赤泥-粉煤灰免烧陶粒的制备及应用_段凯强.pdf

-43-第46卷第1期 非金属矿 Vol.46 No.12023年1月 Non-Metallic Mines January,2023赤泥-粉煤灰免烧陶粒的制备及应用段凯强 谢慧娟 范智禹 院雪梅 罗 斌*聂登攀（贵州民族大学 化学工程学院，贵州 贵阳 550025）摘 要 以赤泥和粉煤灰为主要原料，通过添加硅酸钠和碳酸氢钠不需要高温煅烧便可制备出具有吸附性能的陶粒。以陶粒的解体率为评定指标，通过响应曲面研究了赤泥、粉煤灰、硅酸钠和碳酸氢钠的配比对陶粒解体率的影响，研究结果表明：赤泥、粉煤灰、碳酸氢钠和硅酸钠的最佳配比分别为 72%、10%、3%和 15%，可得到陶粒的最佳解体率为 4%。采用 X 射线荧光光谱（XRF）仪、X 射线衍射（XRD）仪和全自动比表面积及孔隙分析仪等对陶粒的组分、表面形貌特征、孔径分布进行研究，免烧工艺制备的陶粒生成了新的铝-硅化合物，陶粒表面具备多孔的特点。将陶粒应用于吸附磷石膏渗滤液中的磷和氟离子，总磷和 F-的去除率最高分别可达 79.80%和 97.28%。关键词 陶粒；赤泥；粉煤灰；吸附中图分类号：TQ174.71；X75文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)01-0043-04Preparation and Characterization of Red Mud and Fly Ash Non-fired CeramsiteDuan Kaiqiang Xie Huijuan Fan Zhiyu Yuan Xuemei Luo Bin*Nie Dengpan(School of Chemical Engineering,Guizhou Minzu University,Guiyang,Guizhou 550025)Abstract Using red mud and fly ash as the main raw materials,ceramic particles with adsorption properties can be prepared by adding sodium silicate and sodium bicarbonate without high-temperature calcination.Taking the disintegration rate of ceramsite as the evaluation index,the effect of the ratios of red mud,fly ash,sodium silicate and sodium bicarbonate on the disintegration rate of ceramsite was studied by response surface.The results showed that the optimal ratios of red mud,fly ash,sodium bicarbonate and sodium silicate were 72%,10%,3%and 15%respectively,and the optimal disintegration rate of ceramsite was 4%.The composition,surface morphology and pore size distribution of ceramsite were studied by means of XRF,XRD and full-automatic specific surface and voidage analyzer.The ceramsite prepared by non firing process formed a new aluminum silicon compound,and the surface of ceramsite was porous.Ceramsite was applied to adsorb phosphorus and fluorine ions in phosphogypsum leachate,the maximum removal rates of total phosphorus and F-in phosphogypsum leachate were 79.80%and 97.28%respectively.Key words ceramsite;red mud;fly ash;adsorption赤泥是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废渣，粉煤灰是火电厂煤炭燃烧后剩余的固体废物。目前，赤泥和粉煤灰的主要解决办法是堆存，堆存过程中大量重金属离子的外排会造成环境污染，这些固体废物进入水体也会淤塞河道，破坏生态环境。国内外学者对赤泥和粉煤灰的利用做了大量研究，其中采用赤泥或者粉煤灰制成陶粒吸附污水中的有害离子，具有一定的成效1-3。陶粒制备过程中需要高温煅烧，一方面增加了能耗，使生产成本增加；另一方面，高温煅烧产生大量的废气，造成环境污染。这两个因素限制赤泥、粉煤灰的再利用4。鉴于上述情况，本试验采用赤泥和粉煤灰作为主要原料，通过添加少量的硅酸钠和碳酸氢钠，不需要高温煅烧便可制成具有吸附性能的多孔型陶粒，并对陶粒的免烧制备工艺和其在磷石膏渗水中的应用进行研究，为赤泥和粉煤灰的再利用提供新思路。1 试验部分1.1 原料、试剂及仪器设备 赤泥，来自贵州某氧化铝生产企业；粉煤灰，来自贵州某发电厂；磷石膏渗滤液，来自贵州瓮福集团的磷石膏堆场，其 pH 值为 2，渗滤液中 F-含量为 1 950 mg/L，总磷含量为 13 846 mg/L。赤泥和粉煤灰的主要化学成分，见表 1。表 1 赤泥和粉煤灰的主要化学成分（w/%）原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2K2ONa2O 其他赤泥20.828.42 11.92 20.641.262.742366.525.34粉煤灰 55.42 26.85 10.421.920.840.261.332.440.52硅酸钠、碳酸氢钠，分析纯，均来自国药集团化学试剂有限公司。磁力搅拌器，OM-3SP2 型，上海一恒仪器有限公司；热风循环烘箱，QJPM-7C 型，河南安阳仪器设备厂；电子天平，YHKC-2Z 型，贵阳银河仪器厂；标准筛，BZS-200 型；上虞分样筛厂；pH 计，SD20 型，梅特勒-托利多国际有限公司。收稿日期：2022-12-13基 金 项 目：贵 州 省 教 育 厅 创 新 群 体 重 大 科 研 项 目(黔 教 合KY2018016)；贵州省科技计划项目(黔科合支撑 20204Y014)；贵州省科技计划项目(黔科合支撑 2021 一般 484)。*通信作者，E-mail：。-44-第46卷第1期 非金属矿 2023年1月1.2 免烧陶粒的制备 赤泥和粉煤灰弃去杂质后放到烘箱中 120 干燥 2 h，取出自然冷却备用。称取一定量的赤泥和粉煤灰，研磨后过 120 目（125 m）筛分级，以筛下部分作为原料分析。按照试验设计的原料配比，将赤泥、粉煤灰、硅酸钠、碳酸氢钠倒入烧杯中搅拌至充分混合均匀，搅拌过程中加入适当的去离子水，使其成为带有一定粘性的泥团。将泥团倒入模具中，并用力压实，将泥团制成12 mm的颗粒样品即陶粒。将陶粒放入袋中陈化，陈化的目的是经过一段时间后固化剂硅酸钠可充分发挥作用，而且原料中氧化钙熟化也需要较长的时间；同时配料的活性也需要一定的时间和温度才能被固化剂激发。由于陶粒在制备过程中加入了一定量的去离子水，为防止在后期养护阶段内部水大量气化使陶粒解体，将陶粒放置在烘箱中于 120 温度下烘干。从烘箱中取出冷却至室温得到制备成型的陶粒。放置一段时间后测其解体率。陶粒制备工艺流程，见图 1。图1 陶粒制备工艺流程图1.3 样品的性能测试 根据 CJ/T299-2008 水处理用人工陶粒滤料 测定陶粒的解体率5，将 5 g 陶粒加入 100 mL 装满去离子水的烧杯中，将烧杯置于磁力搅拌器中搅拌 1 h，搅拌转速为 60 r/min。待时间结束后将未解体的陶粒依次烘干、称重，解体率的计算公式，见式（1）。=（M-m）/M100%（1）式中：为解体率，%；m 为解体后陶粒质量，g；M 为原陶粒总质量，g。1.4 样品表征 采用赛默飞世尔 D8 Advance 型 X射线衍射(XRD)仪测定物相组成；采用荷兰帕纳科 RIGAKU ZSX Priums 型 X 射线荧光光谱（XRF）仪测定陶粒及原料的化学成分；采用美国麦克 TriStar II 3flex 型全自动比表面积及孔隙分析仪测定陶粒的比表面积和孔径。磷石膏堆场渗滤液中磷的测定方法采用 GB 11893-1989水质总磷的测定 钼酸铵分光光度法；氟离子按照 HJ 488-2009氟化物的测定-氟试剂分光光度法 进行测定。2 结果与讨论2.1 响应曲面优化陶粒原料配比2.1.1 因素设计：为探索陶粒制备过程中各添加量合适配比，采用 Design Expert 8.0 软件中的混料设计模块对赤泥掺量（A）、粉煤灰掺量（B）、碳酸氢钠掺量（C）和硅酸钠掺量（D）4 个因素的最优配比进行研究。其中，A、B、C、D 总和为 100%，从实际因素考虑，限制碳酸氢钠和硅酸钠的最高用量不超过 20%，以陶粒的解体率（Y）为响应值，设计 20 组试验，根据各组试验原料配比按图1工艺制备陶粒，测定陶粒解体率。各因素和水平与其对应的解体率，见表 2。表 2 试验影响因素水平表 序号因素Y：解体率/%A:赤泥/%B:粉煤灰/%C:碳酸氢钠/%D:硅酸钠/%170.0010.0020.000.0012.65250.0010.0020.0020.002.36345.0045.0010.000.0011.85445.0045.000.0010.002.74510.0090.000.000.0014.28630.0056.6713.330.0018.19770.0010.000.0020.006.32890.0010.000.000.0010.14970.0010.0010.0010.009.281043.3330.006.6720.003.711110.0070.000.0020.002.541210.0090.000.000.0015.411310.0070.0020.000.0010.301463.3336.670.000.0018.741590.0010.000.000.0010.341655.0025.0015.005.009.241745.0045.000.0010.007.451810.0050.0020.0020.002.011970.0010.0010.0010.005.282070.0010.0010.0010.004.64对表 2 数据采用多元回归方程进行拟合，得到解体率（Y）的回归方程为：Y=30.28A+30.72B+92.89C+321.75D-0.48AB-75.47AC-516.23AD-84.96BC-534.31BD-642.97CD2.1.2 模型的合理性分析：回归模型方差分析结果，见表 3。-45-表 3 回归模型的方差分析方差来源 平方和自由度均方F 值P 值显著性模型2 788.119309.7927.400.000 1显著线性混合 2 535.343845.1174.750.000 1显著AB0.02510.0252.24910-30.963 1不显著AC3.6913.690.330.580 6不显著AD176.861176.8615.640.002 7显著BC4.5414.540.400.540 5不显著BD185.061185.0616.370.000 23显著CD148.191148.1913.110.004 7显著残差113.05101 131-失拟项17.5553.510.180.095 68不显著纯误差95.51519.10-总离差2