利用脫水污泥制備超輕污泥陶粒的膨脹機(jī)理研究

利用脫水污泥制備超輕污泥陶粒的膨脹機(jī)理研究#齊元峰，岳東亭，岳欽艷，高寶玉，于慧**510152025303540

（山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250100）摘要：本研究以脫水污泥（DehydratedSewageSludge）和粘土為原料制備超輕污泥陶粒（Ultra-lightweightCeramics）。在分析脫水污泥和粘土的各項(xiàng)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，研究不同的脫水污泥添加量、預(yù)熱條件、燒結(jié)條件等對(duì)燒制的超輕污泥陶粒的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、重金屬浸出、C/Fe等化學(xué)元素的含量等性質(zhì)的影響，根據(jù)C/Fe的比例和超輕污泥陶粒的表面收縮力（SurfaceTension）、膨脹力（BloatingForce）來(lái)研究超輕污泥陶粒的膨脹機(jī)理。結(jié)果表明：在制備超輕污泥陶粒的過(guò)程中，膨脹與材料結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分（C/Fe含量比）、燒制工藝（燒結(jié)方式，燒制條件）有很大的關(guān)系。關(guān)鍵詞：脫水污泥；超輕；陶粒；膨脹機(jī)理Preparationandmechanismofultra-lightweightceramicsproducedfromsewagesludgeQIYuanfeng,YUEDongting,YUEQinyan,GAOBaoyu,YUHui(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShandongUniversity,JiNan250100)Abstract:Thepreparation,characterization,preheatingmechanismandbloatingmechanismofultra-lightweightceramics(ULWC)manufacturedbydehydratedsewagesludge(DSS)andclaywerestudied.ThreeexperimentsweredesignedtoinvestigatetheadditionofDSS,theeffectofpreheatingtreatmentandsinteringtreatment,respectively,andthentheoptimumconditionsforpreparingULWCweredetermined.Chemicalcomponents,especiallyratiosofcarboncontenttoironoxidecontent(C/Fe-ratios),wereusedtoexplainthepreheatingmechanism;physicalforces(surfacetensionandbloatingforce)combinedwithC/Fe-ratioswereusedtoexplainthebloatingmechanism.Theresultsindicatedthatthebloatingphenomenonhadbeengreatlyaffectedbychemicalcompositions,preheatingtreatmentandsinteringtreatment.Keywords:Dehydratedsewagesludge;Ultra-lightweight;Ceramics;Expansionmechanism1引言城市污水廠污泥是污水處理的副產(chǎn)物，成分極其復(fù)雜[1-2]。污泥中不僅含有豐富的有機(jī)物，同時(shí)含有重金屬及病原菌等有害物質(zhì)，體積大、易腐敗、不穩(wěn)定、有惡臭。如不加處理任意排放，不僅占用大量土地，造成大范圍二次污染，而且是對(duì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。當(dāng)前污泥的處理技術(shù)主要有衛(wèi)生填埋、焚燒、農(nóng)用堆肥、消化制沼氣、制備活性炭、熱解等[3-8]，而將污泥作為原料制備水處理濾料和建筑材料等燒結(jié)類(lèi)新型多孔材料的想法被越來(lái)越多的專(zhuān)家和學(xué)者所重視。超輕陶粒是燒結(jié)類(lèi)新型多孔材料的一種，其具有密度輕、相對(duì)強(qiáng)度高、隔熱保溫性能好、耐火性能好、抗腐蝕、抗凍性、耐久性好和抗震性能好的特點(diǎn)，是一種非常好的節(jié)能型墻體材料，是目前新型墻體材料發(fā)展的方向，也是目前研究的熱點(diǎn)。污泥中除了有機(jī)物外，往往還含有20%-30%的無(wú)機(jī)物，主要是硅、鋁、鐵、鈣等，這些無(wú)機(jī)成分和有機(jī)成分可以用于制造超輕污泥陶粒（ULWC）。目前，國(guó)際有關(guān)污泥陶粒的研究主要是制備普通陶粒和輕質(zhì)基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金（20100131110005）作者簡(jiǎn)介：齊元峰，（1985-），男，碩士研究生，固體廢物資源化。通信聯(lián)系人：岳欽艷，（1958-），女，教授，固體廢物資源化。qyyue@-1-

陶粒，如IgnacioMerino[9-10]、Qi[11]、C.R.Cheeseman[12]和Xu[13]等均以污泥、粘土和其他輔助材料（如粉煤灰等）生產(chǎn)普通陶粒和輕質(zhì)陶粒，而以污泥等為原料制備超輕污泥陶粒的研究相對(duì)較少，從而限制了污泥在多孔材料方面的資源化應(yīng)用。在陶粒的燒結(jié)過(guò)程中孔的形4550

成是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，而當(dāng)采用污泥燒制超輕污泥陶粒時(shí)，污泥中的有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分對(duì)超輕陶粒的孔的形成、孔的大小和膨脹起著非常重要的作用，而在此方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。為了進(jìn)一步深入研究在利用污泥制備超輕污泥陶粒過(guò)程中的成孔膨脹機(jī)理和影響因素，本文將以污泥和粘土作為原料制備輕污泥陶粒，研究制備工藝條件和污泥中各種化學(xué)組分對(duì)其成孔膨脹的影響，明確膨脹機(jī)理，為污泥的資源化提供理論指導(dǎo)，因此該研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。2材料與方法

實(shí)驗(yàn)預(yù)處理實(shí)驗(yàn)材料55

脫水污泥取自濟(jì)南水質(zhì)凈化廠；粘土取自山東淄博某山區(qū)磚廠。脫水污泥和粘土分別放置于105℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中恒溫干燥4h，干燥好的樣品用電磁制樣粉碎機(jī)粉碎后用100目篩（顆粒直徑≤0.154mm）篩分，隨后放置于聚乙烯塑料瓶中密封儲(chǔ)存。2.1.2

化學(xué)成分分析采用日本日立公司生產(chǎn)的DZ10-100型X-ray熒光光譜儀（EDX）對(duì)脫水污泥和粘土的60

化學(xué)元素進(jìn)行分析測(cè)定。2.1.3

熱性質(zhì)分析采用SDTQ600型差重量分析儀（空氣氛圍，升溫速率為10℃/min）對(duì)脫水污泥和粘土進(jìn)行熱重分析（TGA）和差動(dòng)熱分析（DSC）。2.2

超輕污泥陶粒的制備和表征65

2.2.1

超輕污泥陶粒的燒制分別將處理后的原料按照質(zhì)量比例進(jìn)行配比，加入適量的水調(diào)勻后在成球機(jī)（DZ-20，中國(guó)中南制藥機(jī)械廠制造）內(nèi)滾至成球，用篩孔直徑為5~6mm的篩子對(duì)生料球進(jìn)行篩分并放置于通風(fēng)櫥內(nèi)24h進(jìn)行常溫（25°C左右）干燥處理。常溫干燥后的生陶粒放置于馬弗爐中進(jìn)行預(yù)熱處理，隨后迅速轉(zhuǎn)入預(yù)先設(shè)定好溫度的高溫管式電阻爐（SKQ-2，中國(guó)龍口市龍70

一電爐制造廠）中燒制預(yù)定的時(shí)間，隨后取出放置于通風(fēng)櫥內(nèi)自然冷卻至室溫。2.2.2

超輕污泥陶粒的性質(zhì)表征陶粒的物理性質(zhì)（堆積密度、顆粒密度、1h吸水率和膨脹/收縮率）分別通過(guò)以下方法測(cè)定：堆積密度

陶粒的質(zhì)量陶粒的堆積體積

kg?m-3

（1）75

顆粒密度

陶粒的質(zhì)量陶粒的顆粒體積

kg?m?3

（2）-2-

1h吸水率

吸水1h后陶粒的質(zhì)量-烘干后陶粒的質(zhì)量烘干后陶粒的質(zhì)量

100%

（3）膨脹/收縮率

燒結(jié)后陶粒的體積-燒結(jié)前陶粒的體積燒結(jié)前陶粒的體積

100%

（4）2.2.3

超輕污泥陶粒的微觀結(jié)構(gòu)分析采用電子顯微鏡(HitachiS-520)對(duì)樣品的表面和截面進(jìn)行觀察。80

3結(jié)果與討論3.1

脫水污泥和粘土的化學(xué)成分分析燒制輕質(zhì)陶粒時(shí)，原料的化學(xué)成分按其作用可分為三類(lèi)：其一是表面成陶成分，在燒制陶粒時(shí)起支撐骨架作用，主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，在原料中占3/4左右；其二是發(fā)氣成分，物料所含的C，F(xiàn)e的氧化物在高溫時(shí)產(chǎn)生氣體（主要是CO，CO2），起膨脹作用；85

其三是起助熔作用的熔劑氧化物，起調(diào)節(jié)原料熔點(diǎn)的作用，主要化學(xué)成分為Na2O,K2O,FeO,MgO等。濟(jì)南水質(zhì)凈化一廠污泥性質(zhì)如表1所示。表1濟(jì)南水質(zhì)凈化一廠污泥性質(zhì)含水率/%

揮發(fā)份(干基)/%

燒失量/%

熱值（干基）/MJ·Kg-176.43

46.5165.83

18.5090由表1可以看出，脫水污泥有較高的熱值，說(shuō)明其中有機(jī)成分的比例很高，因此具有很高的回收價(jià)值，污泥碳化后能夠得到大量碳，能為陶粒的膨脹提供充足的成氣物質(zhì)，滿(mǎn)足燒制陶粒的基本要求。95100

圖1多孔膨脹陶粒化學(xué)成分分類(lèi)圖關(guān)于輕質(zhì)陶粒的膨脹性，國(guó)外的學(xué)者Reliy和Leca對(duì)膨脹性陶粒成分進(jìn)行了分析得到了一個(gè)關(guān)于成分配比的三相圖，如圖1所示。由圖可以得到燒制輕質(zhì)膨脹陶粒的化學(xué)成分組成：成分中SiO2質(zhì)量比例應(yīng)為53%～79%，A12O3的質(zhì)量比例應(yīng)為10%～25%，F(xiàn)e2O3,K2O,Na2O,CaO,MgO等熔劑之和的質(zhì)量比例應(yīng)為13%～26%。脫水污泥和粘土的無(wú)機(jī)成分如表2所示。表2污泥和粘土的無(wú)機(jī)成分化學(xué)成分

SiO2

Al2O3Fe2O3MgOCaO

K2O

TotalS

TotalPWO2

TiO2Na2O

其他污泥/wt%

24.90

13.109.722.7121.35

2.11

9.08

5.6210.44

0.95

～

0.02粘土/wt%

65.03

17.68.472.081.87

2.61

～

～

～

～

2.33

0.01-3-

由表2可以看出，脫水污泥的主要無(wú)機(jī)成分是SiO2(24.90wt%)和CaO(21.35%)，其次是Al2O3,WO2和Fe2O3；粘土的主要無(wú)機(jī)成分是SiO2(65.03%)和Al2O3(17.6%)，其次是105

Fe2O3(8.47wt%)。結(jié)果表明：脫水污泥中SiO2含量較低，僅僅選用脫水污泥作為原料不能燒制多孔膨脹的輕質(zhì)陶粒，因此必須添加適量的粘土，使兩種原料的化學(xué)成分配比符合多孔膨脹陶?；瘜W(xué)成分的要求。110

3.2

脫水污泥的熱性質(zhì)分析脫水污泥的熱重分析（DSC/TGA）如圖2所示，由此可以得到以下推斷：1）從室溫（22.11°C）到221.12°C之間，脫水污泥質(zhì)量降低5.128%，這主要是由于污泥中含有的吸附水的揮發(fā)造成的[9]；2）溫度從221.12°C到670.91°C之間，脫水污泥質(zhì)量呈直線下降的趨勢(shì)（重量下降20.0%以上），同時(shí)在DSC曲線上出現(xiàn)一個(gè)明顯的放熱峰（300~400°C之間）和一個(gè)吸熱峰(600~650°C)。脫水污泥質(zhì)量下降的主要原因有兩個(gè)：①脫水污泥毛細(xì)管水和結(jié)晶水的散失，115

是一個(gè)吸熱過(guò)程；②脫水污泥有機(jī)物質(zhì)的分解，是一個(gè)放熱過(guò)程。3）從670.91°C到1000.00°C之間，脫水污泥質(zhì)量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（增加約1.709%）；根據(jù)污泥的化學(xué)成分分析可以推斷：當(dāng)溫度超過(guò)700°C時(shí)，污泥中含有的Ca鹽開(kāi)始熔化并且會(huì)出現(xiàn)分解的現(xiàn)象，然而整個(gè)過(guò)程中重量是上升的，其原因可能是污泥中的礦物鹽在融化的過(guò)程中，吸收了氧分子形成了新的礦物造成的。10095

5.128%o

322890

DSC

2485

TGA

22.415%

20801675

1.709%70

o

1265

0

200

400

600

800

81000o120

圖2污泥的熱重分析（DSC/TGA）探索性實(shí)驗(yàn)預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間的影響125

預(yù)熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，A、B和C分別為預(yù)熱時(shí)間10min、20min和30min時(shí)，預(yù)熱溫度對(duì)陶粒性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：雖然預(yù)熱時(shí)間不同，但是陶粒的顆粒密度和堆積密度隨預(yù)熱溫度的變化趨勢(shì)基本相同。預(yù)熱溫度低于400°C時(shí)，顆粒密度和堆積密度隨著預(yù)-4-Heatflow/mWWeight/%221.12C670.91CTemperature/CHeatflow/mWWeight/%221.12C670.91CTemperature/C

熱溫度的升高而降低，而當(dāng)預(yù)熱溫度高于400°C時(shí)，顆粒密度和堆積密度隨著預(yù)熱溫度的升高而升高。因此，當(dāng)預(yù)熱溫度為400℃時(shí)，所制陶粒能夠獲得最低的顆粒密度和堆積密度130135

（顆粒密度≤1001.00kg/m3；堆積密度≤500.00kg/m3）。由此可以看出，燒制超輕污泥陶粒的最佳預(yù)熱溫度為400°C。此外，對(duì)比圖A、B和C可以看出：預(yù)熱時(shí)間從10min增加到20min吸水率、顆粒密度和堆積密度均表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，而當(dāng)預(yù)熱時(shí)間從20min增加到30min，吸水率、顆粒密度和堆積密度的變化很小。因此，燒制超輕污泥陶粒的最佳預(yù)熱時(shí)間為20min。當(dāng)預(yù)熱溫度為400°C，預(yù)熱時(shí)間為20min時(shí)，所制超輕污泥陶粒的吸水率、顆粒密度和堆積密度分別為5.7wt%,829.00kg/m3和402.80kg/m3，完全符合國(guó)標(biāo)中超輕污泥陶粒的要求。AWaterabsorption

GraindensityBulkdensity

Graindensity

Waterabsorption

B

Bulkdensity

-5-Waterabsorption/wt%Density(kg/m)Waterabsorption/wt%Density/kg/mPreheatingtemperatureCPreheatingtemperature/CWaterabsorption/wt%Density(kg/m)Waterabsorption/wt%Density/kg/mPreheatingtemperatureCPreheatingtemperature/CGraindensityWaterabsorptionBulkdensity

C

140

3.3.2

圖3預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間的單因素實(shí)驗(yàn)A預(yù)熱時(shí)間為10min；B預(yù)熱時(shí)間為20min；C預(yù)熱時(shí)間為30min燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的影響145150155

燒結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，A、B和C的燒結(jié)時(shí)間分別為5min、10min和15min時(shí)，燒結(jié)溫度對(duì)陶粒性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：雖然燒結(jié)時(shí)間不同，但是陶粒的顆粒密度和堆積密度隨燒結(jié)溫度的變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)燒結(jié)溫度低于1100°C時(shí)，燒結(jié)溫度升高，所制陶粒的顆粒密度和堆積密度變化很小。然而，當(dāng)燒結(jié)溫度從1100°C升高到1150°C，所制陶粒的顆粒密度和堆積密度出現(xiàn)了驟降。因此，當(dāng)燒結(jié)溫度為1150°C時(shí)，所制陶?？梢垣@得最低的顆粒密度和堆積密度。所以燒制超輕污泥陶粒的最佳燒結(jié)溫度為1150°C。此外，對(duì)比圖A、B和C可以看出：當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為5min和15min時(shí)，所制陶粒的顆粒密度和堆積密度均高于燒結(jié)時(shí)間為10min時(shí)的陶粒，由此可以得出：為了獲得較低的顆粒密度和堆積密度，超輕污泥陶粒的最佳燒結(jié)時(shí)間為10min。綜合以上分析，當(dāng)燒結(jié)溫度為1150°C，燒結(jié)時(shí)間為10min時(shí)，所制備的超輕污泥陶粒的吸水率、顆粒密度和堆積密度最低，分別為10.40%，875.60kg/m3和330.80kg/m3，完全符合國(guó)標(biāo)中超輕污泥陶粒的要求。WaterabsorptionGraindensity

A

Bulkdensity

-6-Waterabsorption/wt%Density/kg/mWaterabsorption/wt%Density(kg/m)Preheatingtemperature/CSinteringtemperature(C)Waterabsorption/wt%Density/kg/mWaterabsorption/wt%Density(kg/m)Preheatingtemperature/CSinteringtemperature(C)Waterabsorption

B

Graindensity

Bulkdensity

20001600

Waterabsorption

C

30241200

Graindensity

1812800Bulkdensity6400950

1000

1050

1100

1150

0160

3.3.3

圖4燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)A：燒結(jié)時(shí)間為5min；B：燒結(jié)時(shí)間為10min；C燒結(jié)時(shí)間為15min污泥添加量的影響污泥添加比對(duì)超輕污泥陶粒性質(zhì)的影響如圖5所示，從圖中可以看出：當(dāng)污泥添加量從165170

0%-20%時(shí)，隨著污泥添加量的增加，所制陶粒的顆粒密度和堆積密度明顯降低，而當(dāng)污泥添加量從20%-40%時(shí)，隨著污泥添加量的增加，所制陶粒的顆粒密度和堆積密度逐漸升高。同時(shí)，隨著污泥添加量的增加，所制陶粒的吸水率表現(xiàn)出與顆粒密度和堆積密度相反的趨勢(shì)，即先升高后降低。雖然在污泥添加量為20%時(shí)，所制超輕污泥陶?？梢垣@得最低的顆粒密度和堆積密度，但是所制陶粒的吸水率的吸水率高達(dá)24.60%，超出了國(guó)標(biāo)規(guī)定的超輕污泥陶粒的最大吸水率（15%），因此，為了使所制陶粒完全符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的超輕污泥陶粒的要求，污泥的添加量應(yīng)為30%，此時(shí)，所制陶粒不僅能夠獲得較低的顆粒密度和堆積密度，而且可以獲得降低的吸水率。-7-Waterabsorption/wt%Density(kg/m)Waterabsorption/wt%Density(kg/m)Sinteringtemperature(C)Sinteringtemperature(C)Waterabsorption/wt%Density(kg/m)Waterabsorption/wt%Density(kg/m)Sinteringtemperature(C)Sinteringtemperature(C)2400200016001200800

Graindensity

Waterabsorption

302418126

400

Bulkdensity

010:0

9:1

8:2Recruitment

7:3

6:4圖5原料配比單因素實(shí)驗(yàn)17

超輕污泥陶粒的性質(zhì)分析超輕污泥陶粒的物理性質(zhì)分析綜合上述探索性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們可以得到燒制超輕污泥陶粒的最佳條件，即預(yù)熱溫度400°C，預(yù)熱時(shí)間20min，燒結(jié)溫度1150°C，燒結(jié)時(shí)間10min，污泥添加量為30%。根據(jù)180

GB/T17431.1-1998

[14]度、顆粒密度、吸水率，所得結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，在最佳條件下，所制超輕污泥陶粒屬于輕質(zhì)陶粒的范疇（堆積密度330.80kg/m3），此外，超輕污泥陶粒具有較低的吸水率(5.30%)，這使得超輕污泥陶粒更適合用作環(huán)保建筑材料。185

表3最佳工藝條件下超輕污泥陶粒的物理性質(zhì)堆積密度

顆粒密度

1h吸水率超輕污泥陶(ULWC)GB/T17431-1998

330.80kgm-3<500.00kgm-3

865.30kgm-3~

5.30%<15.00%3.4.2

超輕污泥陶粒的微觀結(jié)構(gòu)分析

-8-Waterabsorption/wt%Density/kg/m，對(duì)最佳條件下燒制的超輕污陶粒的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，包括堆積密Waterabsorption/wt%Density/kg/m，對(duì)最佳條件下燒制的超輕污陶粒的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，包括堆積密190

圖6不同條件下所制陶粒的微觀結(jié)構(gòu)圖

將預(yù)熱溫度為400°C，預(yù)熱時(shí)間為20min，燒結(jié)時(shí)間為10min，燒結(jié)溫度分別為1050°C、1100°C和1150°C的三種成品陶粒（分別命名為B，C和D，其中D是制備的超輕污泥陶195

粒）及在此配料下制備的生料球（A）進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)SEM分析，包括表面分析和截面分析。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖6中，A-a（200倍）和A-b（1000倍）為生料球A的表面SEM照片，A-c（200倍）和A-d（1000倍）為生料球A的截面SEM照片，B、C和D的代表含義-9-

以此類(lèi)推。由圖6可以看出：生料球A的表面（A-a和A-b）和截面（A-c和A-d）非常平滑，這200205210

說(shuō)明在常溫條件下加入膨脹劑，陶粒是不能發(fā)生膨脹的；當(dāng)燒結(jié)溫度為1050°C時(shí)，陶粒的表面（B-a和B-b）有微孔存在，且分布著形狀規(guī)則的塊狀和球狀物質(zhì)（直徑為90~120μm），陶粒的截面（B-c和B-d）存在大量的孔（直徑為30~60μm），這說(shuō)明在此過(guò)程中陶粒內(nèi)部的產(chǎn)氣成分已開(kāi)始起作用，但陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的氣體并沒(méi)有溢出；當(dāng)燒結(jié)溫度為1100°C時(shí)，可以觀察到陶粒表面（C-a和C-b）存在大量的氣孔，其直徑在30μm左右，陶粒截面可以看到少量的大孔（直徑為150~300μm）和大量的小孔（直徑為15~30μm），這說(shuō)明陶粒內(nèi)部產(chǎn)氣量增加，直接造成了陶粒的進(jìn)一步膨脹，同時(shí)距離陶粒表面較近的少量氣泡開(kāi)始從陶粒表面逸出，但散出量遠(yuǎn)低于陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的氣體量。當(dāng)燒結(jié)溫度為1150°C時(shí)，陶粒表面（D-a和D-b）存在明顯的氣孔，沒(méi)有任何晶體物質(zhì)存在，這說(shuō)明陶粒表面接近熔化狀態(tài)。陶粒內(nèi)部存在較多的大孔，且直徑遠(yuǎn)大于1100°C下所制陶粒的孔徑，這說(shuō)明了陶粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量的氣體，直接導(dǎo)致了所制陶粒的顆粒密度和堆積密度的下降。3.5

膨脹機(jī)理分析膨脹是一種伴隨著物理、化學(xué)變化的復(fù)雜過(guò)程，在ULWC的燒制過(guò)程中，起作用的化學(xué)成分可以分成三組[15]：1)玻璃相，主要作用是形成陶粒的骨架結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)，使其在高溫?zé)茣r(shí)具有足夠的粘度。玻璃相的主要成分是Al2O3和SiO2；2)產(chǎn)氣成分，主要是C215220

和Fe的氧化物（尤其是Fe2O3，在1000-1100℃時(shí)能夠釋放出O2），C迅速地與O2發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)生成CO和CO2，O2、CO和CO2三種氣體能夠?qū)θ廴诘奶樟９羌墚a(chǎn)生一種膨脹力。因此，C/Fe對(duì)陶粒的膨脹具有重要的影響；3)助熔成分，主要作用是降低玻璃相的熔點(diǎn)，主要包括CaO,MgO,Na2O,Fe2O3和C。兩種物理力可以用來(lái)解釋膨脹現(xiàn)象[16,17]：表面張力和膨脹力。表面收縮力（SurfaceTension以下簡(jiǎn)稱(chēng)ST）：主要來(lái)源于玻璃相在高溫時(shí)的粘度，與燒制溫度呈正相關(guān)。膨脹力（BloatingForce以下簡(jiǎn)稱(chēng)BF）：主要是由CO,CO2和O2等氣體產(chǎn)生，與燒制溫度呈正相關(guān)，且隨著陶粒體積的增大而減小。假設(shè)氣體是理想氣體，生料球呈規(guī)則球型，Clapeyron方程(pV=nRT)可以用來(lái)推斷元素之間的關(guān)系。225

BFPS411333

(3)(4)BF

3nRtr

(5)其中：P為陶粒燒結(jié)時(shí)內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)；S為陶粒球體的面積；V為陶粒球體的體積；n為球體內(nèi)部氣體總摩爾量（與配料有關(guān)）；r為生料球的半徑，R為燒結(jié)溫度下氣體的摩230

爾體積常數(shù)，T為燒結(jié)溫度。通過(guò)以上公式，可以推斷：膨脹力與氣體的體積（由產(chǎn)氣量決定）呈正相關(guān)，而產(chǎn)氣量與C/Fe有直接關(guān)系。結(jié)合Ducman和Mirtic[18]和圖5，ULWC的膨脹機(jī)理可表述如下：1)ST=BF=0：隨著燒結(jié)溫度的升高，料球表面開(kāi)始融化，ST、BF均出現(xiàn)增長(zhǎng)。當(dāng)燒結(jié)溫度在1000℃以下時(shí)，玻璃相沒(méi)有完全融化且產(chǎn)氣成分沒(méi)有產(chǎn)生氣體（ST、BF均近于0），-10-PVPVr3rpSBF

235240245250255260265270275

陶粒表面沒(méi)有被玻璃相覆蓋。因此，所制陶粒具有較高的吸水率（圖4A-C），而且堆積密度和顆粒密度變化不大；2)ST>BF：在1000-1100℃的燒結(jié)溫度下，陶粒表面開(kāi)始融化，ST的增長(zhǎng)超過(guò)了BF，這導(dǎo)致了吸水率的驟降，但堆積密度和顆粒密度沒(méi)有發(fā)生明顯的變化(圖4A-C)；3)ST=BF：當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1150℃時(shí)，陶粒表面完全融化，且產(chǎn)氣成分產(chǎn)生足夠的氣體，這些因素均導(dǎo)致了陶粒的膨脹，所制陶粒的吸水率、堆積密度和顆粒密度均達(dá)到最低。4)ST<BF：隨著燒結(jié)溫度達(dá)到1200℃，氣體膨脹力超過(guò)了陶粒的表面收縮力，使陶粒表面呈現(xiàn)片狀。C/Fe含量比和物理力可用于分析圖5所示的結(jié)果。在A點(diǎn)（脫水污泥添加量為20wt.%），C/Fe含量比達(dá)到最佳，而且內(nèi)部產(chǎn)生的大量氣體使陶粒不斷膨脹直至破裂。此時(shí)，超輕污泥陶粒的堆積密度和顆粒密度均較低。在B點(diǎn)和C點(diǎn)，膨脹力和收縮力基本平衡，由于C/Fe含量比較低，膨脹力要小于A點(diǎn)的膨脹力，因此，B和C點(diǎn)的吸水率均比A點(diǎn)的低。對(duì)比分析D點(diǎn)處的陶粒，可以發(fā)現(xiàn)：低C/Fe含量比不能使陶粒保持膨脹狀態(tài)，這導(dǎo)致了堆積密度偏高（930.5kg/m3）。E點(diǎn)的C/Fe含量比高于A,B,C和D點(diǎn)，相應(yīng)的膨脹力也高于收縮力，陶粒表面出現(xiàn)破裂，內(nèi)部氣體從表面逸出，這直接導(dǎo)致了堆積密度和顆粒密度的顯著增加。4結(jié)論綜合以上分析，可得出以下結(jié)論：1、利用污泥和粘土可以燒制性能良好的超輕污泥陶粒，最佳的燒制條件為：預(yù)熱溫度400°C，預(yù)熱時(shí)間20min；燒結(jié)溫度1100°C，燒結(jié)時(shí)間為10min；污泥的最佳添加比為30%。所制超輕污泥陶粒完全符合國(guó)標(biāo)的要求，可廣泛應(yīng)用作工程材料。2、陶粒的產(chǎn)氣成分主要與原料中Fe的含量有關(guān)，經(jīng)預(yù)熱后的污泥產(chǎn)生的C和原料中的Fe的氧化物釋放出的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成CO和CO2，這增加了陶粒內(nèi)部的氣體產(chǎn)量，進(jìn)一步提高了陶粒的膨脹率，在陶粒燒制過(guò)程中起到二次膨脹的作用。致謝本研究由教育部博士點(diǎn)基金（No.20100131110005）提供資金支持。參考文獻(xiàn)：[1]MinistryofenvironmentalprotectionofthePeople'sRepublicofChina,Solidwaste.:///cont/gthw/.[2]MinistryofenvironmentalprotectionofthePeople'sRepublicofChina,Pollutioncontrol:///cont/index.htm.[3]LucieH,JaroslavB,VladimirU,ThomasE.Thermalprocessingofsewagesludge-II[J].ApplThermEng,2008,28:2083-2088.[4]LuostarinenS,LusteS,SillanpaaM.Increasedbiogasproductionatwastewatertreatmentplantsthroughco-digestionofsewagesludgewithgreasetrapsludgefromameatprocessingplant[J].BioresourTechnol,2008-2009,100:79-85.[5]LiangMS,XuQ.Researchonhightemperaturecomposttechnologyinsludgeprocessing,in:Proceedingsofthe2ndInternationalConferenceonBioinformaticsandBiomedicalEngineering,2008,pp.4202-4205.[6]RoyB.Sludgeprocessing[J].Pollut.Eng,2005,37:20-23.[7]PattersonDA,StemarkL,HoganF.Pilot-scalesupercriticalwateroxidationofsewagesludge,in:Proceedingsofthe6thEuropeanBiosolidsandOrganicResidualsConference.Wakefield:AquaEnvironConsultancyServices,2001,pp.11-15.[8]RozadaF,OteroM,MoránA.Activatedcarbonsfromsewagesludgeanddiscardedtyre:productionandoptimization[J].JHazardMater,2005,124:181-191.-11-

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