本發(fā)明涉及污泥處理技術(shù)領(lǐng)域，且特別涉及一種利用城市污泥制備的膠凝材料、其制備方法和應(yīng)用以及由其制備的水泥。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的進步和社會生產(chǎn)力的提高給人類社會帶來了空前的物質(zhì)財富，與此同時卻伴隨人口的急劇增加、資源的過度開發(fā)，環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問題也日益突出。尤其是我國城鄉(xiāng)工業(yè)的迅速發(fā)展，城市污水處理廠排出的城市污泥的排放量急劇增加。城市污泥中含有不同成分的重金屬、酸堿腐蝕物等有害物質(zhì)，如不妥善處理而隨意堆放或直接填埋，不僅會占用大量的土地資源，而且會對地下水和生態(tài)環(huán)境造成二次污染。
為了減少城市污泥的危害，現(xiàn)有技術(shù)中對城市污泥多采用填埋、堆放、固化及堆肥處理，直接填埋及堆放污染嚴重。將城市污泥通過厭氧發(fā)酵制備緩釋肥料或利用城市污泥作基礎(chǔ)材料制備垃圾場填埋場封場覆蓋材料，其能耗高，污泥處理不完全，且處理產(chǎn)物穩(wěn)定性不高，其有害物質(zhì)能夠重新溶于水中造成二次污染。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的第一目的在于提供一種利用城市污泥制備的膠凝材料，利用城市污泥及鋼渣作原料，利用工業(yè)廢渣對城市污泥進行有效處理及循環(huán)再利用；其強度高、穩(wěn)定性好，能夠防止二次污染。
本發(fā)明的第二目的在于提供上述膠凝材料的制備方法，其工藝簡單、能耗低，原料處理完全且產(chǎn)品附加值高。
本發(fā)明的第三目的在于提供上述膠凝材料制備水泥中的應(yīng)用，其能夠充分利用城市污泥及鋼渣等工業(yè)廢物的潛在價值，實現(xiàn)廢物循環(huán)利用。同時，其能夠降低水泥熟料生產(chǎn)過程中的能耗，進一步降低水泥的成本，同時降低二氧化碳的排放量。
本發(fā)明的第四目的在于提供一種利用城市污泥制備的水泥，其生產(chǎn)成本低，抗壓性能優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于道路及民用建筑等工程建設(shè)中。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。
本發(fā)明提出一種利用城市污泥制備的膠凝材料，由原料與水混合后煅燒制得，原料包括50-80wt％的第一原料、5-30wt％的第二原料以及5-20wt％的第三原料，第一原料由城市污泥經(jīng)烘干后粉碎制得，第二原料由鋼渣經(jīng)烘干后粉碎制得，第三原料由石灰石烘干后粉碎制得。
本發(fā)明提出一種上述膠凝材料的制備方法，包括：備取第一原料及第二原料，加水攪拌成料球，將料球于1000-1100℃煅燒0.5-1h，冷卻后粉碎。
本發(fā)明提出一種上述膠凝材料制備水泥中的應(yīng)用。
本發(fā)明還提出一種利用城市污泥制備的水泥，包括：4-6wt％的二水石膏、65-90wt％的水泥熟料以及5-30wt％的上述的膠凝材料。
本發(fā)明實施例的有益效果是：本發(fā)明提供的利用城市污泥制備的膠凝材料，利用城市污泥及鋼渣作原料，采用工業(yè)廢渣對城市污泥進行有效處理及循環(huán)再利用，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。鋼渣和城市污泥在煅燒過程中能夠形成硅酸二鈣等礦物，硅酸二鈣由γ相轉(zhuǎn)化為β相并與金屬氧化物等形成固溶體，增加了膠凝材料的強度和穩(wěn)定性。上述膠凝材料的制備方法，只需要對原料進行粉碎及煅燒等操作，且煅燒周期短，煅燒過程無固體廢物等排出，其原料處理完全，工藝簡單、能耗低。利用該膠凝材料部分替代水泥熟料，充分利用了城市污泥的潛在價值。其制備的水泥生產(chǎn)成本低，抗壓性能優(yōu)良，由于污泥的生產(chǎn)量大，而水泥在建筑業(yè)等行業(yè)的需求量也大，該水泥能夠廣泛應(yīng)用于道路及民用建筑等工程建設(shè)中。
具體實施方式
為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
下面對本發(fā)明實施例的利用城市污泥制備的膠凝材料、水泥以及該膠凝材料的制備方法及應(yīng)用進行具體說明。
一種利用城市污泥制備的膠凝材料，由原料與水混合后煅燒制得，原料包括50-80wt％的第一原料、5-30wt％的第二原料以及5-20wt％的第三原料，第一原料由城市污泥經(jīng)烘干后粉碎制得，第二原料由鋼渣經(jīng)烘干后粉碎制得，第三原料由石灰石烘干后粉碎制得。
本發(fā)明中，城市污泥的成分含量高，其污泥使用和處理量大。鋼渣為鋼鐵廠排出的固體廢棄物，采用城市污泥和鋼渣作為原料，有效利用工業(yè)廢渣對城市污泥進行處理及利用。石灰石能夠協(xié)助鋼渣與城市污泥一同發(fā)生反應(yīng)，增強材料的強度。且石灰石作為一種礦山資源，其來源豐富，成本低。
鋼渣和石灰石能夠與城市污泥中的酸堿腐蝕物反應(yīng)，消除酸堿腐蝕物的危害。同時，鋼渣在煅燒過程中能夠與城市污泥中的結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)生成新的官能團，與采用單一的城市污泥進行煅燒相比，煅燒產(chǎn)物除了含有無水硫酸鈣以外，還生成了硅酸二鈣(2CaO·SiO2)，其水化熱小，加速了膠凝材料的水化發(fā)應(yīng)。
在本發(fā)明較佳的實施例中，第二原料的含量為10-30wt％，更優(yōu)的為20-30wt％。經(jīng)研究人發(fā)現(xiàn)，當該膠凝材料中第二原料的含量為30wt％左右、第三原料含量約20wt％的時候，鋼渣和城市污泥之間的反應(yīng)更充分，制得的膠凝材料的抗壓性能較佳。
將城市污泥和鋼渣分別進行烘干后粉碎至粒徑小于80μm，便于鋼渣和城市污泥充分混勻，使原料在煅燒過程中能夠充分反應(yīng)。
上述膠凝材料的制備方法，包括：備取第一原料及第二原料，加水攪拌成料球，將料球于1000-1100℃煅燒0.5-1h，冷卻后粉碎。
本發(fā)明提供的膠凝材料的制備方法，只需要將原料進行烘干、粉碎后混勻再進行煅燒，其工藝簡單、能耗低。其煅燒時間僅為0.5-1h,生產(chǎn)周期短、效率高。在制備過程中無固體廢渣等排出，其對城市污泥及鋼渣等廢棄物的處理完全。
在煅燒過程中，料球在高溫條件下充分進行化學反應(yīng)，對污泥產(chǎn)生腐蝕作用，破壞污泥中有害物質(zhì)的原有結(jié)構(gòu)；此外，污泥中殘余的重金屬等有害物質(zhì)固溶于晶格之中，防止其產(chǎn)生二次污染。
具體地，在溫度為達到約800℃時，城市污泥與鋼渣中的CaO和SiO2反應(yīng)生成硅酸二鈣(2CaO·SiO2)等礦物，同時鋼渣中γ-2CaO·SiO2晶型轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷Ｓ捎谖锪现泻蠧u、Zn等微量元素起到助熔劑的作用，使焚燒過程的液相溫度降低，隨著溫度進一步升高，物料約900℃時出現(xiàn)液相。溫度繼續(xù)升高到1000℃，煅燒物料的液相量逐漸增多，液相粘度降低，利于反應(yīng)的進行，β相的2CaO·SiO2與原料中的金屬氧化物等物質(zhì)形成復雜的固溶體，在冷卻過程中對2CaO·SiO2的晶形轉(zhuǎn)變產(chǎn)生抑制作用，使所得的產(chǎn)物中2CaO·SiO2以β相的形式穩(wěn)定存在，防止重金屬等有害物質(zhì)溶于水造成二次污染。
在本發(fā)明較佳的實施例中，料球的粒徑為8-20mm，其能夠使原料在煅燒過程中充分反應(yīng)。為了進一步提高煅燒效率，料球的粒徑為10-12mm。
較佳的，在對原料進行煅燒之后，采用快速降溫的方法對產(chǎn)物進行冷卻。快速冷卻過程中，液相轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ?，污泥中的重金屬等有害物質(zhì)于液相中被凝固于玻璃相中，從而抑制了其水溶性，進一步消除二次污染的隱患。
上述的膠凝材料可以用于代替水泥熟料，并用于制備水泥。
以城市污泥制備的膠凝材料替代水泥熟料用于進行水泥的制備，其能夠充分利用城市污泥及鋼渣等工業(yè)廢物的潛在價值，實現(xiàn)廢棄物處理的同時，對城市污泥及鋼渣等工業(yè)廢物循環(huán)再利用，節(jié)約資源，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。
以膠凝材料代替水泥熟料，能夠降低水泥熟料生產(chǎn)過程中的能耗及二氧化碳排放量，進一步減小污染，降低水泥的成本。
據(jù)此，本發(fā)明實施例中還提供了一種利用城市污泥制備的水泥，包括：4-6wt％的二水石膏、65-90wt％的水泥熟料以及5-30wt％的上述的膠凝材料。
該膠凝材料具有較好的穩(wěn)定性和強度，其制備的水泥也具有較強的抗壓強度，便于推廣和使用，可廣泛應(yīng)用于道路及民用建筑等工程建設(shè)中。
較佳的，該膠凝材料在混合前先粉碎至粒徑小于80μm，使其能夠和二水石膏和水泥熟料混合均勻，進一步增強水泥的抗壓強度等性能。
此外，經(jīng)研究人發(fā)現(xiàn)，該水泥以膠凝材料部分代替水泥熟料，和采用單一的水泥熟料作為原料相比，其抗壓強度更高，其中當該膠凝材料在水泥中的含量為15wt％左右時，其制得的水泥抗壓強度更高。
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的特征和性能作進一步的詳細描述。
實施例1
一種利用城市污泥制備的水泥的制備方法，包括：
制備膠凝材料：將城市污泥烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第一原料；將鋼渣烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第二原料；將石灰石烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第三原料。稱取80kg第一原料、5kg第二原料和15kg第三原料，加水混合攪拌成粒徑為8mm的料球。將料球在100℃條件下烘干后于1000℃保溫煅燒0.5h，鼓風冷卻后粉碎至粒徑小于80μm，即得。
稱取5kg上述膠凝材料、5kg二水石膏以及90kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制備的水泥。
實施例2
一種利用城市污泥制備的水泥的制備方法，包括：
制備膠凝材料：將城市污泥烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第一原料；將鋼渣烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第二原料；將石灰石烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第三原料。稱取80kg第一原料、10kg第二原料和10kg第三原料，加水混合攪拌成粒徑為10mm的料球。將料球在100℃條件下烘干后于1000℃保溫煅燒0.5h，鼓風冷卻后粉碎至粒徑小于80μm，即得。
稱取10kg上述膠凝材料、5kg二水石膏以及85kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制備的水泥。
實施例3
一種利用城市污泥制備的水泥的制備方法，包括：
制備膠凝材料：將城市污泥烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第一原料；將鋼渣烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第二原料；將石灰石烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第三原料。稱取50kg第一原料、30kg第二原料和20kg第三原料，加水混合攪拌成粒徑為12mm的料球。將料球在100℃條件下烘干后于1000℃保溫煅燒1h，鼓風冷卻后粉碎至粒徑小于80μm，即得。
稱取15kg上述膠凝材料、5kg二水石膏以及80kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制備的水泥。
實施例4
一種利用城市污泥制備的水泥的制備方法，包括：
制備膠凝材料：將城市污泥烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第一原料；將鋼渣烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第二原料；將石灰石烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第三原料。稱取75kg第一原料、20kg第二原料和5kg第三原料，加水混合攪拌成粒徑為16mm的料球。將料球在100℃條件下烘干后于1100℃保溫煅燒1h，鼓風冷卻后粉碎至粒徑小于80μm，即得。
稱取20kg上述膠凝材料、5kg二水石膏以及75kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制備的水泥。
實施例5
一種利用城市污泥制備的水泥的制備方法，包括：
制備膠凝材料：將城市污泥烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第一原料；將鋼渣烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第二原料；將石灰石烘干后粉碎至粒徑小于80μm，制得第三原料。稱取70kg第一原料、15kg第二原料和15kg第三原料，加水混合攪拌成粒徑為20mm的料球。將料球在100℃條件下烘干后于1100℃保溫煅燒1h，鼓風冷卻后粉碎至粒徑小于80μm，即得。
稱取30kg上述膠凝材料、5kg二水石膏以及65kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制備的水泥。
對比例
稱取5kg的二水石膏和95kg的水泥熟料混合，制得常規(guī)的硅酸鹽水泥。
根據(jù)《GB/T 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法》對實施例1-5及對比例制得的水泥的在3d、7d以及28d時，分別進行抗壓強度測試，其結(jié)果如表1所示。
表1.抗壓強度測試表
根據(jù)表1可知，將該膠凝材料按照上述比例代替水泥熟料制得的水泥，如實施例4及實施例5所示，其抗壓強度與純硅酸鹽水泥的抗壓強度相當；在其他實施例中，其抗壓強度增加。當膠凝材料中由鋼渣烘干后粉碎制得的第二原料的含量為30wt％時，使用其制得的水泥的抗壓強度更高。同時，當膠凝材料在水泥中的含量小于15wt％時,其制得的水泥抗壓強度優(yōu)良。
綜上所述，本發(fā)明提供的利用城市污泥制備的膠凝材料，利用城市污泥及鋼渣作原料，利用工業(yè)廢渣對城市污泥進行有效處理及循環(huán)再利用，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。鋼渣和城市污泥在煅燒過程中能夠形成硅酸二鈣等礦物，硅酸二鈣由γ相轉(zhuǎn)化為β相并與金屬氧化物等形成固溶體，增加了膠凝材料的強度和穩(wěn)定性。該膠凝材料的制備方法只需要對原料進行粉碎及煅燒等，煅燒周期短，煅燒過程無固體廢物等排出，其原料處理完全，能夠有效消除城市污泥中重金屬及酸堿腐蝕物等有害物質(zhì)的危害，工藝簡單、能耗低。利用該膠凝材料部分替代水泥熟料，充分利用了城市污泥的潛在價值。其制備的水泥生產(chǎn)成本低，抗壓性能優(yōu)良，由于污泥的生產(chǎn)量大，而水泥在建筑業(yè)等行業(yè)的需求量也大，該水泥能夠廣泛應(yīng)用于道路及民用建筑等工程建設(shè)中。
以上所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。