一种新型钢渣基免烧陶粒滤料的制备及其性能研究.pdf
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1、一种新型钢渣基免烧陶粒滤料的制备及其性能研究沈鑫宇1,闫肖雅1,林杨2,徐悦清3,刘荣1*1.南京师范大学环境学院,江苏省物质循环与污染控制重点实验室,江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心2.北京中冶设备研究设计总院有限公司3.生态环境部南京环境科学研究所摘要采用免烧工艺以钢渣为主要原料制备陶粒滤料,并用其替代高炉底滤法水冲渣工艺过滤池中的鹅卵石,为钢渣资源化利用提供新思路。在确定基础配比(钢渣:水泥为 2.0)后,选取石膏和水玻璃作为激发剂研究其对滤料性能的影响。最终选取石膏添加量为 8%作为滤料的最优制备参数,此时滤料颗粒强度为 4.14 MPa,1 h 吸水率为 9.05%,颗粒密度
2、为 1.49 kg/m3,25 次抗冷热冲击后强度降幅仅为 3%,过滤速度为 5.92 mm/s。借助 X 射线衍射仪(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)对滤料进行物相组成和微观形貌的表征,发现所使用的激发剂可促进钢渣中主要矿物 C3S 和 C2S 的水化反应,生成 CSH 类凝胶,这些水化产物相互交织黏结,使滤料内部孔隙率降低,滤料颗粒强度和 25 次抗冷热冲击性能不断提升。该系列滤料同时也可作为建筑陶粒应用于建材骨料等。关键词钢渣;免烧滤料;激发剂;水化反应;CSH中图分类号:X705 文章编号:1674-991X(2023)04-1525-10doi:10.12153/j.issn.16
3、74-991X.20220709Preparation and performance study of a new type of steel slag-based non-firedceramsite filter mediaSHEN Xinyu1,YAN Xiaoya1,LIN Yang2,XU Yueqing3,LIU Rong1*1.Jiangsu Key Laboratory of Material Recycling and Pollution Control,Collaborative Innovation Center for Development andUtilizati
4、on of Geographic Information Resources in Jiangsu Province,School of Environment,Nanjing Normal University2.Beijing MCC Equipment Research and Design Institute Co.,Ltd.3.Nanjing Institute of Environmental Sciences,Ministry of Ecology and EnvironmentAbstractThe non-burning process was adopted to prep
5、are ceramic granule filter media with steel slag as the mainraw material.It was used to replace the cobblestone in the filter tank of the blast furnace bottom filtration waterflushing slag process,providing a new idea for the resource utilization of steel slag.After determining the base ratioof stee
6、l slag to cement of 2.0,gypsum and water glass were selected as activators to study their impact on theperformance of the filter media.Finally,an 8%gypsum addition was selected as the optimal preparation parameterfor the filter material.At this time,the particle strength of filter media was increase
7、d to 4.14 MPa,the 1 h waterabsorption rate was 9.05%,the particle density was 1.49 g/cm3,the decrease in strength was only 3%after 25 timesof cold and hot impacts,and the filtration speed was 5.92 mm/s.With the help of X-ray diffractometer(XRD)andscanning electron microscope(SEM),the physical compos
8、ition and microscopic morphology of the filter mediawere characterized.It was found that the exciter used could promote the hydration reaction of the main minerals C3Sand C2S in the steel slag to produce CSH type gels,and these hydration products intertwined and bonded toreduce the porosity inside t
9、he filter media and improve the filter media particle strength and 25 times of cold and hotimpacts continuously.This series of filter media could also be used as construction ceramic pellets for buildingmaterials,such as aggregate.Key wordssteel slag;non-fired filter media;activators;hydration react
10、ion;CSH 收稿日期:2022-07-11基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFD1101001)作者简介:沈鑫宇(1997),男,硕士,研究方向为固体废物资源化利用,*责任作者:刘荣(1965),女,教授,博士,研究方向为固体废物资源化利用, Vol.13,No.4环境工程技术学报第 13 卷,第 4 期Jul.,2023Journal of Environmental Engineering Technology2023 年 7 月沈鑫宇,闫肖雅,林杨,等.一种新型钢渣基免烧陶粒滤料的制备及其性能研究 J.环境工程技术学报,2023,13(4):1525-1534.SHEN X
11、Y,YAN X Y,LIN Y,et al.Preparation and performance study of a new type of steel slag-based non-fired ceramsite filter mediaJ.Journal ofEnvironmental Engineering Technology,2023,13(4):1525-1534.钢渣作为炼钢工艺过程中的副产品,约占工业固体废物总量的 24%1。相较于发达国家近 90%的利用率,钢渣在我国的利用率不足 30%2。钢渣主要化学成分为 CaO、SiO2、Al2O3、FeO、MgO 和单质Fe,当
12、CaO 的含量超过 50%时,便可作烧结配料,以代替部分石灰石3-4。钢渣含有约 10%的金属铁,可通过破碎、分选、磁选和筛选等过程来回收其中的金属铁5。钢渣具有一定的碱性和吸附性,可以用于人工湿地的除磷和烟气的脱硫,且重金属污染小,具有环境安全性6-8。但因钢渣组成成分的不确定性、运输成本巨大和利用附加价值低等原因,我国对钢渣的资源化利用率仍存在不足。底滤法水冲渣工艺作为国内超 80%高炉渣的处理工艺环节,采用天然鹅卵石作为冲渣池过滤层。大量鹅卵石的开采,造成水土流失、植被和自然环境的破坏,且鹅卵石为不可再生资源,随着国家对环保要求的日益严格,挖掘河床获取鹅卵石破坏环境的做法被逐渐禁止。因此
13、寻找一种新的高炉水冲渣滤料来替代鹅卵石迫在眉睫。陶粒滤料,因其堆积密度小、强度高、比表面积大和破损率与磨损率之和小的优点,在水处理、环保建材行业得到了广泛应用9-11。因此用陶粒滤料代替鹅卵石滤料的做法值得深入研究。有学者尝试利用钢渣代替传统天然不可再生资源黏土、页岩等,经 1 000 以上的高温烧结12制作陶粒滤料。但烧制过程中会消耗大量的能源,产生大量的废气与粉尘,对环境与生态造成严重影响。笔者采用免烧技术制备一种钢渣基陶粒滤料(钢渣基免烧滤料),探究了钢渣基免烧滤料的制备工艺及性能优化。通过用钢渣替代黏土、页岩等天然传统原料制备滤料,消纳大量钢渣,同时采用一种无须高温煅烧、能耗低的免烧工
14、艺,简化处理流程,在炼钢厂内部即可实现钢渣的内循环消化,降低运输成本,从而使钢渣的利用获得显著的经济效益。所制备的钢渣基免烧滤料后期主要用于替代高炉底滤法水冲渣工艺过滤池中的鹅卵石滤料,也可用于路面铺设、园林和建筑等领域,减少了对自然资源的消耗和生态环境的影响,符合国家节能减排、绿色发展的环保政策。1材料与方法 1.1原料原料包括钢渣、普通 42.5R 硅酸盐水泥、普通建筑石膏、水玻璃。表 1 为钢渣的主要化学组成。从表 1 可以看出,钢渣中主要成分是 CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3等无机氧化物。图 1 为钢渣的 X 射线衍射(XRD)图。从图 1 可以看出,钢渣中矿相主要为
15、 C3S 和 C2S,与水泥成分相近,因此具有胶凝材料的潜质,此外还存在 SiO2、Al2O3、RO 相(MgO 与FeO 形成连续固溶体,属于惰性组分)和少量的CaO。在冶炼过程中,C3S、C2S 等活性组分被熔融钢渣冷却过程中形成的玻璃体所包裹,致使矿物结晶粗大,限制了钢渣的活性13。因此在后续研究钢渣基免烧滤料的制备工艺中,将重点关注钢渣的活性激发。表 1 钢渣的主要化学成分分析 Table 1 Analysis of the main chemicalcomposition of steel slag%CaOFe2O3SiO2MgO MnOAl2O3P2O5TiO2SO3Cr2O347
16、.9424.5110.697.563.242.251.750.837 0.3740.328 图 1 钢渣的物相组成分析Fig.1 Analysis of phase composition of steel slag 1.2试验设备标准筛,BZS-200,上虞大地分样筛厂;电子天平,MS,美国梅特勒-托利多公司;鼓风干燥箱,DHG-9030A,上海一恒科学仪器有限公司;行星式球磨仪,QM-3SP2,南京大学仪器厂;挤出造粒机,ZLQ-4,南京市康善制药设备厂;圆盘造粒机,500 型,欧熙机械设备设备厂;颗粒强度测定仪,YHKC-2A,泰州银河仪器厂;X 射线荧光光谱分析仪,S1 TITAN,德
17、国布鲁克公司;X 射线衍射仪,D/max 2500/PC,日本理学公司;扫描电子显微镜,JSM-56140LV,日本电子公司。1.3滤料制备钢渣基免烧滤料制备的工艺流程如图 2。首先将钢渣经破碎、粉磨处理,过 60 目筛,取筛下物备用;将水泥、添加剂按比例混匀后加入钢渣粉料中,搅拌均匀,再添加 20%30%的水,混合均匀至形成黏稠坯料;然后将坯料投入造粒机挤出圆柱状颗粒初坯(粒径为 1015 mm),将圆柱状颗粒初坯放于圆盘造粒机中滚至近球状形成滤料;最后将滤料经 24 h室温条件空干后,放入养护箱中保水自然养护一定 1526 环境工程技术学报第 13 卷时间,即可得到免烧型钢渣滤料。制得的成
18、品滤料如图 3 所示。图 3 钢渣基免烧滤料照片Fig.3 Photo of steel slag-based non-burning filter balls 1.4滤料性能测试根据 GB/T 17431.12010轻集料及其试验方法 第 1 部分:轻集料确定滤料的颗粒密度(g/cm3)、颗粒强度(MPa)、1 h 吸水率(%)3 项性能为考核指标,由于本试验所制的滤料后续主要用于高炉底滤法水冲渣工艺过滤池中,故将 25 次抗冷热冲击后颗粒强度和过滤速度作为额外性能指标,对免焙烧型透水过滤料高炉水冲渣工业环境进行模拟。借助XRD、扫描电子显微镜(SEM)表征技术,对滤料内部矿相组成和微观形貌
19、进行分析。探究钢渣和水泥质量比(钢渣水泥)、石膏添加量、水玻璃添加量对滤料性能的影响,对滤料物料内部物质转变规律和水化反应机理进行了分析。2结果与讨论在建筑材料制备行业中,保水自然养护能够保证胶凝材料正常水化,并达到一定的强度。适当的养护时间对材料内部水化硬化反应程度及材料性能提升有积极作用。经预试验研究,选取钢渣滤料的养护时间为 28 d。2.1钢渣:水泥对滤球性能的影响 2.1.1物理性能变化规律图 4 为不同钢渣水泥时,制备得到的滤料物理性能的表现。从图 4 可以看出,当钢渣水泥从1.5 增至 3.5 时,滤料颗粒强度大幅下降,由 4.26MPa 下降到 1.71 MPa,颗粒密度变化较
20、小,1 h 吸水率从 10.33%上升到 17.01%,滤料经 25 次抗冷热冲击后颗粒强度下降幅度由 3.5%变为 29.8%,颗粒强度抗冷热冲击性能大幅下降。这是因为钢渣含量的增加和水泥含量的减少,使得胶凝材料减少,滤料内部水化作用不充分,生成的 CSH 类水化凝胶物质占比降低14-15,滤料颗粒强度和抗冷热冲击性能也随之下降。因此,在保证滤料性能的条件下最大化利用钢渣,选取钢渣水泥为 2.0。图 4 钢渣水泥对滤料物理性能的影响Fig.4 Effects of different steel slag/cement ratios on thephysical properties of
21、filter balls 2.1.2XRD 变化规律图 5 为不同钢渣:水泥时滤料的 XRD 图。从图 5可以看出,随着钢渣含量的不断增加,观察到CaCO3峰形较好,且不断增强,Ca(OH)2衍射峰形弥散且逐渐减弱。这是因为钢渣含量的增加和水泥含量的减少,使滤料内部胶凝水化作用减弱,孔隙增 图 2 钢渣基免烧滤料制备工艺流程Fig.2 Process flow chart of preparation of steel slag-based non-burning filter balls 第 4 期沈鑫宇等:一种新型钢渣基免烧陶粒滤料的制备及其性能研究 1527 加,结构松散,滤料内部水化生
22、成的 Ca(OH)2更易与空气中 CO2接触固化生成 CaCO3。在钢渣:水泥较低时,CSH 凝胶和钙长石对应的衍射峰尖锐且窄,这是因为水泥含量较高,能够提供良好碱性环境,有利于钢渣活性的激发,同时自身提供大量的C2S 和 C3S 等活性组分参与到水化反应中16-18,生成水化产物 CSH 和钙长石。随着钢渣:水泥不断升高,水泥含量减少,滤料内部没有足够的胶凝活性物质参与到水化反应中19,CSH 和钙长石的衍射峰变得弥散宽泛。因此滤料颗粒强度不断下降,1h 吸水率不断上升,经 25 次抗冷热冲击后颗粒强度下降幅度不断变大。此外,当钢渣:水泥为 2.5 时,可以观察到 CaO 峰形突显出来,即钢
23、渣带入的 CaO 增多,CaO 的低水化活性在长时间缓慢反应中会产生膨胀应力,使成型的滤料产生开裂,不利于滤料性能的提高。2.1.3SEM 变化规律从图 6 可以看出,当钢渣:水泥为 1.5 和 2.0 时,滤料内部有大量絮状物连接在一起形成的团聚体,结构致密,表面未反应的散杂小颗粒较少,此时滤料颗粒强度较高,1 h 吸水率较低,滤料经 25 次抗冷热冲击后颗粒强度下降幅度小,结合 XRD 分析结果,判断该絮状物质为 CSH 凝胶。当钢渣:水泥为3.0 时,滤料内部絮状物减少,结构较为松散,孔隙较多,这是由于水泥含量的减少,水化提供的 CSH凝胶物质也随之减少,CSH 衍射峰变得弥散宽泛。此时
24、滤料颗粒强度下降,1 h 吸水率上升,经25 次抗冷热冲击后颗粒强度降幅变大。同时在微观形貌图中能明显观察到材料表面分布有松散细碎物质,结合 XRD 的分析结果,这些物质应该是过量添加钢渣所带入的 CaO20,它的存在导致滤料结构稳定性降低。2.2石膏对滤球性能的影响 2.2.1物理性能变化规律图 7 为不同石膏添加量时,滤料物理性能的表现。从图 7 可以看出,随着石膏添加量的增加,滤料颗粒强度与 25 次抗冷热冲击后滤料颗粒强度增加较为快速,当石膏添加量达到 8%时,颗粒强度达到最大,为 4.14 MPa,滤料经 25 次抗冷热冲击后颗粒强度下降幅度最小,为 2.7%,达 4.03 MPa,
25、随后大幅 图 5 钢渣:水泥对滤料物相组成的影响Fig.5 Effects of different steel slag/cement ratios on the phasecomposition of filter balls 图 6 钢渣:水泥对滤料微观形貌结构的影响Fig.6 Effects of different steel slag/cement ratios on the microstructure of filter balls 1528 环境工程技术学报第 13 卷降低;1 h 吸水率先减小,当石膏添加量达到 8%时,吸水率达到最小,为 9.05%,随后大幅提升;颗粒密度
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