湖泊淤泥制备保水陶粒的研究

贾楚君+甘火军+马必纯+刘延湘

摘要：以武汉市湖泊淤泥为主要原料，加入适量粘土与造孔剂，按照预处理→混碾搅拌→造粒成型→烘干→预烧→高温焙烧→冷却的流程制备了陶粒，以吸水率与抗压强度为性能指标，分别采用碳酸氢铵、谷壳灰、谷壳碳作为造孔剂，探究了不同的造孔剂及加入量对陶粒性能的影响，并确定了粘土的加入比例及焙烧温度。结果表明：当选择谷壳碳为造孔剂，加入15%时制得的陶粒有较好的吸水性能，吸水率达到43.0%。粘土的加入比例在5%～15%范围内，陶粒的抗压强度随粘土的加入比例而降低。烧结温度对陶粒的抗压强度和吸水率都有较大的影响，1100 ℃下烧成的陶粒比900 ℃下有着更高的抗压强度，但吸水性能下降。对比1100 ℃条件下烧成的陶粒与商品陶粒，其吸水率高于商品陶粒，抗压强度与商品陶粒相当。

关键词：陶粒；湖泊淤泥；造孔剂；抗压强度；吸水率

中图分类号：X703

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0009-03

1 引言

随着城市及经济的发展，我国城市湖泊水体水质普遍变差。近年来，污染湖泊水体治理时清淤成为最基本的办法之一。清淤最终产生大量的淤泥，淤泥中含有大量的污染物、细菌、病毒，且含水率高，传统的堆放和填埋，不但处理成本高，且容易造成二次污染及资源浪费等问题，因此寻求湖泊淤泥综合利用的有效途径，变废为宝，成为亟待解决的问题[1～3]。

研究表明，湖泊淤泥是一种富含铝硅酸盐类粘土性物质，含有大量的二氧化硅和三氧化二铝无机物[4]，因此，作为原料或材料资源化的途径主要包括土地利用[5]、制造填方材料[6～8] 和建筑材料等方面[9～11]。

陶粒是通过粘土等固体物烧制而成的一种人造轻质粗集料，具有质轻、坚硬、透水、保温等优点，广泛用于轻质混凝土、建筑保温材料，无土栽培基质及水处理滤料等[12～14]。其中用于植物或盆栽的保水陶粒能够长时间的储存水分，具有保水保肥等性能，在园林绿化、海绵城市建设中有广泛的应用前景[15]。湖泊淤泥的粘附性能够满足陶粒的成粒，且主要成分基本满足一般陶粒化学成分烧结的要求，因此可替代粘土制作陶粒，既解决了淤泥的资源化问题，带来经济效益，又防止它的二次污染，保护了环境。

为了提高淤泥陶粒的保水及利用性能，研究将利用武汉市湖泊淤泥作为主要原料，制备一种保水性能优良的陶粒，通过选择合适的造孔剂，改善陶粒的内部孔洞结构，增加吸水率，为提高武汉市湖泊淤泥综合利用的经济效益、环境效益、社会效益提供新的选择。

2 实验部分

2.1 实验材料和仪器

淤泥取自武汉市三角湖与墨水湖；粘土、谷壳灰、谷壳碳购自网商。

KSW箱式电阻炉（北京市永光明医疗仪器有限公司）；MXX1800试验用高温炉（上海微行炉业有限公司），WDW-100抗压强度测试仪（长春科新试验仪器有限公司）。

2.2 实验方法

2.3.1 陶粒制备工艺流程

按照陶粒制备及烧结的方法，确定的工艺流程如下：

淤泥预处理→混碾搅拌→造粒成型→烘干→预烧→高温焙烧→冷却。

2.3.2 原料的前期准备

（1）淤泥预处理。

物料的颗粒度越小，对空隙的产生越有利，所以尽量使得淤泥的粒度更小，先将取得的湖泊淤泥风干后，进行粉碎，过60目筛备用。

（2）谷壳灰预处理。

将得谷壳放在100℃烘箱中烘干30～60 min，在粉碎机中进行粉碎，再过60目筛备用。

2.3.3 陶粒配比与成型

将淤泥、粘土、造孔剂等按照不同比例称取一定质量，加入到准备好的容器中进行搅拌混合，加入一定比例的水，含水率控制在40%左右，使其具有一定的粘度，便于后续手工成球。

本实验陶粒的成球造粒通过手工成球处理，成球过程中陶粒的粒径一般为10～20 mm，将成球的陶粒放置在空气中干燥12～24 h。

2.3.4 预烧与焙烧

为了进一步调整陶粒球的化学组成，降低烧制前料球中碳的含量，出现最大的烧失量，以达到最佳的烧胀的结果。通常在300～500℃预烧25～40 min。在马弗炉中预烧结束后，连续升温至900～1100℃，进行焙烧。将烧制好的陶粒放在马弗炉中进行冷却，直至陶粒恢复到常温。

2.4 陶粒的性能测试

陶粒种类多样，不同的用途决定其性能评价指标体系有所不同，保水陶粒一般用陶粒的吸水率和抗压强度作为其性能的评价指标[16]。

3 结果与讨论

3.1 造孔剂的选择

为了探究不同造孔剂对陶粒性能的影响，实验保持淤泥和粘土总量不变，预烧温度为300 ℃，设定焙烧温度为900 ℃，焙烧时间2.5 h。选择碳酸氢铵、谷壳灰、谷壳碳3种材料作为造孔剂制得的陶粒性能如表1。

结果表明不同的造孔剂对于陶粒的性能有着明显的不同。碳酸氢铵作为造孔剂在加热过程中能够产生二氧化碳气体，在二氧化碳气体挥发的过程中在陶粒内部产生一定的空隙[17]。谷壳灰和谷壳碳作为造孔剂，这在高温下燃尽或者挥发，最后留下孔洞[18]。对于造孔剂的成孔效果，通过对吸水率和表观观察，得出以谷殼碳作为造孔剂的吸水能力较好，且也有一定的抗压强度。对于保水用陶粒一般抗压强度要求不高，所以可采用谷壳碳作为造孔剂较好。

3.2 造孔剂加入量的影响

为了进一步探究造孔剂与淤泥的配比对陶粒性能的影响，得到性能更好的保水陶粒，通过调整淤泥与谷壳碳的比例，预热温度为300 ℃，预热时间为30 min。焙烧温度设定为900 ℃，焙烧时间为2.5 h，得到陶粒性能变化情况见表2。由表2可知，随着造孔剂谷壳碳的相对含量增加时，陶粒的吸水率及抗压强度都随之升高，当谷壳碳的相对含量从5%增加到15%时，吸水率达到43.0%，抗压强度达0.40MPa，分别提高了约54%。

3.3 粘土加入量的影响

实验过程中，粘土的含量影响陶粒的成型，当粘土的比例在5%以下时，陶粒难以成型，因此以5%作为最低的比例。保持造孔剂的含量不变，在预热温度为300 ℃，预热时间为30 min，设定焙烧温度为900 ℃，焙烧时间为2.5 h下，比较粘土加入不同量实验对陶粒性能指标的影响，陶粒外观如图，性能测定结果如表3。由表3可知，当粘土含量增加或淤泥量减小时，陶粒的吸水率会下降，且抗压强度也会下降，表明淤泥与粘土的相对比例影响吸水性能，比例大时吸水性能要好，且能够提供的抗压强度也会更大。

3.4 焙烧温度的选择

只有在适当的焙烧温度下，生料能充分发生膨胀，并尽可能多的生成气孔[19]。因此，比较在900 ℃和1100 ℃下实验，比较烧成陶粒吸收率及抗压强度的不同，结果见表4。结果表明：在900 ℃烧成的陶粒的吸水率高于1100℃烧成的产品，但1100℃烧成的产品抗压强度较高。因此若需要一定强度的保水陶粒可以在适当提高烧制温度。

3.5 烧成陶粒与商品陶粒的性能比较

从市场上购买一批商品多孔陶粒，由厂方资料可知陶粒由粘土、页岩与一定的外加剂搅拌混合后在在1100 ℃双筒回转窑内煅烧制备。实验测得其吸水率为13.5%，抗压强度为1.18 MPa，与在900℃下，淤泥∶粘土∶谷壳碳=80∶5∶15烧成陶粒进行比较，吸水率高于商品陶粒，抗压强度低于商品陶粒；与1100℃下，淤泥∶粘土∶谷壳灰=80∶5∶15烧成的陶粒进行比较，吸水率和抗压强度均高于商品陶粒。因此利用湖泊淤泥这种市政废弃物，制备保水陶粒，代替粘土陶粒，在抗压强度要求不高的情况下，实验烧成陶粒有着很好的环境效应和经济效应。

4 结论

（1） 谷壳碳，谷壳灰和碳酸氢铵三种造孔剂中，加15%左右谷壳碳制得陶粒有较好的吸水性能，吸水率达到43%。

（2）选择谷壳碳的作为造孔剂，淤泥量越高，抗压强度越大。

（3）淤泥量和粘土比例影响陶粒的成型，当粘土比例低于5%时，陶粒不能成型。随粘土比例的增加，陶粒的吸水率会越降低，控制在5%～20%之间比较合适。

（4）不同的烧制温度会使得陶粒性能有所不同，1100 ℃制备的陶粒的抗压强度相较900℃有较大的提高，但会使得陶粒的吸水率有一定的降低。

（5）与商品陶粒比较，烧成的淤泥陶粒吸水率较高，也能达到保水陶粒应用对于抗压强度性能的要求，可以为湖泊淤泥的资源化提供新的利用途径。

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