一种富铁污泥/矿渣复合地质聚合物及其制备方法

本发明涉及一种以工业固体废弃物钢渣与富铁污泥为原料制备复合地质聚合物材料。本发明属于固体废弃物综合利用和建筑材料制备技术领域。

背景技术：

地质聚合物是一种碱激活硅铝酸盐聚合物，由si-o-al键合形成的非晶体三维网状结构体，相比于传统波特兰水泥，地质聚合物材料在近年来已吸引了全世界大量研究者们的关注。地质聚合物高强度、耐腐蚀和热稳定等特性使得其在建筑材料制造、航空航天、核废料固封和重金属污染治理中都取得了一定的应用优势。

在地质聚合物制备的最初阶段，其原料主要依赖偏高岭土或飞灰。制备原料来源的单一性和局限性会限制地质聚合物在不同领域的应用。扩展地质聚合物的原料来源对于地质聚合物的后续应用以及在节能、降耗、减排和环境保护领域都具有积极意义。

富铁污泥是指在人类生产活动中，产生的含铁量较高的污泥，主要来源于造纸、电镀、炼钢以及净水过程中。目前的主要处置方式仍是填埋，而该方式成本高且占用了大量土地资源。随着城市化和工业化的发展，富铁污泥产量逐年增加，使得其后续处理处置问题逐步升级，成为了一个不可回避的问题。富铁污泥中除fe元素外，还包含了大量si、al、o等元素，是地质聚合物的基本骨架元素，因此其具备成为地质聚合物原料的潜力。

高炉矿渣是在生铁冶炼过程中产生的一种废渣，其主要成分是脉石(矿石中有用矿物伴生的无用固体物质，称之为脉石矿物)、灰分、助熔剂以及其他不能进入生铁中的杂质。使用贫铁矿冶炼情况下，每生产1吨生铁产生1.0-1.2吨高炉矿渣，而在使用富铁矿冶炼时，每生产1吨生铁仅产生0.25吨高炉矿渣。随着冶炼技术的提升，高炉矿渣的产生量可以实现逐步的下降，但是由于社会发展和建设需要，高炉矿渣的总产量与日俱增，其在建筑材料领域的开发利用已经较为成熟。

在目前的地质聚合物制备过程中，主要原料仍是基于飞灰和偏高岭土，基于这两种材料的地质聚合物相关研究占总研究量的80％以上。而基于高炉矿渣制备的地质聚合物材料相关研究相对较少，并且由于高炉矿渣中较高的cao含量，造成在地质聚合反应中生成的ca(oh)2含量较高，易与空气中的二氧化碳发生反应，生成碳酸钙造成矿渣基地质聚合物的结构不稳定，这限制了高炉矿渣基地质聚合物的应用。随着大气中的二氧化碳扩散进入钢筋混凝土材料孔隙中，降低了孔隙液体的ph值，并最终破坏钢筋外层保护膜，加速钢筋的腐蚀。相比传统水泥材料，地质聚合物的抗碳化能力较弱，会影响到地质聚合物产品的强度和耐腐蚀性能。因此，寻找一种廉价高效的方式提升矿渣基地质聚合物强度和稳定性对于其实际应用十分重要。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供一种基于固体废弃物材料富铁污泥/矿渣的复合地质聚合物及其制备方法。利用富铁污泥与矿渣，在复合碱激活剂的作用下发生地质聚合反应，制备具有理想抗压强度的复合地质聚合物。

本发明的目的还在于提供一种固体废弃物材料富铁污泥与矿渣的资源化利用方法，该方法操作工艺简单，成本低廉，还可创造一定经济价值，实现两种废弃物材料的高效消纳利用。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于市政固体废弃物材料富铁污泥与矿渣的复合地质聚合物的制备方法，由以下重量分数的原料组成：富铁污泥0-20份、矿渣80-100份、复合碱激活剂50份、水10份。

所述富铁污泥来自于水处理过程中絮凝剂网捕沉淀环节，经60℃干燥后研磨过筛。

优选的，所述富铁污泥为粒径小于150μm的颗粒。

所述的矿渣来自于生铁冶炼过程产生的碱性高炉矿渣，经60℃干燥后研磨过筛。

优选的，所述矿渣为粒径小于75μm的颗粒。

所述复合碱激活剂由水玻璃和氢氧化钠组成，模数在1.00～1.75。

优选的，所述复合碱激活剂模数调整为1.5。

所述的固体废弃物基地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)将富铁污泥与矿渣粉体在反应器中混合，充分搅拌混匀，得到复合粉体；

(2)将氢氧化钠固体溶于水玻璃中，充分搅拌，得到复合碱激活剂溶液；

(3)将复合粉体与复合碱激活剂溶液以及水混合，充分搅拌均匀，得到地质聚合物浆体；

(4)将地质聚合物浆体注入模具中，充分震荡至浆体中气体排出，密封后在60～100℃下养护24h，脱模后在室温下养护3～28d。

其中，步骤(1)(2)(3)所述的搅拌均由机械搅拌机完成，转速为500～2000r/min，搅拌时间为1～10min。

相比于传统地质聚合物制备技术，本发明的有益效果：

(1)本发明所使用的两种原材料均为常见固体废弃物材料，其分布广泛、来源丰富、价格低廉，制备的复合地质聚合物可改善单一材料无法成型和强度低的问题，解决固体废弃物堆放和填埋造成的环境污染和土地占用等问题，为两种废弃物的的资源化利用提供了一种新的途径。

(2)通过本发明的方法制备的复合地质聚合物强度可通过改变原料配比和制备条件进行调节，28天养护后抗压强度可达31.20mpa，满足建筑工程材料的强度要求。

(3)本发明的复合地质聚合物制备方法成本低、工艺简单易行，操作条件易控，适于推广使用。

附图说明

图1是本发明提供的一种固体废弃物复合地质聚合物制备工艺流程示意图。

图2是本发明制备得到的固体废弃物复合地质聚合物的扫描电镜照片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的范围并不仅仅限于下述实施例，实施例不应视为对本发明的限定。

实施例1：

(1)原料选取：富铁污泥来自于北京市某水处理厂堆场块状污泥，将其干燥研磨后过筛，获得粒度小于150μm的富铁污泥粉体，其二氧化硅含量≥21％，三氧化二铝含量≥23％，三氧化二铁含量≥42％，氧化钙含量≥9％。矿渣来自于河南某炼钢厂高炉矿渣，将其干燥研磨后过筛，获得粒度小于150μm的矿渣粉体，其二氧化硅含量≥28％，三氧化二铝含量≥16％，氧化钙含量≥37％。

(2)复合粉体制备：按照不同质量配比取富铁污泥粉体与矿渣粉体，其中富铁污泥粉体与矿渣粉体质量百分比分别为5％和95％，充分搅拌得到复合粉体。

(3)复合碱激活剂制备：根据目标模数，将氢氧化钠颗粒加入水玻璃溶液中，充分搅拌至氢氧化钠完全溶解且混合液澄清透明，冷却至室温，得到模数为1.5的复合碱激活剂。

(4)地质聚合物浆体制备：将复合碱激活剂与复合粉体充分混合，加入一定质量水(与复合粉体比为10:100)，通过机械搅拌5min，转速为500r/min。得到地质聚合物浆体。

(5)成型与养护：将地质聚合物浆体注入20mm*20mm*20mm模具中，置于震实台震荡至无气泡冒出，覆盖聚乙烯膜密封后置于养护箱中在70℃下养护24h，取出后脱模置于自然条件下养护28d。

所得复合地质聚合物试块在3d、7d、14d和28d的养护时间下，抗压强度分别为13.05mpa、15.30mpa、17.10mpa和20.60mpa。

实施例2：

(1)原料选取：所述同实施例1中步骤(1)；

(2)复合粉体制备：按照不同质量配比取富铁污泥粉体与矿渣粉体，其中富铁污泥粉体与矿渣粉体质量百分比分别为10％和90％，充分搅拌得到复合粉体。

(3)复合碱激活剂制备：所述同实施例1中步骤(3)。

(4)地质聚合物浆体制备：所述同实施例1中步骤(4)。

(5)成型与养护：所述同实施例1中步骤(5)。

所得复合地质聚合物试块在3d、7d、14d和28d的养护时间下，抗压强度分别为16.03mpa、20.46mpa、24.00mpa和31.20mpa。

实施例3：

(1)原料选取：所述同实施例1中步骤(1)；

(2)复合粉体制备：按照不同质量配比取富铁污泥粉体与矿渣粉体，其中富铁污泥粉体与矿渣粉体质量百分比分别为15％和85％，充分搅拌得到复合粉体。

(3)复合碱激活剂制备：所述同实施例1中步骤(3)。

(4)地质聚合物浆体制备：所述同实施例1中步骤(4)。

(5)成型与养护：所述同实施例1中步骤(5)。

所得复合地质聚合物试块在3d、7d、14d和28d的养护时间下，抗压强度分别为9.53mpa、11.06mpa、12.12mpa和15.20mpa。

对照实例1：

与实施例1不同之处在于富铁污泥与矿渣粉体的质量比为0％和100％。

所得复合地质聚合物试块在3d、7d、14d和28d的养护时间下，抗压强度分别为14.64mpa、9.33mpa、8.88mpa和9.06mpa。

对照实例2：

与实施例2不同之处在于复合碱激活剂模数为1.00。

所得复合地质聚合物试块在7d的养护时间下，抗压强度为22.68mpa。

对照实例3：

与实施例2不同之处在于复合碱激活剂模数为1.75。

所得复合地质聚合物试块在7d的养护时间下，抗压强度为14.97mpa。

对照实例4：

与实施例2不同之处在于养护温度为60℃。

所得复合地质聚合物试块在7d的养护时间下，抗压强度为18.52mpa。

对照实例5：

与实施例2不同之处在于养护温度为90℃。

所得复合地质聚合物试块在7d的养护时间下，抗压强度为20.06mpa。

通过对比实施例2与对照实例1可知，矿渣基地质聚合物抗压强度随着养护时间增长反而出现一定程度下降，在加入富铁污泥后，制备的复合地质聚合物结构更为稳定，随着养护时间增加抗压强度明显增强。

由对照实例1-5可以看出，所得到的固体废弃物复合地质聚合物的抗压强度明显优于单一矿渣原料的地质聚合物。同时随着制备参数的变化，复合地质聚合物的抗压强度明显变化，可根据需求适当调整制备原料配比进行成本优化。

上述实施例仅限于帮助理解本发明的方法与原理，而非用于限制本发明。应当指出，因文字表达的有限性，本发明除上述实施方式外客观上还存在无限具体结构，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明原理的情况下，还可以做出若干改进、润饰或变化。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。