一种脱硫石膏颗粒土壤及其制备方法
技术领域
本发明涉及颗粒土壤领域，尤其涉及一种脱硫石膏颗粒土壤及其制备方法。
背景技术
二氧化硫是最常见的硫氧化物，是大气主要污染物之一，其主要来源为煤的燃烧，燃煤电厂应用最广泛和最有效的二氧化硫控制技术为烟气脱硫，也是目前世界上惟一规模化、商业化应用的脱硫方式，烟气脱硫技术按工艺特点可分为湿法、半干法和干法三大类，其中湿法中占绝对地位的石灰、石灰石-石膏法是目前世界上技术最成熟的脱硫工艺，在这个脱硫净化处理过程中会产生大量的工业副产石膏，即脱硫石膏。
脱硫石膏与天然石膏都是二水硫酸钙，其物理、化学特征与天然石膏都有共同特征，但作为一种工业副产石膏，其原始状态、机械性能和化学成分特别是杂质成分上与天然石膏有所差别，导致脱水特征、易磨性及煅烧后的建筑石膏粉在力学性能、流变性能等宏观特征上与天然石膏有所不同，这也使得脱硫石膏的应用受到限制，得不到有效处理。
颗粒土壤是一种新型的种植基质，包含多孔结构，具有一定的保水、保肥和透气等功能，可用于种植农作物、改善土壤、沙漠治理、矿山修复。
发明内容
本发明针对目前脱硫石膏利用率低的问题，提供一种脱硫石膏颗粒土壤及其制备方法，既能有效缓解脱硫石膏的污染问题，同时又能提供一种兼具保水保肥透气三大功能的颗粒土壤的制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种脱硫石膏颗粒土壤，包括如下重量份的原料：
脱硫石膏100份；
粉煤灰5-19份；
增塑剂2-10份；
减水剂0.2-1.5份；
激发剂1-10份；
水10-25份。
进一步的，颗粒土壤为粒径在0.1-2mm的球形颗粒，颗粒土壤的气孔率达55-70％，气孔尺寸为0.1-40μm。
进一步的，脱硫石膏、粉煤灰、增塑剂、减水剂的粒度均小于50μm。
进一步的，激发剂由水玻璃和强碱按100：(1-50)的比例配制而成。
进一步的，水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃、锂水玻璃中的一种或多种，水玻璃的模数为2.4-3.5；强碱为碱金属碱或碱土金属碱。
进一步的，增塑剂为煅烧高岭土、膨润土、白泥、球土、黑泥中的一种或多种塑性原料。
进一步的，减水剂为木质素磺酸盐类、萘系高效减水剂类、三聚氰胺系高效减水剂类、氨基磺酸盐系高效减水剂类、脂肪酸系高减水剂类、聚羧酸盐系高效减水剂类中的一种或多种。
本发明还提供一种脱硫石膏颗粒土壤的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配方称取脱硫石膏、粉煤灰、增塑剂、减水剂，在搅拌机中混合均匀得到混合料；
(2)按原料配方称取激发剂和水，搅拌均匀得到混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的混合料倒入造粒机中，在20-60m/s的转速下边喷步骤(2)中的混合溶液边造粒；
(4)将造好的粒放入50-100℃的干燥箱中养护1-3天；
(5)将养护好的粒经过筛分处理后，经一定的烧成制度烧结得到颗粒土壤。
进一步的，烧成制度为：以20-40℃/min升温至200℃，再以5-10min/℃升温至400-1100℃，并保温15-40min。
具体的，造粒机可以是圆盘造粒机、糖衣机、高速造粒机，优选为高速造粒机。
本发明的脱硫石膏颗粒土壤，以脱硫石膏为主要原料，二水硫酸钙在变为不溶性无水硫酸钙的过程中，失去大量自由水与结合水，在颗粒土壤中形成大量孔隙；同时采用碱激发剂为原料，与粉煤灰等原料中的硅铝成分反应，制备成地质聚合物，在颗粒土壤中形成具有Si-O-Al立体网状结构与类沸石空隙；使得本发明的颗粒土壤具有良好的保水保肥功能，保水率达到65-80％。
本发明的脱硫石膏颗粒土壤的制备方法，对造好的粒采用先烘干养护后高温煅烧的工艺，在50-100℃养护好的颗粒，形成地质聚合物，具有一定的强度，再经过400-1100℃煅烧，一方面可以降低地质聚合物产生的碱性，使颗粒土壤pH值接近中性，另一方面使二水石膏在高温下变成不溶性无水石膏，使其在使用过程中水化程度很小，颗粒土壤不会在使用过程中溶解散掉，经煅烧后强度进一步提高，本发明的颗粒土壤在28MPa下的破碎率小于22％。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
一种脱硫石膏颗粒土壤，包括如下重量份的原料：脱硫石膏100份；粉煤灰5-19份；增塑剂2-10份；减水剂0.2-1.5份；激发剂1-10份；水10-25份。
具体的，颗粒土壤为粒径在0.1-2mm的球形颗粒，颗粒土壤的气孔率达55-70％，气孔尺寸为0.1-40μm。颗粒土壤的具体粒径大小可根据加水量进行调节，球形颗粒状土壤也赋予其较好的透气性。
具体的，脱硫石膏、粉煤灰、增塑剂、减水剂的粒度均小于50μm。为方便造粒，固体原料应足够细，且越细越好。
由于脱硫石膏中硅铝成分较少，与激发剂反应后强度较低，因此原料中添加粉煤灰，提高混合物的硅铝含量，进而提高混合物与激发剂反应后的强度。具体的，本发明实施例中粉煤灰可以是一级灰、二级灰中的一种或两种。
具体的，激发剂由水玻璃和强碱按100：(1-50)的比例配制而成。
具体的，水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃、锂水玻璃中的一种或多种，水玻璃的模数为2.4-3.5；强碱为碱金属碱或碱土金属碱，包括氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙等。
添加激发剂，与固体混合物中硅铝成分反应，制备成具有一定强度的地质聚合物，地质聚合物可对脱硫石膏中有害物质和重金属起到固结作用，减少脱硫石膏中有害物质和重金属的污染。
具体的，增塑剂为煅烧高岭土、膨润土、白泥、球土、黑泥中的一种或多种塑性原料。增塑剂用来提高固体混合物的塑性，利于造粒。
具体的，减水剂为木质素磺酸盐类、萘系高效减水剂类、三聚氰胺系高效减水剂类、氨基磺酸盐系高效减水剂类、脂肪酸系高减水剂类、聚羧酸盐系高效减水剂类中的一种或多种。
本发明利用脱硫石膏为主要原料制备颗粒土壤，采用地质聚合物技术固化了脱硫石膏中的有害物质，减少了其对环境的污染，为脱硫石膏提供了一种有效地利用途径，同时也降低了原料成本。同时本发明制备的颗粒土壤富含植物生长所需要的钾元素、镁元素与钙元素，可以更好的满足植物生长需求。
本发明的颗粒土壤在制备过程中采用高温烧结，清洁卫生，不会有灰尘产生，无公害，可有效防止病虫害。
下面将结合具体实施例对本发明的脱硫石膏颗粒土壤及其制备方法进行进一步描述。
实施例1
一种脱硫石膏颗粒土壤，包括如下重量份的原料：
脱硫石膏100份；
粉煤灰5份；
膨润土5份；
聚羧酸高效减水剂1份；
激发剂2份；
水15份；
其中，激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠按100:25的比例配制而成。
本发明实施例的脱硫石膏颗粒土壤的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配方称取脱硫石膏、粉煤灰、膨润土、聚羧酸高效减水剂，在搅拌机中混合均匀得到混合料；
(2)按原料配方称取激发剂和水，搅拌均匀得到混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的混合料倒入陶砂高速造粒机中，在20m/s的转速下边喷步骤(2)中的混合溶液边造粒；
(4)将造好的粒放入100℃的干燥箱中养护1天；
(5)将养护好的粒经过筛分处理后，经一定的烧成制度烧结得到颗粒土壤，烧成制度为：以20℃/min升温至200℃，再以5min/℃升温至500℃，并保温40min。
取400mL实施例1制备的颗粒土壤铺在500mL花盆中，将蒜头插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录蒜苗的生长情况。
实施例2
一种脱硫石膏颗粒土壤，包括如下重量份的原料：
脱硫石膏100份；
粉煤灰10份；
黑泥3份；
萘系高效减水剂1.5份；
激发剂5份；
水25份；
其中，激发剂由锂水玻璃和氢氧化钙按100：50的比例配制而成。
本发明实施例的脱硫石膏颗粒土壤的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配方称取脱硫石膏、粉煤灰、黑泥、萘系高效减水剂，在搅拌机中混合均匀得到混合料；
(2)按原料配方称取激发剂和水，搅拌均匀得到混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的混合料倒入造粒机中，在25m/s的转速下边喷步骤(2)中的混合溶液边造粒；
(4)将造好的粒放入80℃的干燥箱中养护2天；
(5)将养护好的粒经过筛分处理后，经一定的烧成制度烧结得到颗粒土壤，烧成制度为：以30℃/min升温至200℃，再以10min/℃升温至800℃，并保温30min。
取400mL实施例2制备的颗粒土壤铺在500mL花盆中，将蒜头插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录蒜苗的生长情况。
实施例3
一种脱硫石膏颗粒土壤，包括如下重量份的原料：
脱硫石膏100份；
粉煤灰19份；
煅烧高岭土3份；
三聚氰胺系高效减水剂0.5份；
激发剂10份；
水20份；
其中，激发剂由钾水玻璃和氢氧化钾按100：5的比例配制而成。
本发明实施例的脱硫石膏颗粒土壤的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配方称取脱硫石膏、粉煤灰、煅烧高岭土、三聚氰胺系高效减水剂，在搅拌机中混合均匀得到混合料；
(2)按原料配方称取激发剂和水，搅拌均匀得到混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的混合料倒入造粒机中，在60m/s的转速下边喷步骤(2)中的混合溶液边造粒；
(4)将造好的粒放入50℃的干燥箱中养护3天；
(5)将养护好的粒经过筛分处理后，经一定的烧成制度烧结得到颗粒土壤，烧成制度为：以40℃/min升温至200℃，再以8min/℃升温至1100℃，并保温15min。
取400mL实施例3制备的颗粒土壤铺在500mL花盆中，将蒜头插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录蒜苗的生长情况。
实施例4
一种脱硫石膏颗粒土壤，包括如下重量份的原料：
脱硫石膏100份；
粉煤灰14份；
增塑剂10份；
减水剂0.2份；
激发剂8份；
水10份；
其中，激发剂由水玻璃和强碱按100：20的比例配制而成。
本发明实施例的脱硫石膏颗粒土壤的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配方称取脱硫石膏、粉煤灰、增塑剂、减水剂，在搅拌机中混合均匀得到混合料；
(2)按原料配方称取激发剂和水，搅拌均匀得到混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的混合料倒入造粒机中，在40m/s的转速下边喷步骤(2)中的混合溶液边造粒；
(4)将造好的粒放入70℃的干燥箱中养护2天；
(5)将养护好的粒经过筛分处理后，经一定的烧成制度烧结得到颗粒土壤，烧成制度为：以20℃/min升温至200℃，再以5min/℃升温至400℃，并保温40min。
取400mL实施例4制备的颗粒土壤铺在500mL花盆中，将蒜头插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录蒜苗的生长情况。
实施例5
一种脱硫石膏颗粒土壤，包括如下重量份的原料：
脱硫石膏100份；
粉煤灰8份；
增塑剂2份；
减水剂0.5份；
激发剂1份；
水15份；
其中，激发剂由水玻璃和强碱按100:1的比例配制而成。
本发明实施例的脱硫石膏颗粒土壤的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配方称取脱硫石膏、粉煤灰、增塑剂、减水剂，在搅拌机中混合均匀得到混合料；
(2)按原料配方称取激发剂和水，搅拌均匀得到混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的混合料倒入造粒机中，在30m/s的转速下边喷步骤(2)中的混合溶液边造粒；
(4)将造好的粒放入60℃的干燥箱中养护2天；
(5)将养护好的粒经过筛分处理后，经一定的烧成制度烧结得到颗粒土壤，烧成制度为：以30℃/min升温至200℃，再以6min/℃升温至1000℃，并保温15min。
取400mL实施例5制备的颗粒土壤铺在500mL花盆中，将蒜头插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录蒜苗的生长情况。
对比例1
取400mL土壤铺在500mL花盆中，将蒜头插在土壤中，加入150mL水，在相同环境下观察并记录蒜苗的生长情况。
将实施例1-5制得的颗粒土壤进行性能测试，并观察实施例1-5和对比例1中的蒜苗培育15天后的株高情况，结果如表1所示。
表1性能测试结果
由表1可知，本发明实施例制得的颗粒土壤具有较好的保水保肥功能，以脱硫石膏为主要原料，二水硫酸钙失水后在颗粒土壤中形成大量孔隙；同时采用碱激发剂为原料，与粉煤灰等原料中的硅铝成分反应，制备成地质聚合物，在颗粒土壤中形成具有Si-O-Al立体网状结构与类沸石空隙；使得本发明的颗粒土壤具有良好的保水保肥功能，保水率达到65-80％。另外，烘干以及高温煅烧工艺使得地质聚合物具有一定的强度，并且二水石膏变成不溶性无水石膏后强度也进一步提高，本发明的颗粒土壤在28MPa下的破碎率小于22％。使用各实施例中制得的颗粒土壤来种植蒜苗，与土壤种植相比，由于其保水保肥透气的特点，植物生长状况较好，进一步说明本发明制得的颗粒土壤可作为栽培基质替代土壤种植农作物。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
