一种截污型透水砖及其制备方法与流程

本发明涉及一种截污型透水砖及其制备方法，具体指一种用于去除雨水中溶解性重金属及有机污染物的透水砖材料配方及加压成型中温烧制的制备方法，属于绿色建筑材料技术领域。

背景技术：

目前，城市地表大规模的铺设水泥、沥青等不透水硬化路面，在带来交通便利的同时，阻断了雨水入渗土壤及涵养地下水；雨水径流形成的路面积水不仅影响了人们出行，而且增加了暴雨径流量，加重了城市排水负荷；路面上大量污染物在雨水冲刷下随径流进入水环境形成主要的城市面源污染。目前的透水砖路面虽然具有缓解地表径流、补给地下、改善城市地表土壤生态环境等优点，但目前的城市初期雨水中不仅含有重金属、总磷等溶解性离子，而且还含有内分泌干扰物(edcs)、痕量药物等有机污染物，而目前的透水砖主材大多以砂子或土壤、混凝土或陶瓷为主要材料烧结或粘结而成，不具备截留溶解性污染物的功能，因此在涵养地下水的同时会增加污染土壤和地下水的风险，在雨水收集利用时增加了处理的难度和投入。

近年来，人们主要探索研究收集和去除初期雨水中污染物的技术和方法，包括初期雨水的弃流装置研发，然后采用生化或物化技术进行初期雨水的净化。而雨水的收集利用仅限于后期较清洁的雨水，而对于小雨和大部分未进行收集利用而进入环境中的雨水中所含的污染物并未进行污染物的控制，因此对城市河湖水环境、土壤和地下水的污染产生潜在的风险。

对水中重金属的去除方法沉淀法、膜法和吸附法，对有机污染物的去除方法有吸附和生物处理法，对氮磷的去除有生物、吸附和化学沉淀法，但由于雨水分布具有分散、量大的特点，因此采用集中全部处理后回用或涵养地下水难度很大，而开发新型的环保建材，在渗滤雨水涵养地下水的同时截留其中的污染物，只需在传统透水砖的基础上增加吸附截留污染物的功能即可实现，因此具有较大的可操作性和推广应用价值。

申请公开号cn103088742a和cn102400428a的专利申请公开了一种以硅砂为主材的透水砖及其制备方法；申请公开号为cn1966861a的专利申请公开了一种以石英砂为骨料，树脂为粘结剂的复合透水砖的制备方法；申请公开号为cn103739244a的专利申请公开了一种以土、电石渣和水泥为基层的透水砖。目前，还没有关于截污型透水砖的报道，即利用粉煤灰、生物质和沸石粉或海泡石为主材制备的透水砖具备去除雨水中的污染物的功能。

技术实现要素：

鉴于以上所述的现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种截污型透水砖及其制备方法，利用该方法制备的产品可实现雨水渗透的同时去除其中所含的溶解性污染物。

所述的截污型透水砖，是利用工业废弃物粉煤灰、生物质和天然沸石粉或海泡石粉作为骨料，磷酸铝、镁铝类水滑石、膨润土和水泥作为粘结剂，木质素磺酸镁或石英粉作为添加剂，通过骨料粉碎、制备成型以及中温热处理过程制得，从而实现渗滤雨水的同时吸附其中的污染物，净化水质。

其是通过以下技术方案实现的：

一种截污型透水砖，由骨料、粘结剂和添加剂按质量份85~125：2.5~10：0.5~1.5组成；所述骨料由粉煤灰、生物质和沸石粉或海泡石粉按质量份70~85：5~10：10~20组成；所述粘结剂由磷酸铝、镁铝类水滑石、膨润土和水泥按质量份0.5~3：0.5~3：1~3：0.5~1组成；所述添加剂为木质素磺酸镁或石英粉的一种或两种，质量份为0.5-1.5。

本发明透水砖中的生物质，在通入氮气加热制备的过程中可以生成生物碳，其具有三个作用，一是作为成孔剂，形成孔隙微小而均匀的小孔；二是吸附剂，生物质在无氧条件下制备而成的生物碳，有很大的比表面积和吸附能力，可以作为雨水中污染物的吸附剂，尤其是对有机污染物有很大的吸附容量；三是作为助熔剂，有利于骨料制备为一体。

本发明透水砖中粘结剂磷酸铝、镁铝类水滑石、膨润土和水泥的加入，使得制备的透水砖具有较高的强度，其均为无机粘结剂，避免了热制备过程中生成有毒物质；且镁铝类水滑石和磷酸铝不仅具有吸附水中重金属离子（如铅、汞）和磷酸盐的能力，还能够与重金属离子发生离子交换作用，从而在很大程度上提高透水砖的吸附性能。

本发明透水砖中添加剂木质素磺酸镁或石英粉可以起到偶联剂的作用，提高透水砖的抗压强度值和透水性能。

本发明的目的还在于提供上述截污型透水砖的制备方法。

一种上述吸附去除水中重金属的颗粒滤料的制备方法，包括骨料粉碎、制备成型以及中温热处理过程。

所述骨料粉碎的过程为：将粉煤灰、沸石粉或海泡石粉分别用球磨粉碎机粉碎至粒径为200~300目，将生物质(秸秆、园林废弃物、壳聚糖、花生壳、稻壳、菌棒)粉碎至粒径3mm以下。

所述骨料预处理的过程为：首先将粉煤灰、沸石粉或海泡石粉分别用净水洗涤30min，之后在阴凉处自然风干20d或在-30℃、真空度18pa下冷冻干燥36~48h，在水洗过程中，部分溶解性的有机物和铁、钙等成分被洗脱出来，减少了透水砖二次污染的形成，且使其表面及内部形成大量孔隙，比表面积增大，提高了物理吸附能力。

所述制备成型的过程为：将粉煤灰、生物质、天然沸石粉或海泡石粉、磷酸铝、镁铝类水滑石、膨润土、水泥、木质素磺酸镁或石英粉混合均匀，加入占混合料总重量5~10%的净水，搅拌均匀后在2~6℃条件下陈化12~24h，用机械模具一次加压成型，表面抹平，20-30h脱模，自然风干4~8h。

所述热处理的过程为：在80~120℃下干燥8~12h，然后在通入氮气的条件下于400~600℃的马弗炉中焙烧2~4h，随炉冷却至室温，得截污型透水砖成品。

本发明制备的截污型透水砖，其在使用过程中的平均抗压强度≥35.0mpa，单块抗压强度≥30.0mpa，透水系数≥1.0×10^-2cm/s，保水系数≥0.6g/cm²，满足jc/t945-2005《透水砖》标准要求。

所述再生过程为：吸附饱和后的透水砖，先用1~5mol/l的盐酸浸泡24h，然后用清水冲洗至中性，在80~120℃下干燥8~12h，然后在通入氮气的条件下于500~600℃的马弗炉中焙烧2~4h，随炉冷却至室温。

本发明的有益效果：

本发明截污型透水砖的材料来源广泛，主料粉煤灰和生物质为工业和农业废弃物，成本低廉；制备方法操作简便，中温烧结节能降耗；实现了废弃物的资源化再利用。

本发明的截污型透水砖透水系数高、抗压强度大；对雨水中溶解态的重金属和有污物的吸附容量大、吸附效果好，且无有害物质的溶出；吸附饱和后的透水砖可以再生；可铺设在人行道、停车场、广场和屋顶等地方，实现雨水的渗滤和收集；可净化重金属和有机物微污染的雨水，改善城市水循环，补充地下水或实现雨水的利用，具有良好的经济和社会效益。

本发明制备的截污型透水砖，对雨水中汞、砷、镉、铅离子的去除率可达到99%以上，对内分泌干扰素、抗生素等微量有机污染物的去除率在95%以上，对磷酸盐的去除率在90%以上，吸附净化效果极佳。吸附饱和的滤料经盐酸浸泡、中温热解进行再生，吸附容量可恢复至原来的95%以上，可以重复使用。

附图说明

图1为实施例1制备的截污型透水砖的扫描电子显微镜（sem）图像。

图2为实施例1制备的截污型透水砖的能谱分析图。

图3为实施例1制备的截污型透水砖的xrd图。

图4为实施例2制备的截污型透水砖再生后的扫描电子显微镜图像。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例所制备的截污型透水砖，分别测试其对重金属汞、砷、镉、铅离子、磷酸盐、内分泌干扰素和抗生素的吸附去除率。测试方法为：采用渗滤过水的方式进行吸附过滤性能测试，入水汞、砷、镉、铅离子浓度分别为10~50μg/l，磷酸盐浓度为1~3mg/l，内分泌干扰素和抗生素为1~5μg/l，测试出水浓度，计算去除率。

实施例1：

将粉煤灰和沸石粉碎至粒径为200~300目，并分别用清水洗涤30min，之后冷冻干燥36h；将玉米秸秆粉碎至粒径3mm以下，按质量比70：5：10：0.5：0.5：1：0.5：0.5称取粉煤灰、生物质、沸石粉、磷酸铝、镁铝类水滑石、膨润土、水泥和木质素磺酸镁并混合均匀，加入混料总重量10%的净水，搅拌均匀后在4℃条件下陈化12h，用30×50×15cm的透水不锈钢模具加压成型后，自然风干4h，在105℃下干燥12h，然后在通入氮气的条件下于600℃的马弗炉中焙烧2h，随炉冷却至室温后即得截污型透水砖成品。由附图1的sem图像可知，该透水砖为表面光滑的球形颗粒，其间有约4-8μm的不规则过水通道，所制备的透水砖主要含有si、al、o元素，同时含有少量c、na、mg、k、ca、ti、fe等元素。

强度及透水性能测试：根据《透水砖》（jg/t945-2005）中附录a的规定对抗压强度进行测定，根据《透水砖》（jg/t945-2005）中6.5和6.6规定对保水性和透水系数进行测定。本产品的平均抗压强度为36.5mpa，单块抗压强度为37.5mpa，透水系数为1.1×10^-2cm/s，保水系数为0.65g/cm²，满足jc/t945-2005《透水砖》标准要求。

吸附性能测试：采用滤速1.1×10^-2cm/s的渗滤过水的方式进行吸附过滤性能测试，入水汞、砷、镉、铅离子浓度分别为50μg/l，磷酸盐浓度为3mg/l，内分泌干扰素和抗生素为5μg/l，出水汞、砷、镉、铅离子浓度分别为0.13g/l、0.21μg/l、0.40μg/l和0.32μg/l，磷酸盐浓度为0.2mg/l，内分泌干扰素和抗生素为0.005μg/l，出水浓度满足生活饮用水卫生标准gb5749-2006的限值要求。

实施例2：

将粉煤灰和海泡石粉碎至粒径为200~300目，并分别用清水洗涤30min，之后冷冻干燥48h；将稻壳粉碎至粒径3mm以下，按质量比85：10：20：3：3：3：1：1称取粉煤灰、生物质、海泡石粉、磷酸铝、镁铝类水滑石、膨润土、水泥和石英粉并混合均匀，加入混料总重量5%的净水，搅拌均匀后在6℃条件下陈化24h，用30×30×10cm的透水不锈钢模具加压成型后，自然风干8h，在120℃下干燥8h，然后在通入氮气的条件下于400℃的马弗炉中焙烧4h，随炉冷却至室温后即得截污型透水砖成品。

强度及透水性能测试：强度及透水性能测试：根据《透水砖》（jg/t945-2005）中附录a的规定对抗压强度进行测定，根据《透水砖》（jg/t945-2005）中6.5和6.6规定对保水性和透水系数进行测定。本产品的平均抗压强度为35.5mpa，单块抗压强度为36.5mpa，透水系数为1.05×10^-2cm/s，保水系数为0.64g/cm²，满足jc/t945-2005《透水砖》标准要求。

吸附性能测试：采用滤速1.1×10^-2cm/s的渗滤过水的方式进行吸附过滤性能测试，入水汞、砷、镉、铅离子浓度分别为50μg/l，磷酸盐浓度为3mg/l，内分泌干扰素和抗生素为5μg/l，出水汞、砷、镉、铅离子浓度分别为0.15μg/l、0.23μg/l、0.59μg/l和0.39μg/l，磷酸盐浓度为0.46mg/l，内分泌干扰素和抗生素为0.006μg/l，出水浓度满足生活饮用水卫生标准gb5749-2006的限值要求。

实施例3：

实施例2制备的透水砖，吸附饱和后，先用5mol/l的盐酸浸泡24h，然后用清水冲洗至中性，在120℃下干燥12h，然后在通入氮气的条件下于600℃的马弗炉中焙烧4h，随炉冷却至室温。由附图4的sem图像可知，再生后的透水砖过水孔道和颗粒有细微的变化，透水砖的强度和透水性能变化在1%以内，吸附能力恢复至新制备透水砖的95%以上。