陶粒的制备及其应用研究进展

伍树森 罗亚历 李斌

摘要本文按原料对陶粒的种类进行了划分，对比了制备陶粒的两种主要方法，并对其近年来的应用方式进行了总结，并指出了其未来的发展趋势。利用固态废料进价低、分布广、产能高等特点，制造出优良的陶粒产品，并对其进行优化、配发、开发、设备等，以降低能源消耗和成本。

关键词  陶粒；制备；黏土；固体废弃物；应用

0引言

陶粒是经过高温烧结或者免烧工艺技术制备而成的颗粒或柱状物体，因其具有质量较轻、抗酸抗碱、较高的筒压强度、热导系数小、保温性能良好等优势，广泛地被从事环保、建筑、农业、种植以及材料等行业的人员所青睐。在建筑行业，陶粒具备减震、导热系数低、吸音降噪等优点，因此被用于制备轻骨料、屋面的保温隔热层等，产生了不错的经济效益。分别以原料和生产工艺为指标，可将陶粒分类为传统陶粒、固体废弃物陶粒、改性陶粒等和免烧陶粒、焙烧陶粒（烧结、胀烧）。本文主要从原料入手对陶粒进行了分类，并简述了陶粒的两种主要的制备手段与其未来的发展趋势。

1陶粒的分类

陶粒是以基体材料掺杂辅助材料制备而成的，陶粒的基质物质可以大致划分为两种类型，第一种是粘土陶粒和页岩陶粒，它们都是用自然岩石和粘土制成的，现在已经渐渐被淘汰了；第二类是以固体废弃物如粉煤灰、矿渣、污泥、底泥和厨余垃圾等为原料生产陶粒。

1.1黏土陶粒

黏土陶粒是黏土与其它粉料混合，通过制球、烘干、焙烧等工艺制备而成的，其因具备减缓温度变化、高强度、阻隔热交换、轻量等诸多品质，被从事环保、建筑、农业、园艺以及化工等行业的人员所需求。

张雨晴等人从内蒙古购买了黏土作为主要的原材料，并按照不同的质量比例将其与烘焙和干燥过的粉煤灰、锯末以及直接从市场购得的重质碳酸钙混合，经高温烧制成褐色陶粒复合材料，该工艺研制的黏土陶粒可以用于工程。鮑腾等人使用已经过磨粉处理的凹凸棒石、木材加工厂的附加产物锯末（造孔剂）和水玻璃（粘结剂）为原料，经过搅匀、包衣机制粒、烘干、煅烧等步骤制备复合陶粒，并通过调整样品比例，测试煅烧温度和煅烧时间制出了耐水强、易附着、强度高的陶粒。王祝来等人采用300 ℃预烧10 min、750 ℃烧结20 min的实验方案，制备得到性能最佳陶粒，其比表面积最大可用作吸附材料。

由于国家政策原因，土地资源受到保护，可用黏土资源逐渐减少，取而代之的是固体废弃物。

1.2页岩陶粒

页岩、板岩等经磨粉、烧胀等工序而被制成陶粒，当前泥质陶瓷颗粒在生产文化石、轻骨料混凝土以及轻质隔墙板材等方面有着广泛的应用。陶粒自1913年被研制出来，到如今已有百年的历史，其主要用于建筑领域，在其它领域已占有约20%的份额。随着国家节能环保理念的推广，除了建筑行业，园艺、农业、旅游、服务等行业也加强了对其的关注程度，将陶粒均匀铺置于盆栽底部有助于植物对水分和氧气的吸收。

李国昌等通过粉碎和成球两种方法成功获得了滤料生料，再经过烘烤、膨胀等实验步骤制得了陶瓷颗粒过滤材料。刘冬学以硼泥、油页岩渣、粉煤灰、粘结剂等为主要材料，对硼泥陶粒轻骨料进行了配方设计，并对其进行了试验研究。根据实验结果，参照有关文献确定了高强度硼粘土陶粒轻骨料的制备技术，并研究了温度对陶粒性能的影响，获得了高强度硼粘土陶粒，达到了我国高强度硼粘土的要求。

1.3粉煤灰基陶粒

煤灰是火力发电厂的重要固废，中国火力发电厂的炉灰中SiO2、Al2O3的比例超过了60%，是一种较好地代替黏土的原料，因而粉煤灰陶粒也是一种研究最多、技术最成熟的产品。

莎茹拉等以内蒙古热电厂褐煤所产的煤灰粉为原料，添加普通水泥、膨润土及微量的铁盐，在未经高温焙烧等工艺条件下制得煤灰粉含量高、吸附能力强、加工成本低的褐煤煤灰粉免烧陶粒。许事成等采用粉煤灰与硅灰制备了一种碱激发免烧陶粒，其初始抗压强度随硅灰加入量的增加而增加。当硅灰用量为15%和20%时，粉煤灰陶瓷颗粒的14 d压缩强度可达19.43 MPa和20.37 MPa。另外，硅灰渣的加入还使陶粒的含泥量、吸水率、磨损率有所下降，从而使其抗腐蚀性能有所改善。王萍制得煤灰粉陶粒，应用于曝气式生物过滤塔，其COD去除率可达85%，NH3-N去除率可达65%。邹正禹等以普通硅酸盐水泥、煤炭火力发电的副产物煤灰粉为主材料，掺入质量比为5%左右的FeS制备出了优级粉煤灰轻集料，此材料可用于吸附并固定污水中的重金属颗粒（Cr2+、Hg2+、Zn2+等），并且不会对环境造成危害。

粉煤灰陶粒已进入工业化阶段，马鞍山市华旗环境技术开发有限公司采用粉煤灰、粘土和炼钢赤泥等为结合剂，通过高温烧制制备出了一种新型的、轻量化的多孔陶粒。

1.4煤矸石基陶粒

煤矸石是煤矿工业中常见的固体废料，由于制陶需要含有SiO2、Al2O3的材料，而这些物质是煤矸石所富含的，因此煤矸石在学术界引起了很大的重视。祁非等通过设定不同的原料比、烧结温度、烧结时间等，利用泥沙、煤矸石生产制备出了符合国标的多孔陶粒。陈彦文等通过混料成球、焙烧的实验方法成功制备出了一种煤矸石陶粒。李虎杰等经过试验得出如下结论：在加入少量辅助材料的情况下，当煤矸石的用量为80%，页岩的用量为20%时，就可以得到800级的高强煤矸石陶粒。

1.5污泥基陶粒

城市生活垃圾焚烧、堆肥等常规处置方法存在能耗大、占地大、二次污染严重等问题，如何实现对污泥的高效资源化已迫在眉睫。通过实验分析可知，利用该工艺制备陶瓷颗粒是一条既节能又环保的可行方法。目前，国外对污泥烧制陶粒的研究采用污泥燃烧后的产物为原材料，或将其用作烧制陶粒的添加剂，而在我国对烧结陶粒的研究多采用污泥中加入粘土、粉煤灰的方法。吴苏清烧制出孔隙率高、孔径大的超轻污泥陶粒，仇心金收集了宁波地区产生的大量固体废料，用均化、陈化、制粒、焙烧的实验流程加以不同的原料配比制得高强和超轻陶粒。

1.6尾矿基陶粒

以工业尾矿为原料生产的陶制颗粒，不仅仅可以提高尾矿综合效益，而且市场前景广阔。李晓光使用烧结工艺制备轻质陶粒，主要的流程如下：首先20 min将仪器加热至400 ℃，再在1 140 ℃的条件下将原料（铁尾矿）煅烧15 min，按如上步骤进行实验，可制备符合国标的低硅铁尾矿陶粒。朱晓丽等人将铁尾矿与石灰石等物质混合，经过搅拌、制粒、烘干、烧焙、冷却等步骤，制备出了铁尾矿陶粒滤料。通过改变铁尾矿含量、陶粒粒径、焙烧温度，得出了最优产品：温度是1 100 ℃、铁尾矿含量是86%、粒径是3～5 mm。王德民等采用从市场、某矿山、武汉等地收集得的铁尾矿、黏土、SH粉等制备一种建筑陶粒，并研究了黏土含量、造孔剂含量对其性能的影响。赵威等人将从柞水县、洛南县、商州区等地购得的铁尾矿、钾长石、黏土作为原料，使用粉碎、过筛、磨粉、陈置的实验流程制成成品，并研究了原料组成、发泡剂含量、烧焙温度、原料种类对成品的影响。李杨等人采用从招远、烟台等地购得的黄金尾矿、膨润土制备成品，烧结方法对陶瓷颗粒的吸水率、强度和充填密度的影响。赵威等人以商洛丰富的金矿尾矿为主要材料，添加少量的粘土和长石制备出了轻质、高强度的陶瓷粉体，并对水分、尾矿含量、发泡剂含量和焙烧温度等因素对产品性能的影响进行了研究。林慧等人把从赞比亚、萍乡购得的铜尾矿、粉煤灰、高岭土作为原料，并通过称量、成粒、烘干、预热、焙烧、冷却的实验流程制得高强陶粒，并通过正交实验优化出最佳的预热温度、时间、焙烧温度及焙烧时间。

1.7废渣基陶粒

随着我国建筑、能源和矿产等重工业的快速发展，其产生的工业废渣的数量也在以十亿吨/年的速率增加，如何对其进行高效的资源化利用具有十分重要的意义。随着陶粒工艺的不断发展，从工业废料中制备陶粒，不仅能使陶粒得到最大程度的利用，而且能有效地解决这种堆存带来的环境污染问题。徐美娟等人把从宁波亚洲浆纸厂购得的灰色煤灰粉和污泥作为原料，采用配比—混合—成形—干燥—预热—焙燒—冷却的工艺流程，制备出了建筑用陶粒，并对干燥时间、烧结温度、保温时间、原料配比等进行了探讨。徐雪丽等人把从宁波污水处理厂、宁波炼钢厂购得的污泥和钢渣作为原料，采用混合、制球、预热、烘焙的低重金属陶瓷颗粒的制备技术；陈伟以钢渣为主要材料，对陶粒的制备技术进行了优选，并通过烧结获得了轻粗集料；王传虎等人以石英砂尾渣、水磨石渣为原料成功制备出膨胀率达到60%、简压强度为10.5 MPa、堆积密度为925 kg/m3、吸水率为9.5%的高强陶粒。

2陶粒的制备工艺

2.1焙烧陶粒

焙烧陶粒的制作对工艺的要求比较严格，一般对原料的化学成分、矿物组成及其物理性能有一定的要求。除了要有基础的氧化硅和氧化铝原料外，还要有能够在高温下分解或生成气体的成分，此外，还必须要有一种可以使烧成温度更低，从而实现节能的助熔成分，也就是说必须要加入造孔剂和矿化剂。在早期，焙烧陶粒的原材料主要是粘土、页岩等自然资源，但是最近几年随着土地资源的紧缺，许多地方都被禁止了粘土的使用，这导致了焙烧陶粒的原料逐渐变成了污泥、粉煤灰和尾矿等工业固废。焙烧陶粒制备工艺一般由原材料预处理、混料、成球、烘干、预烧、高温锻烧以及冷却等几个环节组成，其中预烧及高温锻烧往往会对陶粒成品的性能产生很大的影响，所以必须对其进行严格控制。

2.2免烧陶粒

与传统的焙烧陶粒相比，免烧陶粒对原材料的需求要小很多，通常由具有活性的工业固废、胶凝材料作为原料，外加引气剂等辅助材料来制备。与焙烧陶粒相比，免烧陶粒的制备工艺所需的能量比较少，它是通过原材料预处理、混料、成球、筛分、自然养护或蒸汽养护而制得的。

与锻烧陶粒比较，免烧陶粒的优点不仅在于它的制作所需能量较少，而且它的制作过程几乎没有任何的污染，更加的环保，而且因为用来制作免烧陶粒的原料大多是工业固体废物，所以它的社会经济效益更好。当然，未锻烧的陶粒也有其重大缺点，它们一般具有更高的密度、更低的强度和更高的吸收水分的特性。

针对建筑垃圾、污泥等废弃物的资源化利用问题，赵媛媛等人对供水系统中的无焚烧残泥进行了曝气生物过滤的实验，发现供水系统无焚烧残泥陶粒较普通陶粒具有更好的生物亲和力，对COD、氨氮、总氮的去除率更高，且具有更好的生物负载量，能够为 BF中的有益菌群提供适宜的生长条件，并有助于微生物对水体中的污染物进行降解。徐悦清等以纺织污泥、水泥、粉煤灰为主要材料，制得的岩石在单向压缩情况下的抗破坏能力约为7 MPa，吸水率低于20%，免烧陶粒的岩石在单向压缩情况下的抗破坏能力为800 MPa。Wu等采用粉煤灰、水泥、石膏、生石灰等，以碳酸氢铵作为引气剂，采用合适的造孔剂含量和升温速度，制备出具有均一孔隙结构的无烧结陶粒，对其吸声特性进行了测试，结果表明该陶瓷颗粒具有较高的吸声系数。

3陶粒的应用研究

胀烧陶粒具有质量轻、吸声降噪、恒温、阻隔热流等优点，广泛应用于工程建设中。李玉平等利用页岩陶粒、水泥、纤维和发泡剂等配制出了一种轻集料混凝土，并对陶粒尺寸对其吸音特性的影响进行了试验，结果表明：使用较大尺寸陶粒配制的混凝土由于其内孔较大，吸音特性较好。Han等通过对陶粒混凝土蓄水型屋顶砖在已有房屋中的屋顶隔热性能的研究，发现这种陶瓷颗粒型屋顶具有较好的隔热效果，可以应用到已有房屋的屋顶上。

焙烧陶粒近几年来在环保领域中得到了大量的使用，许立新等人选择了以陶瓷颗粒为载体的微生物预处理澄阳江水，经过20天的天然挂膜，CODcr的脱除率达到了30%。E.S.Melin用自己制作的陶粒处理过的腐殖质废水，结果显示总有机碳的脱除率在18%～37%之间，而臭氧的脱除率在80%以上。陶粒除可用于曝气生物过滤外，还可用作湿地、景观水体等。余里杰采用陶粒作为底物，结合动物和复合植物构建的复合浮床，对劣V类水环境中的硝酸盐还原和去除机制进行了初步探讨，结果显示：陶粒作为一种新型的底物，不但可以为水生植物和微生物提供很好的生长底物，同时还具有自身的净化作用。肖继波等利用底泥、水泥及旱伞草根为主要材料，采用单因子及正交实验制备出具有60.2%孔隙率、38.75%吸水率、1.280 g/cm3表观密度，超过95%的除去含磷物质的高效率除磷底泥陶粒，既可用作曝气式生物过滤器，又可用作人工湿地、生态浮岛、生态浮床等。

在农业中使用的陶粒具有保水、排水、透气性好、化学性质稳定等明显优势，周靖淳等采用经废水处理的免燃烧粉煤灰陶粒种植青菜，研究结果表明，该技术不但能提高青菜的单产，还能防治虫害，使农作物茎秆粗壮、根系发达。陶粒在石化行业中使用最多的是一种陶瓷颗粒载体（陶粒砂），赵艳荣等将工业氧化铝烧至一定温度，并掺入高岭土、菱镁石按一定的配比配制高铝陶瓷颗粒支撑剂。实验证明，该陶瓷颗粒载体具有很好的耐冲击性能，而且其酸溶度只有0.75%，具有很好的耐酸、耐碱性能。经焙烧的陶粒还可以用于园林，可以用它来代替土壤来达到无土栽培，这种陶粒不仅保持了良好的肥力，还对环境友好、外形美观。免烧陶粒可用于生产自保温混凝土、轻质墙体砖及保温隔墙板等，黄丽华采用水泥、粉煤灰、聚苯发泡粉体、脲醛粉末等研制出一种“壳-核”式高强度免烧陶瓷颗粒和“壳-核”式绝热陶瓷颗粒，其还可用于培养异养菌，从而达到去除化学需氧量和氨氮等有害物质的量。刘子述等人以粉煤灰、污泥、水泥為主要原料，制备了一种可为微生物的生长繁殖提供合适环境的粉煤灰陶粒，经过对比，免烧陶粒的性能优于焙烧陶粒，其破碎率不到2%，并有利于微生物进行生命活动。

4结语

由于国家对土地资源的保护，传统陶粒逐渐淡出大家的视野，固体废弃物因其独有的性能逐渐引起了学者的关注。工业生产、日常生活、社交活动等人类活动均会产生固体废料，这些废料或无法处理，或需规划大面积土地进行填埋处理，或需支出昂贵的处理费用，如果加以利用不仅可保护环境，节省大量资源，还可制成产品，创造新的经济效益。针对此，许多学者使用不同的原料，通过烧结等方式制备出了各种高性能的陶粒，使用固体废弃物制备陶粒的思路有着光明的前景，然而其仍有许多问题亟需解决。

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