中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材及其制备方法

【】本发明涉及固体废弃物安全处置和资源化利用的，具体涉及一种中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材及其制备方法。

背景技术

0、背景技术：

1、随着我国城镇化水平的提高以及人口数量的激增，城市生活污水越来越多，各地污水处理厂的数量和规模随之不断增加，污泥产量也与日俱增。据统计，在2020年，我国含水率为80％的污泥产量已超过6500万吨，且预计我国2025年的污泥年产量将突破9000万吨。

2、常用的污泥处置方式有卫生填埋、土地利用、污泥热解、焚烧和建材利用等。其中，焚烧与建材化利用相结合的处置方式具有独特优势。具体而言，一方面污泥由于含有较高含量的有机物，因而可在焚烧过程中充当燃料进行发电，另一方面污泥焚烧后产生的固体废弃物(污泥焚烧灰)含有较高含量的sio2和al2o3，与常用的辅助胶凝材料(如矿渣和粉煤灰等)成分相似，因而将污泥焚烧灰转换为新型低碳建筑材料。

3、目前，关于污泥焚烧灰建材化利用的研究大多集中于材料的短期工作性能和力学性能，而针对污泥焚烧灰掺合料的活性激发和水化机理等方面的研究仍有所欠缺。此外，污泥焚烧灰的水泥固化等低温处置方式(如公告号为cn106495511b的发明专利所公开的一种利用电镀污泥制备胶凝材料的工艺以及公开号为cn110668748a的发明专利所公开的一种适用于污泥焚烧灰渣固化制砖的方法)存在污泥焚烧灰掺合料的组分活性差、反应率低和产品性能欠佳等问题，而污泥焚烧灰的高温烧结等高温处置方式(如公告号为cn102249730b的发明专利所公开的一种工业固体废弃物的资源化处置以及公告号为cn105924220b的发明专利所公开的一种化工污泥焚烧灰渣掺加复合稳定剂制备填料的工艺)又存在成本高、能耗大和碳排放多等问题。因此，如何有效激发污泥焚烧灰掺合料活性并实现污泥焚烧灰的低碳高效建材化利用，亟待解决。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明提出了一种中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材及其制备方法，能够解决污泥焚烧灰脱毒处理问题，且工艺简单、低碳环保，可实现对污泥焚烧灰的无害化处理和资源化利用。

2、为实现上述目的，本发明提出了中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，包括如下步骤：

3、a)一次混合：称取重量比例为70～90份的污泥焚烧灰、5～15份的钙源碱性辅助材料以及5～15份的硫源辅助材料并均匀混合，得到干粉混合物；

4、b)二次混合：在步骤a)所制备的干粉混合物中均匀混入水，得到湿粉混合物；

5、c)压制成型：将步骤b)所制备的湿粉混合物填入模具内并进行压制，得到压制样品；

6、d)水热养护：对步骤c)所制备的压制样品进行水热养护，得到成品。

7、作为优选，在所述步骤a)中，污泥焚烧灰在与钙源碱性辅助材料和硫源辅助材料相混合前还需要先在95～115℃的条件下烘干至恒重。未经干燥处理的污泥焚烧灰通常含有一定水分。在实验室研究阶段，为了方便调控试验配方中的水分添加量，因此需要将原材料在95～115℃的温度下进行充分干燥的预处理。在实际生产制造过程中，若知道待处理污泥焚烧灰中的水分，调控水的添加量即可，也可以不用干燥。

8、作为优选，在所述步骤a)中，污泥焚烧灰的al2o3的含量为20～30％，污泥焚烧灰的sio2的含量为30～40％。在市政污水污泥焚烧厂的灰样中，al2o3和sio2的含量普遍在20～30％和30～40％。污泥焚烧灰的成分与水泥相似，因此具有一定胶凝特性和水化活性，而这赋予了其建材化利用的可能。

9、作为优选，在所述步骤a)中，钙源碱性辅助材料为氢氧化钙、氧化钙、电石渣或石灰中的一种或几种的组合。其中，钙源碱性辅助材料的添加，为体系创造了碱性环境。

10、作为优选，在所述步骤a)中，硫源辅助材料为石膏。其中，硫源辅助材料的添加，为水化产物的生成提供了机制基础。

11、作为优选，在所述步骤b)中，干粉混合物与水之间的水灰比为0.2～0.4。这一水灰比是经过大量的试验探究出的最佳范围，不仅能够实现样品压制成型，还有利于后续水化反应过程的强度发展。

12、作为优选，在所述步骤c)中，压制压力为50～150mpa。同样的，压制压力范围也是经过大量的试验探究出的最佳范围，50～150mpa的压制压力能实现样品压制成型，保证水热养护过程中样品不破裂、不膨胀。

13、作为优选，在所述步骤d)中，水热养护温度为100～300℃，水热养护时间为1～12h。其中，原料在水热养护条件下，可表现出独特的水化特性，从而一方面使产品的抗压强度符合道路用路面砖的国家建筑材料强度要求，另一方面使产品的重金属浸出浓度符合利用固体废物生产砖材的标准要求。

14、作为优选，在所述步骤d)中，水热养护结束后还需要在40～70℃的条件下干燥6～10h。在实验室研究阶段，为了方便对水热养护后的试件进行各项测试表征，需要将试件干燥处理。该干燥温度和干燥时间，可有效排除多余水分。在实际生产中，也可以不需要这一步干燥。

15、中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材，由上述制备方法所制得，所述污泥焚烧灰的颗粒之间填充有硅铝酸盐产物和铝酸盐产物。

16、作为优选，所述硅铝酸盐产物包括水化硅铝酸钙c-(a)-s-h和水化硅酸钙托勃莫来石等，所述铝酸盐产物包括单硫型水化硫铝酸钙(afm)和多硫型水化硫铝酸钙(aft)等。

17、本发明的有益效果：

18、本发明公开了一种可有效激发污泥焚烧灰掺合料活性并实现污泥焚烧灰绿色、高效、建材化增值利用的方法，可消纳大量的污泥焚烧灰并将其转化为具有良好力学性能和极低污染物浸出的新型建筑材料，具体效果如下：

19、1)本发明采用低温水热养护方式将污泥焚烧灰制成一种零水泥添加的新型建筑材料，一方面与现有的低温空气养护制造建筑材料的方法相比，可显著激发污泥焚烧灰的活性，从而使污泥焚烧灰反应效率显著提升，另一方面与现有的高温烧结制造建筑材料的方法相比，可显著降低制备过程的能耗(水热养护温度不高于300℃)，使工艺更加低碳、环保和节能；

20、2)本发明通过在高含sio2和al2o3的污泥焚烧灰之中配伍添加钙源碱性辅助材料和硫源辅助材料，可利用钙源碱性辅助材料提供碱性环境，使水化反应生成的硅铝酸盐产物和铝酸盐产物在污泥焚烧灰的颗粒之间的缝隙内进行填充，令使固化产品具有良好的力学性能，能够作为新型建筑材料进行应用，还可利用水化产物对重金属产生的物理封隔、离子交换和共价结合等固化稳定化作用以使重金属浸出浓度显著降低。

21、本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

技术特征：

1.中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于：在所述步骤a)中，污泥焚烧灰的al2o3的含量为20～30％，污泥焚烧灰的sio2的含量为30～40％。

3.如权利要求1所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于：在所述步骤a)中，钙源碱性辅助材料为氢氧化钙、氧化钙、电石渣或石灰中的一种或几种的组合。

4.如权利要求1所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于：在所述步骤a)中，硫源辅助材料为石膏。

5.如权利要求1所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于：在所述步骤b)中，干粉混合物与水之间的水灰比为0.2～0.4。

6.如权利要求1所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于：在所述步骤c)中，压制压力为50～150mpa。

7.如权利要求1所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于：在所述步骤d)中，水热养护温度为100～300℃，水热养护时间为1～12h。

8.如权利要求1所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法，其特征在于：在所述步骤e)中，干燥温度为40～70℃，干燥时间为6～10h。

9.中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材，由权利要求1至8中任一项的制备方法所制得，其特征在于：所述污泥焚烧灰的颗粒之间填充有硅铝酸盐产物和铝酸盐产物。

10.如权利要求9所述的中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材，其特征在于：所述硅铝酸盐产物包括水化硅铝酸钙c-(a)-s-h和水化硅酸钙托勃莫来石，所述铝酸盐产物包括单硫型水化硫铝酸钙和多硫型水化硫铝酸钙。

技术总结本发明公开了中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材及其制备方法。中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的制备方法包括a)一次混合：称取重量比例为70～90份的污泥焚烧灰、5～15份的钙源碱性辅助材料以及5～15份的硫源辅助材料并均匀混合，得到干粉混合物、b)二次混合：在步骤a)所制备的干粉混合物中均匀混入水，得到湿粉混合物、c)压制成型、d)水热养护和e)终期干燥，可消纳大量的污泥焚烧灰并将其转化为具有良好力学性能和极低污染物浸出的新型建筑材料。中低温水热激发污泥焚烧灰衍生绿色建材的污泥焚烧灰的颗粒之间填充有硅铝酸盐产物和铝酸盐产物，具有良好的力学性能，重金属浸出浓度低。技术研发人员：王磊,时雅倩,严建华受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29