利用工業(yè)廢渣制備輕質(zhì)陶瓷磚的研究

廖花妹 劉延翔 吳柏惠

摘 要：本文對(duì)現(xiàn)今陶瓷行業(yè)廢棄物處理和城市污泥處理的問題展開了調(diào)查，并利用工業(yè)廢渣研制輕質(zhì)陶瓷磚。通過重點(diǎn)研究廢渣組成及均化后的變化，得到了穩(wěn)定的廢渣原料，重點(diǎn)解決了利用廢渣生產(chǎn)輕質(zhì)磚的關(guān)鍵工藝技術(shù)問題，并得到了性能優(yōu)越的輕質(zhì)陶瓷磚。

關(guān)鍵詞：陶瓷廢棄物；城市污泥；輕質(zhì)陶瓷磚

1 引言

近十幾年來，我國的建筑陶瓷工業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，現(xiàn)有建筑陶瓷企業(yè)已超過三千家，年產(chǎn)量達(dá)89.92億m2，占世界第一位。同時(shí)，建陶工業(yè)廢料也日益增多，它不僅對(duì)城市環(huán)境造成巨大壓力，而且還限制了城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及建陶工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)了解，每年廠家為處理這些廢渣的費(fèi)用高達(dá)幾百萬甚至上千萬，加大了廠家的負(fù)擔(dān)并影響了生產(chǎn)的速度，所以進(jìn)行陶瓷工業(yè)廢料的處理與利用，開展企業(yè)清潔生產(chǎn)工作非常重要。

據(jù)了解，包括廣東在內(nèi)的城市特別是大中城市正在面臨越來越緊迫的污泥處理重任。以廣東為例，隨著城市污水處理設(shè)施的不斷增加和完善，2010年全省每天污泥產(chǎn)生量將是12021t。而預(yù)測(cè)至2020年，每天污泥產(chǎn)生量將達(dá)到18696t，足足增長了將近一倍。如此龐大的污泥量，將成為環(huán)境的一大負(fù)荷。佛山市污水處理廠已達(dá)45個(gè)，污水處理得到污泥量約達(dá)3600t/d，合計(jì)約達(dá)108萬t/年。這些污泥的再處理已經(jīng)成了政府迫切需要解決的問題。

針對(duì)以上情況，本文對(duì)陶瓷行業(yè)廢棄物及污泥進(jìn)行了資源化研究，使其變廢為寶，采用廢棄物作為主要原料來生產(chǎn)輕質(zhì)陶瓷磚。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本課題采用的原料有：廢磚粉、拋光磚廢渣、城市河道淤泥、深色泥屎、劣質(zhì)泥、高嶺土尾礦、石灰石等。

2.1.1廢磚粉

廢磚粉為生產(chǎn)拋光磚時(shí)產(chǎn)生的廢品磚，將廢磚用燧石輪碾機(jī)碾碎成粉狀，廢磚粉一般成分為石英粒和玻化瓷粒，玻化瓷粒也含石英和玻璃相、莫來石等晶相。經(jīng)化學(xué)分析，廢磚粉的主要化學(xué)組成為：Al2O3 16%～22%、SiO2 68%～75%、Fe2O3≤0.5%、K2O+Na2O 5%～8%，以及燧石粒等。

2.1.2拋光磚廢渣

拋光磚廢渣主要為在拋光磚生產(chǎn)過程中由玻化磚在表面拋光時(shí)與砂輪磨料研磨產(chǎn)生的渣泥，其顆粒細(xì)度大，為瘠性料，含石英、玻璃相、莫來石等晶相。經(jīng)化學(xué)分析，拋光磚廢渣的主要化學(xué)組成為：Al2O3 17%～21%、SiO2 65%～70%、Fe2O3 1%～2%、K2O+Na2O 6%～8%，以及少量的SiC、SiN、色料等。

2.1.3河道淤泥

淤泥是一種以含水鋁硅酸鹽為主的各種礦物的混合物，為礦物巖石碎屑和有機(jī)腐化物等組成的混合物，其礦物晶體中含有長石等多種熔劑型礦物和有機(jī)物質(zhì)，顆粒較細(xì)，可塑性高。經(jīng)物理性能分析，淤泥的可塑性指數(shù)（IP）為l3～15，屬易熔粘土，煅燒后呈淺紅色。經(jīng)化學(xué)分析，淤泥的主要化學(xué)組成為： Al2O3 12%～15%、SiO2 55%～61%、Fe2O3 4%～5%、K2O+Na2O 2%～8%、CaO+MgO≤1%，以及有機(jī)質(zhì)及化合水5%左右。

2.1.4深色泥屎

深色泥屎指生產(chǎn)黑色、深咖啡色、墨綠色、中國紅色及灰色等深色系的拋光磚殘余的廢色土粉、廢色坯和被污染的粉料。由于坯料色料含量高，會(huì)影響料坯體的燒成溫度及膨脹系數(shù)，故需要合理使用。經(jīng)化學(xué)分析，深色泥屎的主要化學(xué)組成為：Al2O3 17%～21%、SiO2 67%～70%、Fe2O3 0%～2%、MnO2 0%～2%、Cr2O3 0%～2%、CoO 0%～2%、NiO 0%～2%、K2O+Na2O 3%～7%等。

2.1.5高嶺土尾礦

在選礦過程中，原礦在第一次選礦完成后，會(huì)有約30%～40%的粗、細(xì)尾礦產(chǎn)生。這些尾礦如果直接處置，雖然不會(huì)對(duì)環(huán)境造成太大的危害，卻會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)。最終的高嶺土尾礦中主要含黃鐵礦、石英砂、及20%左右的高嶺土。經(jīng)化學(xué)分析，高嶺土尾礦的主要化學(xué)組成為：Al2O3 12%～19%、SiO2 73%～80%、Fe2O3≥1%、K2O+Na2O≤1%、燒失量 6%～8%。

2.1.6石灰石

石灰石在配方中用作輔助發(fā)泡劑，用來調(diào)整氣泡的發(fā)泡情況。本研究所用的石灰石主要化學(xué)組成為：CaCO3 98.5%、SiO2 0.5%～1.2%、Fe2O3 0.5%。

2.2 原料的均化

原料的穩(wěn)定是生產(chǎn)穩(wěn)定的前提，本課題所涉及的原料均為工業(yè)廢棄物，如：廢品磚、拋光廢渣、廢棄泥屎、城市河道淤泥及高嶺土尾礦等，尤其是前三種原料，會(huì)隨拋光磚產(chǎn)品的種類不同其礦物組成、燒成溫度、發(fā)色情況等均變化較大。因此，原料的均化過程顯得極其重要。其均化工藝流程見圖1。均化后的原料化學(xué)組成及含量如表1所示。

2.3 制備輕質(zhì)陶瓷磚的配方組成

本文利用工業(yè)廢渣制備輕質(zhì)陶瓷磚的原料及含量如表2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)制備的輕質(zhì)陶瓷磚的理化性能如表3所示。

由表3可知，隨著體積密度的增加，吸水率降低，其主要是因?yàn)轶w積密度越大，孔隙率越小，相應(yīng)的吸水率也就越小。從配方01～配方05的產(chǎn)品外觀來看，配方01雖然體積密度較小，但是發(fā)泡太嚴(yán)重，產(chǎn)生了嚴(yán)重的內(nèi)卷，不適用與生產(chǎn)。綜合來看配方03和配方05分別是本項(xiàng)目研究0.6～1.0 kg/cm3和1.0～1.4 kg/cm3兩種輕質(zhì)磚中較理想的兩個(gè)配方，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都合格。

3.2 影響輕質(zhì)磚性能的因素

3.2.1成形工藝對(duì)輕質(zhì)磚性能的影響

輕質(zhì)陶瓷磚成形工藝并不復(fù)雜，但控制比普通玻化磚嚴(yán)格，致密度要求更加均勻穩(wěn)定，否則膨脹不一致會(huì)造成變形、鼓泡等缺陷。成形壓力要求也要較普通玻化磚低，這樣既能保證燒結(jié)，又不至于壓力太大不利于膨脹，只要滿足一定的生坯強(qiáng)度即可。通過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)要獲得膨脹率在8%左右、密度為1.0～1.4kg/cm3的輕質(zhì)陶瓷磚，需要滿足以下幾個(gè)條件：成形壓力為15MPa較理想；同一塊磚的厚度差需控制在0.3mm，同一批磚四角厚度差需控制在0.4mm；600mm×600mm規(guī)格磚的成形生坯尺寸為662mm×662mm。

3.2.2燒成工藝對(duì)輕質(zhì)磚性能的影響

由于不同密度的輕質(zhì)陶瓷磚的配方結(jié)構(gòu)不同、化學(xué)組成不同、發(fā)泡劑不同，所以其燒成工藝有較大差別。

對(duì)于密度在0.6～1.0 kg/cm3的輕質(zhì)陶瓷磚，其膨脹率在12%～25%之間，膨脹發(fā)泡劑除了拋光廢渣外，還引入了城市河道污泥或石灰石，其發(fā)泡劑主要為碳酸鈣和有機(jī)物質(zhì)（如：樹脂），發(fā)泡溫度范圍為860～1020℃。因此，如果配方的始熔點(diǎn)低，為了克服燒成變形以及表面發(fā)泡劑的揮發(fā)問題，可在發(fā)泡劑揮發(fā)前進(jìn)行保溫，使得其產(chǎn)生足夠的液相，目的是為了解決液相量和發(fā)泡劑的配合問題及解決變形問題。

對(duì)于密度在1.0～1.4kg/cm3的輕質(zhì)陶瓷磚，其膨脹率在6%～12%之間，膨脹發(fā)泡劑可以單獨(dú)使用拋光廢渣，而不必引入城市河道污泥或石灰石作為輔助發(fā)泡劑。因拋光廢渣發(fā)泡劑為碳化硅和有機(jī)物質(zhì)（如：樹脂），發(fā)泡溫度范圍為1000～1180℃，配方的骨架原料較多，可以用現(xiàn)有拋光磚燒成工藝實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)陶瓷磚的生產(chǎn)。研究證明，當(dāng)膨脹率為8%左右、密度為1.0～1.4kg/cm3的輕質(zhì)陶瓷墻漆磚的性能指標(biāo)為：尺寸規(guī)格為（604～608）mm×（604～608）mm、厚度在9.6～10mm間、吸水率在5%左右、抗折強(qiáng)度在12～18MPa間，以及抗酸堿性、耐污性、環(huán)境監(jiān)測(cè)等均符合標(biāo)準(zhǔn)。其產(chǎn)品燒成曲線如圖2所示。

4 結(jié)論

輕質(zhì)陶瓷磚所用原料尾礦或礦渣利用率高，是一種真正意義上的環(huán)保材料。輕質(zhì)陶瓷磚按密度分為0.6～1.0 kg/cm3的輕質(zhì)磚和1.0～1.4kg/cm3的半輕質(zhì)磚兩個(gè)系列，均可裸燒，生產(chǎn)工藝節(jié)能。輕質(zhì)陶瓷磚技術(shù)是一種多方位節(jié)能技術(shù)和環(huán)保技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用必將引起陶瓷行業(yè)的一次綠色革命。