固廢基陶瓷微珠透水磚的制備方法

摘 要：利用大宗固體廢棄物制備透水建材可以為城市雨洪管理提供綠色高性能產品，是解決“無廢城市”和“海綿城市”問題的新舉措。文章以典型難處理工業固廢為研究對象，針對建材制造業囿于環境污染隱患、固廢消耗能力低的行業難題以及傳統制磚工藝能耗大、碳排放高的技術難題，發明了重金屬吸附-燒結?；?水泥固化協同制備陶瓷微珠透水磚的方法，通過清潔生產提升工業廢棄物的利用價值，以期在綠色建材領域引領一波創新浪潮，助推環境友好型城市基礎設施的構建。

關鍵詞：大宗固廢利用；環境友好型建材；固廢基陶瓷微珠；透水性能

1 前言

我國采礦、冶金、煤電及化工等重工業每年產生超過30億噸的固體廢棄物，歷史累積的固廢量超過700億噸。由于缺乏有效的處置技術，這些固廢不僅造成了資源的巨大浪費和土地的大量占用，還對生態環境和公共健康構成嚴重威脅。開發以大宗工業固廢為原料的透水建材不僅有助于消耗大量的歷史堆存固廢，還能為城市雨洪管理提供高性能的綠色產品，從而成為實現“無廢城市”和“海綿城市”目標的重要一環。

在固廢建材化的方案中，制備陶瓷微珠透水磚展示了卓越的固廢處理能力和節能減碳優勢。其核心工藝包括兩個關鍵步驟：一是將固廢通過高溫燒結，?；癁樘沾晌⒅?，這一步不僅提高了物料的物理強度，而且實現了重金屬成分的固化；二是骨料燒結與壓制成型技術，陶瓷微珠骨料與其他輔料混合，通過壓制處理，得到性能卓越的透水磚。固廢基陶瓷微珠透水磚不僅在功能性上優越，也在環境保護方面發揮了重要作用，是固廢資源化和環境可持續發展的典范。

2制備固廢基陶瓷微珠

在建材領域，水泥和混凝土行業對固廢的消納量最大，但是存在重金屬固化能力弱、受堿金屬和堿土金屬等成分限制因素大、易發生泛堿開裂等問題，產品附加值較低。陶瓷微珠的固廢消耗量僅次于水泥和混凝土，但是對重金屬固化卻具有顯著成效。

2.1工藝流程

制備開孔空心陶瓷微珠的工藝涉及復雜的化學和物理變化，旨在將礦渣、尾礦、冶煉渣等固廢轉化為有價值的材料，并且高溫玻化過程時間短、能耗低，不存在緩慢的燃燒現象，不產生二噁英等有害物質，環境友好。以鈦礦渣為例，具體制備步驟如下：

（1）固廢預處理，將鈦礦渣經過破碎和球磨處理，轉化為粒徑約200μm～300μm的細粉，小粒徑有助于后續化學反應的進行、縮短燒結時間和材料性能的提升。（2）造粒，在200μm～300μm的鈦礦渣細粉中加入沸石作為催化劑，并以0.5～0.6的水灰比進行調漿，水灰比的選擇至關重要，因為它直接影響到混合物的流動性和后續的造粒效果，在攪拌0.5 h～1 h后，將混合物送入造粒機進行高速旋轉，噴射形成粒徑約350μm～450μm的實心微珠。（3）燒結，實心微珠在380～410℃的條件下進行烘干，直至含水量降至3%以下，然后送入封閉的膨化爐里進行高溫快速燒結。

燒結過程分為兩個關鍵階段：膨化（900～950℃）和燒結（1000～1200℃），在膨化爐膨化區，由于高溫的作用，微珠中的水分迅速蒸發，導致微珠內部產生壓力并膨脹，形成不規則的開孔結構，這一階段持續約10秒；開孔微珠在膨化爐內風機的抽吸作用下進入燒結區，以1050～1200℃進一步燒結約15秒，微珠中的硅酸鹽和鋁酸鹽發生熔融或半熔融狀態的轉變，在風機的持續抽吸作用下進入輸料管內并且快速冷卻，形成玻璃相質地。

2.2固廢重金屬固化/穩定化的原理

固廢資源化的前提是無害化。固廢浸出重金屬對環境的危害具有持續性和隱蔽性，其中鉛、鋅、銅、鉻是較常見、危害較大的重金屬元素。固廢基陶瓷微珠的制備就是不斷地改變固廢中重金屬及有害物質的賦存形態（表1），使之理化性能更加穩定從而實現無害化的過程。

以重金屬鉛（Pb）為例，在初始階段，鉛以活潑的Pb2+離子形式存在；通過沸石等材料的吸附和離子交換作用，Pb2+離子被固定在沸石的硅鋁氧四面體結構中，形成硅酸鹽結合態；隨后，在高溫膨化爐內，經歷氧化反應轉化為PbO化合物形式；隨著燒結溫度升高，鉛及其氧化物與其他金屬氧化物發生復雜的絡合反應，形成如鉛鐵絡合物、鉛錳絡合物等，進一步加強了其化學穩定性；最終，隨著物料的逐漸冷卻，鉛及其復合物被固定在非晶態玻璃相結構中。這種結構具有出色的耐腐蝕性和耐高溫特性。

2.2.1重金屬吸附與離子交換

在制備固廢基陶瓷微珠的過程中，為了實現無害化生產，沸石被選作化學穩定化劑。沸石是一種具有良好吸附及離子交換性能的硅鋁酸鹽礦物，資源儲量豐富，常被用于去除廢水中氨氮、磷、重金屬以及有機物等污染物。天然沸石的比表面積為250.8 m2/g，負極表面使天然沸石對溶液中Pb、Cu、Cd、Zn等重金屬有良好的吸附能力。當沸石與固廢混合，在加水調漿過程中，廢石釋放無害的鈉（Na+）、鈣（Ca2+）和鉀（K+）陽離子，這些陽離子可以與固廢中浸水后溶出的有害重金屬離子發生離子交換反應，這種固化作用對環境友好且有效，能顯著減少這些重金屬離子對水體和土壤的污染。

2.2.2玻化包被

以鈦礦渣為例，鈦礦渣中的物相為二氧化鈦、四氧化三鐵、二氧化硅、三氧化二鐵、硅酸鎂、鋁硅酸鈣，同時，也常含有重金屬和有害物質，如鉻（Cr）、鉛（Pb）、硫（S）等。在1100～1200℃的燒結溫度下，這些物質出現熔融現象，硅酸鹽和鋁酸鹽結構軟化并重組，快速冷卻形成玻璃相釉體，將固化后的重金屬和有害物質進一步有效包裹，形成致密且穩定的結構，從而降低環境污染風險。如：鉻（Cr）在高溫下可以與氧化鈣（CaO）反應形成穩定的鉻酸鈣（CaCrO4），Cr2O3+2CaO→2CaCrO4；鉛（Pb）可以與二氧化硅（SiO2）反應，形成鉛硅酸鹽（PbSiO3），PbO+SiO2→PbSiO3。這些反應產物的理化性能非常穩定，減少了重金屬和有害物質的生物可利用性和環境遷移性。

3制備固廢基陶瓷微珠透水磚

3.1配料

固廢基陶瓷微珠透水磚研發的意義是將大宗固廢作為主要的生產原料，減少黏土、頁巖等非可再生資源的使用。以鈦礦渣為例，固廢基陶瓷微珠透水磚的配料有：水泥10～20wt%、粒徑350μm～450μm鈦礦渣開孔空心微珠45～65wt%、模數3.2～3.5的硅酸鈉8～15wt%、燒失量1%的粉煤灰5～15wt%、粒徑100μm～150μm活性炭10～30wt%，以上各組分的重量百分比之和為100%。工業固廢在配料中的比重在60%以上，非可再生資源替代率100%。

3.2骨料燒結-壓制成型技術

根據《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2022）》，2020年，我國建筑業能耗總量高達22.7億tce，占全國能耗的45.5%。這一數據凸顯了推行綠色節能生產在建材行業中的重要性，該行業肩負著轉型的重大責任。

調研發現，多數企業在透水磚生產過程中依然采用傳統整磚窯爐燒結工藝，每生產1平方米透水磚就要消耗約10立方天然氣。骨料燒結-壓制成型技術淘汰了落后的整磚窯爐燒結工藝，僅對骨料進行燒結。骨料的粒徑只有350μm～450μm，細小的粒徑和碩大的比表面積使其在膨化爐內均勻受熱，僅需25秒即可實現膨脹和玻化，生產1平方米透水磚的天然氣消耗量僅2.8立方。與整磚窯爐燒結相比，節能超過65%，不僅是能源利用效率的突破，也為建材行業的綠色轉型提供了切實可行的解決方案。

3.3制備透水磚

固廢基陶瓷微珠骨料占比55wt%，混合固化劑、粘結劑等輔料，以0.4～0.5的水灰比調漿，再加入混合料總重量為0.2～1.0%的鋁粉膏，鋁粉膏水化反應生成氣泡，形成多孔膨脹吸水漿液，將膨脹吸水漿液攪拌均勻倒入海綿磚壓制機的試模中，經刮平、壓制、脫模、晾干，制成固廢基陶瓷微珠透水磚。

3.4固廢基陶瓷微珠透水磚性能優化

固廢基陶瓷微珠骨料采用了創新的高溫膨化和快速冷卻燒結工藝，通過這種方法，骨料的結構變得更加穩定和均勻，從而在應用中展現出高耐久性和承載力；骨料特性協同多孔隙連通結構設計，在透水磚壓制成型前加入混合料總重量的1%鋁粉膏在調漿和養護過程中持續發泡，氣泡與骨料的開孔及間隙形成連通結構（圖1），產生多孔膨脹的吸水漿液，極大地提升了透水磚的透水和排水能力。所制備固廢基陶瓷微珠透水磚抗壓強度35 MPa～38 MPa；有效孔隙率＞35%，透水系數3.7×10-2 cm/s。

4結論

通過先進的固廢資源化技術，可以顯著提高工業固廢的能源回收效率，并推動建材行業向更可持續、環保的發展方向轉型。本研究所提出的制備方法不僅為固廢的減量化和資源化提供了一種有效策略，而且能顯著緩解建材行業當前面臨的環境壓力，進一步促進環保與經濟發展的雙贏。此技術的推廣應用預期將為建筑行業的綠色轉型開辟新路徑，并為城市雨洪管理與水資源的合理利用提供創新解決方案。

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