，颗粒之间的连结能力减弱，砖坯密实度下降，对制坯产生不利影响。分析原因可能是：污泥中的有机物含量多，随着污泥的掺加，混合原料中的有机质含量增加，土壤颗粒表面负电性增大，对结合水的吸附能力增强，颗粒之间易形成结合水膜，使摩擦力减小，造成土的分散性增大，吸水量加大，最优含水率增加。[10]随着含水量的增加，水占据的体积增大，颗粒所占的体积相对减小，因而干