煤矸石陶粒濾料的制備及性能研究

1、煤矸石陶粒濾料的制備及性能研究seriesno.368february2007金禹矽山metalmine總第368期2007年第2期煤矸石陶粒濾料的制備及性能研究李國昌王萍魏春城(山東理工大學(xué))摘要以煤矸石為原料,分別采用破碎法和成球法制成濾料生料,經(jīng)快升溫或慢升溫焙燒獲得陶粒濾料.對(duì)所制備陶粒濾料的氣孔率,氣孔孔徑和酸堿可溶率等指標(biāo)進(jìn)行了分析比較.結(jié)果表明:各種陶粒濾料制品均性能優(yōu)良;制品的氣孔率都隨著焙燒溫度的升高由小變大,又逐漸降低,成球法制品的氣孔率普遍要高于破碎法;快燒制品的氣孔孔徑分布范圍較窄,慢燒制品的氣孔孔徑分布范圍則很寬,2種焙燒方式所得制品中孔徑大于100m的氣孔都隨著焙燒

2、溫度的升高而增加;制品的酸堿可溶率均隨焙燒溫度的升高而降低.實(shí)際生產(chǎn)時(shí),可根據(jù)煤矸石特性,產(chǎn)品的性能要求,生產(chǎn)成本等確定煤矸石陶粒濾料的制備工藝.關(guān)鍵詞煤矸石陶粒濾料破碎法成球法氣孔率氣孔孔徑酸堿可溶率researchonpreparationandperformancesofceramsitefiltermaterialbycoalgangueliguochangwangpingweichuncheng(shandonguniversityoftechnology)abstractabstractcoalganguewasusedtoprepareceramsitefiltermateria

3、1.itwasfirstcrushedorpelletizedtobegreenmateria1.whichwasthenroastedatrapidorslowtemperaturerise.theporosity,porediameterandacid/alkalisolu-bilityofceramsitefiltermaterialsthuspreparedwerecompared.theresultsshowthatallceramsitefiltermaterialshavegoodperformances.theporosityincreasesfirstandthendecre

4、asegraduallywiththetemperatureincreaseanditisgenerallyhigherfortheproductprocessedbypelletizingthantheonebycrushing;theporediameterdistributionrangeoftherapiyroastedproductisnarrowerthanthatoftheslowlyroastedone,withthelatterbeingverywide;andwiththeriseoftheroastingtemperature,thenumberoftheporeshav

5、ingadiametergreerthan100moftheproductsmadebybothroastingmethodsincreasesandwhiletheiracid/alkalisolutionratedecreases.inpracticalproduction,thepreparationprocessofee-ramsitefiltermaterialcanbeselectedaccordingtothecharacteristicsofthecoalgangue,therequirementontheproductperformanceandtheproductionco

6、st.keywordsceramsitefiltermaterialmadeofcoalgangue,crushingmethod,pelletizingmethod,porosity,poredi-ameter,acid/alkalisolutionrate煤矸石是我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一,每年的排放量相當(dāng)于當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的10%左右,達(dá)1.21.6億t,現(xiàn)已累計(jì)堆存約40億t,占地約1.2萬hm.煤矸石的長期排放和堆存占用大量土地,同時(shí)污染大氣和地下水質(zhì)_1j.目前,我國煤矸石的綜合利用率只有50%左右,綜合利用技術(shù)裝備水平還比較落后,產(chǎn)品的技術(shù)含量不高,發(fā)展也不平衡.除用于礦井回

7、填外j,煤矸石的綜合利用可分為2類,一類有較好的經(jīng)濟(jì)效益,但用量少,還有可能產(chǎn)生二次污染,如利用煤矸石制取聚合氯化鋁,硫酸鋁,合成分子篩等引;另一類用量大,社會(huì)效益較明顯,但產(chǎn)品附加值低,如利用煤矸石生產(chǎn)建筑材料及制品等引.用煤矸石制備陶粒濾料既有較好的經(jīng)濟(jì)效益,又能大量消耗煤矸石,是煤矸石綜合利用的新途徑,優(yōu)點(diǎn)明顯.污水處理及水體凈化用傳統(tǒng)濾料多為石英砂,無煙煤,活性炭等,存在微生物掛膜困難,沖洗容易分層,板結(jié),過濾效率下降快等缺陷.陶粒用于水處理是最近十幾年才發(fā)展起來的.陶粒具有質(zhì)輕,比表面積大,生物掛膜容易,強(qiáng)度高,耐沖洗,濾速高,壓頭損失小,不堵塞等優(yōu)點(diǎn),主要用作曝氣生物濾池(biof

8、or)中的生物載體,含油廢水處理的過濾材料李國昌(196o一),男,山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,教授,255091山東省淄博市張店區(qū)張周路12號(hào).李國昌等:煤矸石陶粒濾料的制備及性能研究2007年第2期以及代替?zhèn)鹘y(tǒng)水處理中的深度處理用濾料等.生產(chǎn)陶粒濾料的原料一般為頁巖及粘土等,用煤矸石制備陶粒濾料在國內(nèi)尚未見報(bào)道,僅見有用煤矸石制備輕質(zhì)骨料方面的研究.本研究在前期工作的基礎(chǔ)上,用煤矸石制備了基本性能優(yōu)良,具有較高氣孔率,氣孔孔徑分布可調(diào)的陶粒濾料.1實(shí)驗(yàn)原料(1)煤矸石.煤矸石取自淄博市某煤礦,主要礦物為高嶺石,伊利石,長石,石英,磁鐵礦,云母等,主要化學(xué)成分見表1.煤矸石試樣經(jīng)破碎,細(xì)

9、磨,過100目篩后測(cè)定工藝性能,其可塑性指數(shù)為14.2318.40,熔融范圍為10201230oc.表1煤矸石化學(xué)成分%呈!蘭!垡xzy一851,1321.574.632.010.802.410.571.0015.88hsy一256.1520.404.782.200.162.521.300.2112.28:塹:!:竺壘:竺:塹:!:竺:!:墼(2)輔助原料.成球法制備陶粒濾料時(shí)加入適量的粘土及高分子聚合物,以提高原料的可塑性和坯體的強(qiáng)度.2實(shí)驗(yàn)方法2.1陶粒濾料的制備根據(jù)陶粒濾料生料的制備工藝,陶粒濾料的制備方法可分為破碎法和成球法2種,工藝流程見圖1煤矸石產(chǎn)品圖1陶粒濾料制備工藝破碎采用10

10、060型顎式破碎機(jī),粉碎采用350圓盤磨,成球采用自制圓盤成球機(jī),焙燒采用srjx49型和sx2813型箱式電阻爐.2.1.1破碎法將煤矸石用破碎機(jī)破碎后過篩分級(jí),取25mm樣在干燥箱中于100oc下干燥68h,作為陶粒濾料生料.生料的焙燒分別采用快升溫和慢升溫2種方式,以考察不同升溫速度對(duì)陶粒濾料性能的影響.(1)快升溫(快燒).將生料在電阻爐中預(yù)熱至600oc并保溫10rain,然后迅速移至高溫爐中,分別壓9009409801020106011100114011801220,1260oc溫度下焙燒5rain,得到成品.(2)慢升溫(慢燒).將生料置于高溫爐中,然后分別逐漸升溫至900,94

11、0,980,1020,1060,1100,1140,1180,1220,1260oc,焙燒5rain,得到成品.破碎法陶粒濾料受原料影響較大,但是成本低,適于煤矸石類型單一或變化不大的礦山.2.1.2成球法(可塑法)將配好的原料粉碎,過100目篩,然后用圓盤成球機(jī)成球.成球機(jī)轉(zhuǎn)速2030r/min,圓盤傾角40.50.,成球過程中噴霧加水.料球達(dá)到適當(dāng)粒徑時(shí)停機(jī)出料,于室內(nèi)自然干燥24h,再于干燥箱中在100oc下干燥68h,作為陶粒濾料生料.生料的焙燒制度與破碎法相同.煤矸石因產(chǎn)出部位不同而使其成分,性質(zhì)存在較大差異.不同類型的煤矸石混雜在同一矸石山上不易分離,給煤矸石的利用帶來一定困難,成

12、球法(可塑法)制備陶粒濾料可以較好地解決這一問題.2.2制品性能測(cè)試采用美國quantachrome公司產(chǎn)poremaster60全自動(dòng)壓汞儀測(cè)量制品上氣孔的孔徑.壓汞儀工作條件為低壓試驗(yàn)壓力0.13mpa,高壓試驗(yàn)壓力大約350mpa,測(cè)量用汞為分析純.按照gb/t1966-1996的規(guī)定,采用抽真空法測(cè)定制品的氣孔率.所用儀器為梅特勒xs204型分析天平,北京中興偉業(yè)儀器有限公司產(chǎn)2xz一2型旋片式真空泵,干燥器等.每次平行測(cè)定5份樣品,分別取最大值,最小值和平均值.采用荷蘭fei公司產(chǎn)sirion200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察品的孔結(jié)構(gòu)特征.將制品分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸或氫氧化鈉溶

13、液中常溫浸漬24h,取出沖洗,在105oc下干燥24h,測(cè)定制品的酸堿可溶率.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論3.1制品的外觀特征焙燒后陶粒的顏色由煤矸石的黑色變?yōu)樯顪\不同的紅褐色,氣孔大小和分布也有所不同.快速焙燒時(shí),900940cc燒成制品的顏色較淺,呈現(xiàn)土黃,淺磚紅色,氣孔和膨脹不明顯;9801180oc燒成制品出現(xiàn)棕紅,鐵灰色,可以觀察到氣孔,膨脹明顯;12201260oc燒成制品的顏色變深,出現(xiàn)灰黑,鐵黑色,氣孔明顯,膨脹不明顯而且局部熔融燒結(jié)成塊,閉口氣孔較多.慢速焙燒陶粒濾料的外觀特征與快速焙燒陶粒.79?總第368期金屬礦山2007年第2期濾料的基本相同,主要區(qū)別是慢速焙燒制品的膨脹不明顯.3

14、.2制品的氣孔率圖25是不同生料制備方法及不同焙燒方式所得陶粒濾料制品的氣孔率變化曲線.?80.;l圖2破碎法快燒制品的氣孔率變化一最大值;?一最小值;一平均值瀑槲圖3成球法快燒制品的氣孔率變化一最大值;11一最小值;一平均值褂圖4破碎法慢燒制品的氣孔率變化一最大值;_一最小值;一平均值,褂圖5成球法慢燒制品的氣孔率變化一最大值;?一最小值;一平均值從圖25可以看出:不管是破碎法還是成球法,是快燒還是慢燒,總體上,制品的氣孔率在實(shí)驗(yàn)焙燒溫度范圍內(nèi)都有一個(gè)由小變大,又逐漸降低的過程.這是因?yàn)?焙燒溫度較低時(shí),煤矸石燒失不充分,產(chǎn)生的氣體較少,所以制品的氣孔率較低(參見圖6(a);隨著焙燒溫度升高

15、,燒失量增加,制品的氣孔率也變大;焙燒溫度達(dá)到一定范圍后,燒失成分完全被燒掉,制品的氣孔率出現(xiàn)極大值(參見圖6(b);焙燒溫度進(jìn)一步升高,制品出現(xiàn)過燒,并開始收縮,部分開口氣孔變?yōu)殚]口氣孔(參見圖6(e),甚至有一些氣孔被熔融物質(zhì)堵塞,致使氣孔率下降.圖6破碎法快燒制品的sem圖像比較而言,成球法陶粒濾料氣孔率的變化更有規(guī)律性,而破碎法陶粒濾料氣孔率的變化則復(fù)雜些.此現(xiàn)象應(yīng)歸因于破碎法原料成分的不均一性.此外,成球法制品的氣孔率普遍要高一些,一般為40%50%,最高接近70%;而破碎法制品的氣孔率一般為30%40%,最高超不過50%.這主要是因?yàn)閳A盤成球機(jī)制備的料球本身具有較多的孔隙,致密程度

16、低于破碎法制備的生料.因此,要得到較李國昌等:煤矸石陶粒濾料的制備及性能研究2007年第2期高氣孔率的陶粒濾料,易采用成球法.3.3制品的氣孔孔徑分布圖7一l0為不同生料制備方法及不同焙燒制度所得陶粒濾料制品的氣孔孔徑分布圖.圖中縱坐標(biāo)表示單位質(zhì)量制品中某-:fl徑氣孔的微分體積.某-:fl徑氣孔的微分體積越大,說明該孔徑的孔在制品中所占份額越多.言i呂舄s蛙授言i呂蛙挺孔徑in.m(a)980oc孔徑/p.m(b)io60oc圖7破碎法快燒制品氣孔孔徑分布呂i呂蛙揠?yún)蝘呂蛙挺孔徑/p.m(a)98ooc孔徑/p.m(b)io60oc圖8破碎法慢燒制品氣孔孔徑分布對(duì)于氣孔微分體積呈單峰分布(如

17、圖7和圖9)的制品,主要用最可幾孔徑來描述其氣孔孔徑分布特征.最可幾孔徑指氣孔微分體積為最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣孔孔徑.最可幾孔徑越大,說明制品中大,中孔越多.對(duì)于氣孔微分體積呈多峰分布(如圖8和圖l0)的制品,則用峰值孔徑來描述其氣孔孔徑分布特征.峰值孔徑指各氣孔微分體積峰值所對(duì)應(yīng)的氣孔孔徑.言i呂舄s蛙授言i呂蛙挺孔徑in.m(a)980oc孔徑,m(b)io6ooc圖9成球法快燒制品氣孔孔徑分布呂i呂蛙挺言量蛙囊授孔徑,m(a)980oc孔徑,m(b)io6ooc圖10成球法慢燒制品氣孔孔徑分布3?3.1破碎法制品的氣孔孔徑分布破碎法快燒制品的氣孔孔徑分布范圍較窄(圖7),不同焙燒溫度下制品的

18、最可幾孔徑變化不大,980,1060下制品的最可幾孔徑分別為8m,10m;隨著焙燒溫度的升高,小峰逐漸消失,氣孔總第368期金禹礦山2007年第2期孔徑分布曲線變得圓滑,且最可幾孑l徑對(duì)應(yīng)的孑l的微分體積變小,同時(shí)孔徑大于100ixm的氣孔所占比例增加.破碎法慢燒制品的氣:fl:fl徑分布范圍很寬(圖8),在儀器的測(cè)量范圍內(nèi),各種孔徑的氣孔均有一定數(shù)量的分布,并出現(xiàn)多個(gè)峰值孔徑;隨著焙燒溫度的升高,峰值孔徑小幅增大,如980慢燒制品中大小為0.3,5,10m的峰值孔徑在1060oc慢燒制品中分別增大到0.6,7,11ixm;與快燒制品一樣,慢燒制品在較高焙燒溫度下孔徑大于100m的大孔的比例也

19、有增加的趨勢(shì).在慢燒的情況下,制品膨脹很小,因此破碎法慢燒制品的氣:fl:fl徑分布特征基本上也反映了破碎法原料中成孔組分的差異.3.3.2成球法制品的氣:fl:fl徑分布成球法制品的氣:fl:fl徑分布變化規(guī)律與破碎法制品基本相同,氣:fl:fl徑的分布范圍,最可幾孔徑的大小,峰值孔徑的數(shù)量,位置及曲線的形態(tài)等均沒有大的差別.所不同的是與破碎法相比,成球法慢燒制品中峰值孔徑為57m的孔大大減少.通過以上分析,可以認(rèn)為陶粒濾料制品的氣孔孔徑分布特征主要取決于焙燒制度,并且與原料性質(zhì)有一定關(guān)系,而陶粒濾料生料的制備方法對(duì)其影響不大.3.4制品的酸堿可溶率圖1114為破碎法與成球法陶粒濾料制品的酸

20、堿可溶率與焙燒溫度之間的關(guān)系曲線.可以看到:不同生料制備方法,不同焙燒方式所得制品的酸堿可溶率均隨著焙燒溫度的升高而降低,反映出陶粒濾料制品的酸堿可溶率與焙燒溫度關(guān)系最為密切,而受制備方法,焙燒方式的影響不明顯.?82?褂建鏈赫鏈褪圖l1破碎法快燒制品酸堿可溶率_一酸可溶率;一堿可溶率褂鏈鏈替縫言鏈瓣鏈鏈圖12破碎法慢燒制品酸堿可溶率_一酸可溶率;一堿可溶率.i;ll讒售筐圖13成球法快燒制品酸堿可溶率_一酸可溶率;一堿可溶率圖14成球法慢燒制品酸堿可溶率_一酸可溶率;一堿可溶率制品的酸可溶率均在940980oc之間明顯降低,之后變化較緩,至1180oc后又有一個(gè)突降.說明940oc以前原料中

21、的酸可溶組分較多,因而溶出率較高;940oc后原料物相發(fā)生變化,酸可溶組分燒結(jié)變?yōu)殡y溶組分,使溶出率降低;1180oc后樣品燒結(jié)熔融,表面出現(xiàn)玻璃釉層,氣孔堵塞,酸溶液難以進(jìn)入,導(dǎo)致溶出率進(jìn)一步下降.制品的堿可溶率在1060oc之前變化較快,之后趨于平穩(wěn).陶粒濾料制品的酸堿可溶率雖受生料制備方法,焙燒方式的影響不大,但仍能看出其中的某些變化.即成球法制品的氣孔率較高,因此其酸堿可溶率略高于破碎法制品;慢燒制品也由于同樣的原因,其酸堿可溶率稍高于快燒制品.李國昌等:煤矸石陶粒濾料的制備及性能研究2007年第2期由此看來,焙燒溫度的高低決定了制品的氣孑l率,而氣孑l率的高低以及氣孑l的連通性直接影

22、響著制品的的酸堿可溶率.4結(jié)論(1)以煤矸石為原料,采用破碎法或成球法制成濾料生料,經(jīng)快升溫或慢升溫焙燒,均可獲得性能優(yōu)良的陶粒濾料.(2)不管是破碎法還是成球法,是快升溫焙燒還是慢升溫焙燒,總體上,制品的氣孑l率都隨著焙燒溫度的升高由小變大,又逐漸降低.成球法制品的氣孑l率普遍要高于破碎法.(3)陶粒濾料制品的氣孑l孑l徑分布特征主要取決于焙燒制度,并且與原料性質(zhì)有一定關(guān)系,而濾料生料的制備方法對(duì)其影響不大.快燒制品的氣孑l孑l徑分布范圍較窄,最可幾孑l徑為81om;慢燒制品的氣孑l孑l徑分布范圍很寬,在儀器的測(cè)量范圍內(nèi),各種孑l徑的氣孑l均有分布;2種焙燒方式所得制品中孑l徑大于100m的

23、氣孑l都隨著焙燒溫度的升高而增加.(4)陶粒濾料制品的酸堿可溶率與焙燒溫度關(guān)系最為密切,受生料制備方法,焙燒方式的影響不明顯.各種制品的酸堿可溶率均隨焙燒溫度的升高而降低.(6)破碎法和成球法煤矸石陶粒濾料各具特點(diǎn),實(shí)際生產(chǎn)時(shí),可根據(jù)煤矸石特性,產(chǎn)品性能要求,(上接第77頁)礦柱和采空區(qū)后期充填等技術(shù)措施.經(jīng)過7年多生產(chǎn)和對(duì)采空區(qū)觀測(cè)均能保持穩(wěn)定.(3)地下水保護(hù).主要含水?dāng)鄬訛閒2,f132條,為了保護(hù)好2條斷層水不大量涌人礦井,主要采取先坑內(nèi)鉆探,尋找合理通道.經(jīng)過勘探指路,已成功通過f2斷層,較好地控制了水量涌人礦井.目前井下涌水量為180m/h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)涌水量.(4)通過近年來對(duì)利國地區(qū)地質(zhì)勘探和采礦方法的探索,總結(jié)出:在地質(zhì)勘探基礎(chǔ)上,進(jìn)行加密生產(chǎn)勘探;對(duì)所提交的探明儲(chǔ)量礦塊,認(rèn)真執(zhí)行國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),做到每個(gè)礦塊,每個(gè)采場(chǎng)一設(shè)計(jì),一方案,一措施,確保礦體回采率,杜絕亂采濫挖,采富棄貧行為.生產(chǎn)成本等確定制備工藝.參考文獻(xiàn)1畢銀麗,等.煤矸石堆放的環(huán)境問題及其生物綜合治理對(duì)策j,金屬礦山,200