基于實踐育人的固體廢棄物資源化實驗設計
——以“建筑固廢工業副產石膏制備免燒磚”為例*

周 龍，馬華菊，歐陽丹麗

(桂林理工大學 南寧分校，廣西 南寧 530001)

“固體廢棄物資源化實驗”是為我校環境專業和資源循環科學與工程專業開設的一門綜合性的實驗課，其開設在第五學期，學生學完四大基礎化學和固體廢棄物資源化課程后，旨在使學生掌握常規的廢棄物處理與資源化方法，培養學生的實驗創新能力，引導學生將所學理論知識與生產實際相結合，運用理論指導解決實際問題，進而加深對“固體廢棄物資源化”這門課程的理論理解。“高摻比建筑固廢工業副產石膏制備免燒磚”實驗，其來源于教師橫向科研課題，在融入了“固體廢棄物就是放錯了地方的資源”這一課程思政理念的基礎上設計。通過實驗鍛煉學生動手能力、創新思維、運用理論分析解決問題能力，潛移默化的加強學生的環保意思、節約意識以及資源循環利用意識。

1 設計背景及意義

2021年2月，《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》發布，要求建設資源綜合利用基地，促進工業固體廢物綜合利用，資源循環利用和污染物集中安全處置等[1]。建筑固廢和工業副產石膏作為大宗固廢[2，3]，僅廣西一地，2015年建筑固廢排放量已近達到4780萬t，隨著近幾年廣西大力推進城市基礎設施更新、舊城改造和新城同步建設，建筑固廢排放量應早已突破 8000萬t。工業副產石膏在2020年的總產生量約達到 200 Mt 的高位，如何挖掘建筑固廢、工業副產石膏再生產業價值是研究者亟待解決的問題[2，4]。

免燒磚(即蒸壓加氣混凝土砌塊)是以硅質材料和鈣質材料為主要原材料，其具有質地輕，強度大等特性，大量用于各種公共設施和民用建筑中。團隊通過對南寧地區的免燒磚磚廠調研發現，其生產的免燒磚主要是以粉煤灰、生石灰、天然石膏、水泥、細沙等為主要原料，通過壓制成型后高溫蒸汽養護而成。但現階段的免燒磚制備過中，細沙、水泥和天然石膏的占比到達60% ～70%，固廢使用率并不高。而近年來隨著國家大力整治河沙的亂開亂采現象，以及高耗能產業的轉移和關停，直接導致細沙和水泥的成本逐年升高，企業成本壓力越來越大，找到細沙、水泥和石灰的替代原料是十分必要的。由于建筑固廢的主要成分是砂石和固化后的水泥，成分與免燒磚相同，工業副產石膏和天然石膏的成分都為硫酸鈣，且建筑固廢、工業副產石膏皆為大宗固廢，作為免燒磚的原料時完全可行的，且購置成本幾乎為零。

因此，從固體廢棄物資源化利用這一問題出發，同時兼顧降低企業原料成本，引導學生自主設計實驗，探究合適的免燒磚配比，最終達到培養學生創新能力、分析解決問題能力和鞏固所學理論的目的。該實驗具有一定的科研前瞻性，且由教師科研項目派生而來，在實驗過程中，對學生的科技查新，文獻資閱讀、科研能力培養提升也起到了一定促進作用。

2 實驗設計

2.1 實驗目的

掌握X射線衍射儀、電感耦合等離子體質譜儀的操作；掌握MDI Jade軟件的使用；鍛煉學生運用已學理論知識分析解釋實驗現象規律的能力；樹立“垃圾就是放錯了地方的資源”這一環保理念，培養學生動手能力、創新思維及環保意識。

2.2 實驗原理

免燒磚(即蒸壓加氣混凝土砌塊)是以硅質材料和鈣質材料為主要原材料，通過配料澆注、發氣靜停、切割、蒸壓養護等工藝制成的多孔輕質硅酸鹽建筑制品[5]，其生產的免燒磚主要是以粉煤灰、生石灰、天然石膏、水泥、細沙等為主要原料，建筑固廢的主要成分是砂石和固化后的水泥[6]，成分與免燒磚相同原料細沙、 水泥相同，工業副產石膏和天然石膏的成分都為硫酸鈣。 從廢物資源化利用的角度出發，以建筑固廢部分代替細沙，工業副產石膏部分代替天然石膏制備免燒磚，并考察不同固廢的加入對免燒磚品種的影響。

2.3 主要儀器和試劑

實驗主要原料：工業副產石膏(由來自不同企業的磷石膏、脫硫石膏、鈦石膏、中和石膏等以不同比例配置成多份，并編號)；建筑固廢(選不同地區的廢棄水泥塊，破碎后，以不同比例配置成多份，并編號)；粉煤灰、生石灰、天然石膏、水泥、細沙 (廣西南寧某制磚廠提供)

主要實驗儀器：微機伺服萬能試驗機(YAW-3000)；電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9920A)；X射線衍射儀(XRD-7000S/L型)；制磚機(ZY1100型)；電感耦合等離子體質譜儀(德國 Thermo Fisher)。

2.4 實驗方法[7]

1)免燒磚制備：將實驗原料按照設定配比混勻混合，加水攪拌，于模具內制磚并壓實，脫模蒸壓養護制得；

2)XRD分析：將工業副產石膏、建筑固廢制樣后，于X射線衍射儀上進行測樣，結果用MDI Jade軟件進行分析；

3)抗壓強度測試：將干潔的免燒磚試塊樣品至于電液伺服壓力試驗機上，設定測試程序，樣品被擠壓碎裂的壓力值即為抗壓強度測試值；

4)干密度測試：取無破損的的磚試塊，置于烘箱中 120 ℃ 烘烤，每隔 6 h 測試一次質量，當其質量不再發生變化時，測量其長寬高，計算出體積V，并稱量其質量m1，用質量m1/體積V及得到密度ρ。

5)吸水率測試：將進行干密度測試后的磚試塊完全浸漬于水中，24 h 后取出，擦干表面水分，稱量其重量m2，計算出吸水率ω，公式如下：

6)孔隙率測試：將免燒磚試塊置于烘箱中 120 ℃ 烘烤至恒重，測試質量為m3，并依據試塊長寬高測定其體積V2，然后將磚試塊完全浸漬于水中，靜水天平稱量其在水中的質量m4，計算出孔隙率p，計算公式如下：

(7)重金屬浸出實驗：將抗壓強度測試后破碎的試塊進一步破碎，過100目篩，取篩下樣品，完全浸漬在pH=3.2的濃硫酸和濃硝酸混合液(m濃硫酸∶m濃硝酸=2∶1)中，混合液與磚塊測試樣體積比為5∶1。常溫下震蕩，分別于6、24 h 取 5 mL 上清液，過膜后于電感耦合等離子體質譜儀中測試樣品中重金屬離子的濃度。

3 實驗內容和結果分析

3.1 原料中重金屬成分分析研究

學生以小組為單位，進行實驗，通過抽簽的方式選擇不同編號的工業副產石膏和建筑固廢，進行XRD實驗，并通過MDI Jade軟件分析原料的主要成分及含量，填寫表1和表2，通過對比各組分含量的高低，確定重金屬侵出實驗主要研究的重金屬，填寫表3部分內容。同時與傳統免燒磚制備原料組分進行比對，論證建筑固廢代替部分細沙，工業副產石膏代替部分天然石膏的理論可行性。

表1 工業副產石膏XRD分析

表2 建筑固廢XRD分析

表3 重金屬侵出實驗

3.2 建筑固廢最佳配比研究

建筑固廢的主要成分為固化后的水泥、細沙及破碎后的鵝卵石，在建筑固廢最佳配比研究中，其研磨粉碎后可替代細沙，學生在查閱相關資料基礎上，確定傳統免燒磚中細沙的配比，以傳統免燒磚中細沙的配比作為研究過程中建筑固廢和細沙的總原料占比，調節建筑固廢的含量，并研究其對免燒磚性能的影響。

如學生在查閱資料后，得到在傳統免燒磚制備中，原料中各組分占比分別為粉煤灰15%、生石灰10%、天然石膏25%、水泥10%和細沙占40%，可在研究中，設定粉煤灰15%、生石灰10%、天然石膏5%、工業副產石膏15%、水泥10%、建筑固廢、細沙共占比為40%，考察不同建筑固廢含量對免燒磚的性能影響，并填寫表4。

表4 不同建筑固廢參雜量制備的免燒磚指標

通過對比表4中不同建筑固廢添加量制備的免燒磚的各項指標，分析工業副產石膏的添加對免燒磚各個性能指標的影響，并查閱相關資料，分析其內在影響機理，最終確定最優的建筑固廢參雜量。

3.3 工業副產石膏最佳配比研究

工業副產石膏的主要成分為硫酸鈣，其與天然石膏的主要成分相同，在制備免燒磚時可代替天然石膏，在工業副產石膏最佳配比研究中，在確定傳統免燒磚中天然石膏的配比，以傳統免燒磚中天然石膏的配比作為研究過程中工業副產石膏和天然石膏的總原料占比，調節工業副產石膏的含量，并研究其對免燒磚性能的影響，最終確定最優的工業副產石膏、天然石膏參雜量。

如學生在查閱資料后，得到在傳統免燒磚制備中，原料中各組分占比分別為粉煤灰15%、生石灰10%、天然石膏25%、水泥10%和細沙占40%，可在研究中，設定粉煤灰15%、生石灰10%、水泥10%、建筑固廢30%、細沙10%、天然石膏、工業副產石膏攻占比25%，考察不同工業副產石膏含量對免燒磚的性能影響，并填寫表5。

表5 不同工業副產石膏參雜量制備的免燒磚指標

通過對比表5中不同工業副產石膏添加量制備的免燒磚的各項指標，分析工業副產石膏的添加對免燒磚各個性能指標的影響，并查閱相關資料，分析其內在影響機理，終確定最優的工業副產石膏參雜量。

3.4 重金屬侵出研究研究

由于免燒磚中的重金屬主要來源于工業副產石膏，所以本次實驗只考慮工業副產物的添加量和浸出時間對重金屬浸出量的影響，將論文3.3部分中制備的免燒磚置于配好的酸性液中，分別在浸泡 6 h 和 24 h 取樣測試，分析浸漬液中于論文3.1部分中確定的主要研究的重金屬的含量，并將對應數據填入表3中。

依據表3中的數據，分析工業副產石膏增加和浸泡時長對重金屬浸出量的影響，并查閱相關資料，分析其內在影響機理，評估工業副產石膏制備免燒磚的環境風險。

4 結語

依據教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》文件精神和學校課程思政改革的要求，教學團隊在設置“固體廢棄物資源化”課程實驗中，注重將理論與企業實際問題相結合，并有機融入教師日?？蒲姓n題研究內容，有效激發學生科研探索興趣，并將“垃圾就是放錯了地方的資源”這一理念融入實驗中，樹立學生資源循環利用意識，同時注重對學生動手能力，創新能力、發現問題并利用理論知識解決問題的能力以，及歸納總結的能力，達到實驗實踐課程育人的目的。