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微生物礦化廢渣制備建材制品

發布時間:2019-07-06所屬分類:科技論文瀏覽:1

摘要:將微生物礦化技術應用到冶煉銅渣的資源化利用中,以水淬銅渣為主要膠凝材料與鋼渣復配,熟石灰為鈣源,提出了銅渣-熟石灰-鋼渣三元復配體系,制品強度接近10MPa,壓制后抗壓強度接近20MPa。 關鍵詞:微生物礦化;銅渣;鋼渣;碳化;建材制品 冶煉廢渣是指

  摘要:將微生物礦化技術應用到冶煉銅渣的資源化利用中,以水淬銅渣為主要膠凝材料與鋼渣復配,熟石灰為鈣源,提出了銅渣-熟石灰-鋼渣三元復配體系,制品強度接近10MPa,壓制后抗壓強度接近20MPa。

  關鍵詞:微生物礦化;銅渣;鋼渣;碳化;建材制品

精細石油化工進展

  冶煉廢渣是指金屬制造行業冶金過程中伴隨金屬礦物冶煉而產生的各種固體廢棄物;涵蓋范圍廣,可以主要分為黑色金屬冶煉和有色金屬冶煉兩大類[1-3]。冶煉廢渣的無害化治理已經頗具成果,但如何最大限度的利用廢渣的剩余價值逐漸成為行業最為關注的問題。微生物礦化的方式能顯著提升鋼渣制品的力學性能,其主要機制是固結二氧化碳來產生碳酸鹽,通過新生成的碳酸鹽填充孔徑、優化孔隙結構[4-6];本研究采用利用銅渣作為主要膠凝材料,通過微生物礦化提升制品的力學性能,并研究了影響制品力學性能的相關因素。

  1實驗

  1.1原材料

  銅渣為南京某有色金屬冶煉廠的銅冶煉廢過程中的水淬銅渣,是煉銅過程中的高溫爐渣經過水淬冷卻后形成的,已經經過破碎,粒徑1-2mm,顏色為深黑色,能夠明顯看到玻璃相。原料銅渣在球磨機中磨細兩小時后,過0.075mm的篩(200目,75μm)。取篩下渣樣用作試驗用料,用李氏瓶與勃氏透氣比表面積儀測得其密度、比表面積分別為:3.98g/cm2,1900cm2/g。其他原材料包含固碳菌菌粉,耐受pH范圍為8-12;Ca(OH)2來源于上海凌峰化學試劑有限公司,分析純;拌合用水為室溫自來水;細集料為細度模數為2.8的河砂。

  1.2試件制備

  成型:試件依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671—1999)進行成型。按照骨料、纖維、水泥、礦物摻合料的順序進行加料,菌粉加入水中保證混合均勻,菌粉摻量以膠凝材料用量的1.5%計。試件尺寸為40mm×40mm×160mm。養護制度:將成型好的試件在養護箱內標準養護48h后拆模,室內條件下經停24h后放入碳化箱。

  本次試驗涉及到兩種碳化養護方法,第一種是加壓碳化,CO2濃度為(98%±1%),相對濕度60%,溫度20℃,本次試驗氣體壓力為0.30MPa。第二種為標準碳化,將制品放入標準碳化箱內,標準碳化條件參考《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》(GBT50082-2009)中的碳化條件具體為:CO2濃度為20%,相對濕度(60%±1%),溫度(20±1)℃。

  1.3試驗方法

  根據國標《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671—1999),分別進行抗折強度和抗壓強度的測試。

  2實驗結果與分析

  2.1銅渣/熟石灰/鋼渣配比對于制品性能的影響

  實驗以銅渣微粉為原材料,單摻Ca(OH)2為鈣源,占膠凝材料總組分的10%、20%、30%。試驗結果表明銅渣不具有很好的水硬性,當熟石灰摻量低于30%時,制品1天不能拆模。隨著熟石灰摻量增加,制品的初凝時間和可拆模時間均縮短,這可能是因為Ca(OH)2能很好的破壞銅渣粉中的玻璃相,能加速水化進程,使得試件凝結時間和初始強度都有所改善。

  經過加壓碳化6小時候,測Ca(OH)2摻量為10%、20%、30%和40%時對應的強度分別為0MPa、2.2MPa、3.1MPa和4.7MPa。可見Ca(OH)2摻量的提升對于制品強度提升是有利的,這主要是因為在二氧化碳作用下,Ca(OH)2轉變成為CaCO3,由于碳酸鈣晶體體積較氫氧化鈣大,對試件的孔隙起到一定的填充膠結作用,所以力學性能提升。

  2.2銅渣-熟石灰-鋼渣復配對于制品性能的影響

  通過固定Ca(OH)2摻量為30%,利用具有一定水硬活性的鋼渣來提升制品早期的力學性能。試驗結果表明鋼渣的加入顯著減少的試件的凝結時間,且鋼渣摻量達到35%時,表面基本不泌水且其凝結時間已經可以控制在1小時內。推測是由于較細且活性成分較多的鋼渣能夠迅速水化凝結使得制品凝結性能改善。實驗結果表明,隨著鋼渣摻量增加,抗壓強度都有提升。

  2.3碳化制度對制品性能的影響

  為碳化制度對于制品性能影響較大,特別是之前的研究表明加壓碳化能大大縮短制品所需時間。為此,系統對比了加壓碳化和國標碳化兩種方式對制品力學性能的影響。表示銅渣,SL(slakedlime)表示熟石灰用量,Slag表示鋼渣,計量依據質量占比計算。0.3MPa指的是環境中二氧化碳壓力為0.3MPa,sc表示標準碳化條件。

  通過比較不同碳化環境下制品的力學性能,制品力學性能隨著碳化時間的增加而增加;相對于加壓碳化,標準碳化雖然CO2濃度、分壓沒有加壓碳化高,但是在碳化時間更長的時間下,碳化后的制品強度可以達到甚至超越加壓碳化制品的強度。選取35%銅渣、30%熟石灰、35%鋼渣進行碳化深度測試,標準碳化三天條件下的制品都已經完全碳化;雖然完全碳化的制品還沒有達到10MPa的基本要求,但純銅渣樣品在標準碳化下已經具有一定的力學性能,可以用微生物加速碳化的方法固定堆場中的銅渣,減少銅渣堆料過程中的灰分和揚塵。

  2.4微生物對孔隙結構的優化

  采用X-CT分析不加菌未碳化制品、不加菌碳化制品、加菌碳化制品的孔隙特征,分析表明碳化后試件中最大孔的體積降低,同時加菌碳化試件的最大孔的體積已經降低至19mm3。另一方面,加菌碳化的制品其邊緣與內部的小孔數量都較不加菌未碳化的制品少,同時也優于碳化不加菌試件。總的來說碳化處理后制品能利用碳化生成CaCO3進而填補制品中小的孔徑,能很好降低制品小孔數量,提高制品密實度,使制品更加均勻密實;而微生物的引入,利用其固碳作用,加速對二氧化碳的捕獲和固定,能顯著提升碳化速度,更有效率地優化制品的孔隙結構。

  3結論

  本章對微生物加速碳化銅渣制品進行了試驗研究,研究結果如下:(1)熟石灰的摻入能加速銅渣制品的凝結,同時也能對銅渣制品強度有一定提升作用;這主要是因為熟石灰提供了鈣源,氫氧化鈣在碳化后能密實基體。(2)銅渣-熟石灰-鋼渣三元體系的制品在完全碳化后,其制品強度接近10MPa,采用壓制成型時強度更高,接近20MPa。(3)碳化養護制度對制品的性能影響表明,加壓碳化在短時間內能顯著提升制品力學性能,而另一方面,標準碳化3d也能使得制品強度達到相同水平。(4)微生物的特殊固碳作用能在相同碳化時間下,加速制品固碳,更快的優化孔徑,密實基體。

  參考文獻

  [1]盧宇飛“冶金原理”課程改革熱點問題[J].中國冶金教育,2008(1):26-28.

  [2]廖亞龍,葉朝,王祎洋,等.銅冶煉渣資源化利用研究進展[J].化工進展,2017(8).

  [3]劉綱,朱榮.當前我國銅渣資源利用現狀研究[J].礦冶,2008,17(3):59-63.

  [4]KaiW,QianC,WangR.Thepropertiesandmechanismofmicrobialmineralizedsteelslagbricks[J].Construction&BuildingMaterials,2016,113:815-823.

  [5]BinX,ChunxiangQ.Mitigationofefflorescenceofwallboardbymeansofbio-mineralization[J].FrontiersinMicrobiology,2015(6):1155.

  [6]QianC,RenL,XueB,etal.Bio-mineralizationoncement-basedmaterialsconsumingCO2fromatmosphere[J].Construction&BuildingMaterials,2016(106):126-132.

  化工師評職投稿刊物:精細石油化工進展堅持以新穎性、實用性、及時性特色,致力于新成果向生產力的轉化;重點報道國內外精細石油化工領域的新技術、新工藝和新產品,以及產品市場狀況的研究、企業技術改造方面的選進經驗等‘主要面向全國相關企業的生產、科研、管理及銷售等方面的人員,以及大專院校和科研院所的有關專業人士。

  

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