印染污泥与水玻璃碱渣协同制备陶粒的试验研究

李科，王志学，孙琳

（1. 江阴市会德商品混凝土有限公司，江苏 江阴 214400；2. 徐州中联混凝土有限公司，江苏 徐州 221100）

0 前言

印染污泥是纺织企业印染废水处理的副产物，其中残留大量的有机化工原料，Cu、Zn、Pb、Cd 等重金属元素亦超标，存在着较高的毒性和危险性[1-3]，被列入国家危险废物名录。然而印染污泥的主要化学成分为 Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO，与黏土类原料接近，使用印染污泥取代黏土质原料制备陶粒可以固化重金属元素、有机物充分氧化分解，实现印染污泥的无害化处理和资源化利用[4-6]。

在水玻璃生产过程中固相溶解后生产的沉淀物被称为水玻璃碱渣，主要由晶态二氧化硅和硅酸钠水合物组成。因其产量较低，综合利用研究较少，目前尚无有效的处理手段，无组织排放对环境造成了严重的污染。

本文以印染污泥、水玻璃碱渣和粉煤灰为原料，充分利用印染污泥中的有机物提供残留热值以及作为陶粒的膨胀源，利用粉煤灰和水玻璃碱渣调控原料的造粒性能，改进印染污泥制备陶粒的工艺进程，使印染污泥、水玻璃碱渣这两种难以利用的工业废弃物得到有效的资源化利用。

1 试验

1.1 试验原料

（1）印染污泥：无锡某印染厂，灰分 64.76%，弹筒热值 6.22kJ/g。其化学成分见表 1。

（2）水玻璃碱渣：苏州某水玻璃企业，具体化学成分及 XRD 参见表 1 和图 1。

（3）粉煤灰：谏壁统灰，烧失量 2.76%。其化学成分见表 1。

表 1 原料的化学成分 %

1.2 试验方法

图 1 水玻璃碱渣的 XRD 分析

将印染污泥、水玻璃碱渣在 105℃ 的干燥箱中烘干2h 后，分别研磨成粉末状过筛（200 目），将粉状的印染污泥、水玻璃碱渣和粉煤灰按照一定比例混合，并按照水灰比 0.8 与水混合搅拌，搅拌均匀后的糊状物挤压成球形，料球直径为 10mm，干燥后在马弗炉中煅烧，制备所需陶粒样品，测试陶粒的表观密度及筒压强度。

2 试验结果与讨论

2.1 物料配比及干燥方式对生料球性状的影响

调整印染污泥、水玻璃碱渣和粉煤灰的比例，加水制成料球，采用直接烘干和自然晾干 6h 后烘干，烘干后的料球状态如表 2 所示。

表 2 物料配比及干燥方式对生料球性状的影响

结果表明，物料的配比和干燥方式均对生料球的性状产生较大的影响。印染污泥中含有较多的有机物，成球性较差，烘干后直接散落成粉；粉煤灰和水玻璃碱渣均对印染污泥的成球性能有一定的改善作用，水玻璃碱渣因具有一定的胶凝性，改善作用更为明显。

湿料球直接烘干时，水分蒸发速度较快，易导致料球干燥开裂；而经自然晾干 6h 后，料球中的水分有较大程度地下降，料球在烘干时收缩量大幅度降低，裂纹数量明显减少。试验结果显示，当印染污泥与水玻璃碱渣的质量比为 1:1 时，采用自然晾干后烘干的方式，生料球的状态最佳，但由于水玻璃碱渣中的 Na2O 含量较高，在煅烧时会导致液相粘度太低而不利于陶粒膨胀，因此选择印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣的质量比为2:1:1 的物料配比，采用自然晾干后烘干的方式制备生料料球，料球状态良好，并可使各氧化物的比例居于制备陶粒的适宜范围。

2.2 烧结温度对陶粒性能的影响

将印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣的质量比为2:1:1 的物料配比，采用自然晾干后烘干的方式制备的生料料球置于高温炉中，在 350℃ 下预热 20min，随后升温至高温段烧结，烧结温度从 1040～1180℃，烧结时间为 15min，试验结果如表 3 和图 2 所示。

表 3 烧结温度对陶粒性能的影响

图 2 烧结温度对陶粒性能的影响

结果表明：随着烧结温度的提高，陶粒的堆积密度先降低后提高，在 1100℃ 时达到最低值 802kg/m3，筒压强度随着烧结温度的提高而提高。陶粒的膨胀源于内部气体的释放和表层物料的烧结，在一定温度下，陶粒内部产生气体向外释放，而陶粒熔融产生一定的液相量，液相封闭了气体释放的孔隙，使内部产生的气体难以释放而导致陶粒膨胀，液相对陶粒孔隙的充填以及在高温下的晶界迁移使得坯体的致密度提高而产生一定的强度。温度较低时，内部产生的气体直接释放，陶粒未发生明显膨胀，且由于陶粒未烧结，力学性能亦未提升。温度较高时，液相量过多，气体产生速度较快，逸出量较多，陶粒的膨胀量较小。

结果表明，以印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣按质量比为 2:1:1 制得的生料，其液相出现温度为 1080～1100℃，此烧结温度下制成的陶粒具有适宜的堆积密度和筒压强度。

2.3 烧结时间对陶粒性能的影响

将印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣的质量比为2:1:1 的物料配比，采用自然晾干后烘干的方式制备的生料料球置于高温炉中，在 350℃ 下预热 20min，随后升温至高温段烧结，烧结温度为 1080℃ 和 1100℃，烧结时间为 10～30min，试验结果如表 4 和图 3、图 4 所示。

表 4 烧结时间对陶粒性能的影响

图 3 烧结时间对陶粒性能的影响（1080℃）

结果表明，在 1080℃ 下，陶粒的堆积密度在烧结时间为 25min 时达到极低值，为 846 kg/m3，在 1100℃下，陶粒的堆积密度在烧结时间为 20min 时达到极低值，为 749kg/m3，说明随着烧结时间的延长，液相量的逐渐增多，膨胀产生的孔隙会被液相再次充填，陶粒的致密性提高，力学性能提升，而体积降低，导致陶粒的堆积密度和筒压强度增加。

图 4 烧结时间对陶粒性能的影响（1100℃）

结果表明，以印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣按质量比为 2:1:1 制得的陶粒生料，1080℃ 下适宜的烧结时间为 25min，1100℃ 下适宜的烧结时间为 20min，可以推知，随着烧结温度的提高，适宜的烧结时间会进一步缩短。

3 结论

（1）粉煤灰和水玻璃碱渣均对印染污泥的成球性能有一定的改善作用，水玻璃碱渣因具有一定的胶凝性，改善作用更为明显。干燥方式亦对料生球性状有着较大的影响，选择印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣的质量比为 2:1:1 的物料配比，采用自然晾干后烘干的方式制备生料料球，料球状态良好。

（2）以印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣按质量比为 2:1:1 制得的生料，其液相出现温度为 1080～1100℃，此烧结温度下制成的陶粒具有适宜的堆积密度和筒压强度。

（3）以印染污泥、粉煤灰和水玻璃碱渣按质量比为 2:1:1 制得的陶粒生料，1080℃ 下适宜的烧结时间为25min，1100℃ 下适宜的烧结时间为 20min，随着烧结温度的提高，适宜的烧结时间会进一步缩短。