一种利用低硅质赤泥原料制备高强支撑半玻化陶粒的方法
技术领域
本发明涉及一种陶粒的制备方法，特别涉及一种利用低硅质原料赤泥直接制备高强支撑半玻化陶粒的方法，属于冶金固体废弃物的综合利用技术领域，
背景技术
赤泥是氧化铝生产过程中产生的碱性固体废渣。截至2018年，全球赤泥堆存量估测已经达到36亿吨，并且每年大约以1.2亿吨的速度增长。世界赤泥平均利用率为15％，中国作为氧化铝生产和赤泥产出大国，赤泥利用率仅为4％。国内外对赤泥的处理进行了大量研究，大多数方法由于受到赤泥处理量、工艺经济性、产品潜在风险和实际应用性能的限制，难以实现工业化，因此大部分赤泥依然采取堆存的方式处理。显然，这并不是长久之计。赤泥的堆存需要建造赤泥坝将赤泥集中堆放，因此需要占用大量土地并支付巨额的堆场建设和维护费用，且赤泥作为强碱性、高盐度的污染性废渣，如果管理不善，会对周围水体和土壤造成污染。解决赤泥问题的关键是研发赤泥综合利用技术。
利用固废制备陶粒是一种极佳的固废综合利用方式，但赤泥的主要化学成分的相对含量与陶粒要求差异较大，陶粒要求原料中具有较高的SiO2含量(一般53～79％)，这有助于高温下(1200℃以上)形成莫来石骨架成分，增加陶粒的强度。而赤泥中SiO2含量仅为15～25％，远远低于陶粒的成分要求，且赤泥中碱含量较高，若采用现有的陶粒制备方法赤泥添加比例过大会使陶粒强度降低，因此目前在生产陶粒过程中赤泥只能作为辅料少量添加。
发明内容
针对现有技术中利用赤泥制备陶粒的工艺由于赤泥成分的限制，导致其利用率低，只能作为辅料进行掺杂来制备陶粒，本发明的目的是在于提供一种以单一赤泥为原料获得高强度陶粒的方法，该方法通过对赤泥进行脱碱处理以及对压力成型及烧结参数控制使陶粒中形成多组分共熔的半玻化陶瓷支撑体，代替传统陶粒生成的莫来石晶相支撑体，克服了对陶粒制备对赤泥成分的限制，极大程度增加了赤泥添配量，保证了支撑陶粒的强度。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种利用低硅质赤泥原料制备高强支撑半玻化陶粒的方法，该方法是将赤泥进行脱碱、烘干及研磨预处理，得到赤泥粉末；将赤泥粉末与塑化剂混合均匀后，压制成型，得到圆柱体陶粒生坯；生坯经过烘干、烧结成型，即得。
优选的方案，所述脱碱采用水洗法、酸洗法或钙化脱碱法。这些方法均是现有技术中常见的赤泥脱碱方法。若选用酸洗法脱碱，在脱碱后需要采用水洗涤除去酸根离子。
优选的方案，所述脱碱将赤泥中Na2O质量百分比含量降低至3％以下。通过脱碱后有利于降低碱对陶粒强度的影响。
优选的方案，所述赤泥粉末的主要组成及质量百分比含量：SiO2 11～25％，Fe2O35～35％，Al2O3 15～25％，CaO 3～15％，H2O 5～20％，余量为其他矿物杂质成分。在优选的组成范围内，有利于多组分共熔的半玻化陶瓷支撑体生成。
优选的方案，所述塑化剂包括石蜡、聚乙烯醇水溶液、苯胶、去离子水、淀粉溶液、生物有机废液中至少一种。通过采用塑化剂有利于赤泥粉末的压制成型，提高陶粒强度。
优选的方案，所述塑化剂用量不高于赤泥粉末质量的10％。塑化剂的用量在赤泥粉末质量的10％以内，适当提高塑化剂用量有利于赤泥粉末的压制成型，提高陶粒强度，但是高于10％会产生相反的效果。
优选的方案，所述压制成型过程中采用的成型压力在10MPa以上。较优选为10～30MPa。
优选的方案，圆柱体陶粒生坯直径为0.5～2cm，高径比为0.5～2。
优选的方案，所述的烧结条件为：烧结温度为950～1250℃，保温时间为0.5～2h。如果温度过高或过低难以获得多组分共熔的半玻化陶瓷支撑体。
本发明制备的陶粒抗压强度在80MPa以上，最高可达到335MPa。
本发明的利用赤泥制备陶粒的方法按以下具体步骤进行：
1)采用常规赤泥脱碱法除去赤泥中的游离Na2O，使渣相中Na2O含量降低至3％以下。
2)将脱碱赤泥烘干，使各主要组分质量百分比含量：SiO2 11～25％，Fe2O35～35％，Al2O3 15～25％，CaO 3～15％，H2O 5～20％。
3)将烘干赤泥研磨至100目以下，加入0～10％塑化剂，并混合均匀。
4)取上述赤泥物料加入压力模具，在压力机上以10MPa以上压力定型制成圆柱体陶粒生坯。
5)生坯样品在105℃的烘箱中干燥2小时后，放置于高温炉中烧结，烧结温度950～1250℃，保温0.5～2h，然后空冷至常温得到高强度陶粒产品。
与现有技术相比，本发明技术方案带来的有益效果：
(1)本发明利用赤泥原料通过脱碱处理，以及控制压力成型和烧结参数等手段形成多组分共熔的半玻化陶瓷支撑体，代替传统陶粒中的莫来石晶相支撑体，突破了陶粒对高SiO2成分要求的局限。
(2)本发明综合考虑了赤泥陶瓷化过程中Na2O的固化能力，采用部分脱碱方式，在克服了赤泥基陶粒的“返碱”问题的同时，更具备经济适用性。
(3)本发明省去了传统制备陶粒的配料环节，对赤泥成分的适应范围较广，且工艺简单，利用现有工业设备即可实施。
(4)本发明的陶粒制备过程中生成多组分共熔的半玻化陶瓷支撑体的温度较莫来石晶相支撑体的温度更低，因此该方法更有利于陶粒制备过程的节能降耗。
(5)本发明在保证支撑陶粒的强度的同时，极大程度增加了赤泥添配量，有助于赤泥减量化、资源化，解决赤泥的堆存问题。
附图说明
图1为实施例1制备的半玻化陶瓷体的XRD图谱。
具体的实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制权利要求的保护范围。
实施例1
采用广西某氧化铝厂赤泥，经水洗法脱碱(至Na2O含量2.8％)、烘干后，各主要组分成分及含量为SiO2 11％，Fe2O3 29％，Al2O3 15％，CaO 14％，H2O 15％。将烘干赤泥研磨至100目以下，加入5％去离子水并混合均匀。取上述赤泥物料加入压力模具，在压力机上以20MPa压力定型制成直径为0.6cm，高径比为0.8的圆柱体陶粒生坯，再次烘干后放置于高温炉中在1150℃下烧结1h，然后空冷至常温得到高强度赤泥基陶粒产品，抗压峰值强度为335MPa。从陶粒产品的XRD图中可以看出，其生成了高铁低硅多组分共熔的半玻化陶瓷体。
实施例2
采用广西某氧化铝厂赤泥，经水洗法脱碱(至Na2O含量2.8％)、烘干后，各主要组分成分及含量为SiO2 11％，Fe2O3 29％，Al2O3 15％，CaO 14％，H2O 15％。将烘干赤泥研磨至100目以下，加入5％去离子水并混合均匀。取上述赤泥物料加入压力模具，在压力机上以20MPa压力定型制成直径为0.6cm，高径比为0.8的圆柱体陶粒生坯，再次烘干后放置于高温炉中在950℃下烧结2h，然后空冷至常温得到高强度赤泥基陶粒产品，抗压峰值强度为180MPa。
实施例3
采用山东某氧化铝厂赤泥，经水洗法脱碱(至Na2O含量2.6％)、烘干后，主要组分成分及含量为SiO2 17％，Fe2O3 32％，Al2O3 18％，CaO 10％，H2O 11％。将烘干赤泥研磨至100目以下，加入10％生物有机废液并混合均匀。取上述赤泥物料加入压力模具，在压力机上以10MPa压力定型制成直径为0.6cm，高径比为0.8的圆柱体陶粒生坯，再次烘干后放置于高温炉中在1250℃下烧结1h，然后空冷至常温得到高强度赤泥基陶粒产品，抗压峰值强度为82MPa。
实施例4
采用贵州某氧化铝厂赤泥，经水洗法脱碱(至Na2O含量2.6％)、烘干后，主要组分成分及含量为SiO2 17％，Fe2O3 23％，Al2O3 20％，CaO 11％，H2O 18％。将烘干赤泥研磨至100目以下，取上述赤泥物料加入压力模具，在压力机上以25MPa压力定型制成直径为0.6cm，高径比为0.8的圆柱体陶粒生坯，再次烘干后放置于高温炉中在1150℃下烧结1h，然后空冷至常温得到高强度赤泥基陶粒产品，抗压峰值强度为178MPa。
对比例1
其他条件与实施例3相同，仅在陶粒生坯压力定型时采用5MPa压力，烧制的赤泥基陶粒产品抗压峰值强度为56MPa。
对比例2
其他条件与实施例3相同，仅在烧结温度时采用800℃，烧制的赤泥基陶粒产品抗压峰值强度为49MPa。
对比例3
其他条件与实施例3相同，仅在压力成型前不使用塑化剂，烧制的赤泥基陶粒产品抗压峰值强度为73MPa。
