摘要：將污泥與頁巖共同燒結(jié)，探討污泥與頁巖在不同配比、不同燒結(jié)溫度及有氧無氧條件下對所燒結(jié)陶粒物理性能的影響。 結(jié)果表明，不論是在有氧還是無氧條件下，隨著溫度的升高，復(fù)合陶粒的抗壓強度逐漸增加，但孔隙率卻無法達到商用陶粒26%以上的要求；與有氧燃燒相比，無氧條件下，當溫度達到800℃時，物體表面的縫隙較小且分布更加均勻。因此，研究為后續(xù)優(yōu)化原料配伍和生產(chǎn)工況提供參考依據(jù)，也為污泥資源化利用提供了參考途徑。

關(guān)鍵詞：污泥；頁巖；燒結(jié)；陶粒；孔隙率；

表觀密度；資源化利用

引言

陶粒是一種人工輕質(zhì)骨料，其特點包括具有低顆粒密度、高抗壓強度、保溫隔熱性能及耐腐蝕、隔水、保氣等優(yōu)點[1]。陶粒最早主要應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域[2]，以替代混凝土中粗骨料碎石和卵石。隨著對不同類型陶粒性能的研究和認識的深入[3]，陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，涉及環(huán)保、冶金、化工、石油、農(nóng)業(yè)、園藝等行業(yè)[4-6]，推動了陶粒技術(shù)的迅速發(fā)展。

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護的關(guān)注不斷增加，污泥處理市場日益受到重視。將污泥制備成污泥陶粒并應(yīng)用于污水處理[7][8]，不僅有效降低了其對環(huán)境的污染，還實現(xiàn)了污泥的無害化和資源化利用，并在一定程度上緩解了資源緊張問題；同時，這種處理方式也帶來了一定的經(jīng)濟效益。由于污泥無機成分以SiO2、Al2O3為主，且污泥中的有機物在燒結(jié)時可以為燒制陶粒提供一部分能量，因而污泥碳化后又能得到大量C，為陶粒的膨脹提供充足的成氣物質(zhì)，滿足燒制陶粒的基本要求[9]。但污中的SiO2、Al2O3含量較低，如果直接用污泥燒制陶粒會引起陶粒強度下降、燒結(jié)溫度升高、燒結(jié)過程收縮明顯、無高溫液相出現(xiàn)等問題，因此需要加入頁巖以提高SiO2、Al2O3含量。

本文采用干燥、磨粉、成片、燒結(jié)工藝，以污泥、頁巖2種原料進行陶粒的制備。以抗壓強度、表觀密度、孔隙率為主要性能指標，探究污泥與頁巖共混燒結(jié)制備輕質(zhì)陶粒燒結(jié)過程中原料配比、燒結(jié)溫度及有氧、無氧等因素對陶粒性能的影響，為污泥資源化利用提供參考途徑。

1實驗方案

將市政污泥進行烘干，選取立式鼓風干燥箱進行烘干，設(shè)置烘干溫度為100℃，烘干時間為6h，使其含水率降為0。樣粉碎機進行打磨，將頁巖片與烘干后的污泥進行打磨成粉，且粉的粒徑大小在80～200目之間。隨后將打磨好的頁巖粉與市政污泥粉按不同比例進行混合，定量3±0.01g，并按照不同比例混合均勻后，倒入成片模具進行壓片。選用壓力為2000psi大小，平均壓制20min，使其充分成型。選用馬弗爐將污泥-頁巖制片進行高溫燒結(jié)，選取800℃、900℃、1000℃的工況進行燒制，燒制時間為60min，同時選用有氧、無氧2種形式進行對比。

2污泥-頁巖復(fù)合陶粒強度和表觀密度特性

2.1污泥-頁巖復(fù)合陶粒抗壓強度

由圖1可以看出，不論是在有氧還是無氧條件下，隨著溫度的升高，污泥-頁巖復(fù)合陶粒的抗壓強度逐漸增加；同時，隨著污泥比例的降低，總體的抗壓強度呈穩(wěn)步上升的趨勢。在無氧條件下，當污泥與頁巖的混合比例為7∶3且燒結(jié)溫度為1000℃時，復(fù)合陶?？箟簭姸冗_到峰值。而在有氧條件下，當污泥與頁巖的混合比例為4∶6且燒結(jié)溫度為1000℃時，復(fù)合陶?？箟簭姸纫策_到峰值。這些峰值結(jié)果，為污泥-頁巖復(fù)合陶粒后續(xù)研究提供了重要的參考依據(jù)。

2.2污泥-頁巖復(fù)合陶粒表觀密度

對不同配比與溫度燒結(jié)下燒制成的污泥-頁巖復(fù)合陶粒進行密度測量與計算，并將得到的密度進行無氧與有氧的分析對比，其結(jié)果如圖2所示。

隨著污泥所占比例的降低，無氧與有氧條件下的污泥-頁巖復(fù)合陶粒密度均呈增長趨勢。具體而言，在800℃溫度下，當污泥比例降低到30％以下時，無氧條件下的污泥-頁巖復(fù)合陶粒密度超過有氧條件下的密度。在900℃溫度下，當污泥比例降低到40％以下時，無氧條件下的污泥-頁巖復(fù)合陶粒密度超過有氧條件下的密度。在1000℃溫度下，當污泥比例降低到25％以下時，無氧條件下的污泥-頁巖復(fù)合陶粒密度超過有氧條件下的密度。結(jié)合圖2還可以看出，當污泥的比例降低到一定程度時，無氧條件下的污泥-頁巖復(fù)合陶粒密度會逐漸超過有氧條件下的密度。這可能是由于有氧條件下燒結(jié)過程中污泥成分的氧化和揮發(fā)，導(dǎo)致部分質(zhì)量損失，從而影響污泥-頁巖復(fù)合陶粒的密度增長。而在無氧條件下，由于缺乏氧氣的參與，污泥的揮發(fā)和氧化反應(yīng)受到限制，減少了質(zhì)量損失，使得無氧條件下的污泥-頁巖復(fù)合陶粒密度相對較高。

3 污泥-頁巖復(fù)合陶?？紫逗臀⒂^形貌特性

商用陶粒的孔隙率要求為 26% 以上。然而，如圖 3 所示，無論是在有氧條件還是無氧條件下，單純只采用污泥和頁巖制取的陶粒，盡管在抗壓強度方面能夠滿足商用要求，但卻難以達到商用所需的孔隙率要求。因此，為了解決這個問題，需要引入新的物質(zhì)，如加入發(fā)氣成分來改變和提升陶粒的性能，以達到孔隙率的要求。

選取污泥與頁巖按質(zhì)量比為 5∶5 混合壓制后，分別進行無氧和有氧燒結(jié)，產(chǎn)品微觀形貌如圖 4、圖 5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同的成分比例下，隨著溫度升高，由于高溫下污泥和頁巖復(fù)合材料受熱膨脹，引起了表面的變形和開裂，使得表面縫隙增多。相比于有氧燃燒，在 800℃時，高溫無氧條件下物體表面的縫隙更小，且分布更加均勻。此外，溫度升高也可能導(dǎo)致污泥和頁巖復(fù)合材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化，如熱膨脹、熱穩(wěn)定性等，可進一步影響污泥和頁巖復(fù)合材料的顏色和表面縫隙的形成。因此，有必要對污泥-頁巖復(fù)合陶粒進行深入的研究，以更好地理解溫度對污泥-頁巖復(fù)合陶粒性質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)的影響。在有氧還是無氧條件下，隨著溫度的升高，復(fù)合制片的抗壓強度逐漸增加。抗壓強度雖然能滿足一定的要求，但隨著穩(wěn)定的升高，污泥-頁巖復(fù)合陶?？p隙雖越來越大但孔隙率依然無法達到商用陶粒26%以上的要求。

②在無氧條件下，當污泥與頁巖的混合比例為7∶3且燒結(jié)溫度為1000℃時，復(fù)合陶粒抗壓強度達到峰值。而在有氧條件下，當污泥與頁巖的混合比例為4∶6且燒結(jié)溫度為1000℃時，復(fù)合陶粒抗壓強度達到峰值。當污泥的比例降低到一定程度時，無氧條件下的污泥-頁巖復(fù)合陶粒密度會逐漸超過有氧條件下的密度。因此，無論是在有氧條件還是無氧條件下，實驗結(jié)果表明污泥-頁巖復(fù)合陶粒無法達到所需的商用陶?？紫堵室?。

參考文獻

[1]邊文輝.礦用輕質(zhì)骨料噴射混凝土的研究（碩士論文）[D].青島：山東科技大學(xué)，2019.

[2]鄭伍魁，趙丹，朱毅，等.陶粒工程應(yīng)用的趨勢分析及研究進展[J].材料導(dǎo)報，2023，37（7）：102-113.

[3]楊潔，劉學(xué)應(yīng).陶粒制備的研究進展[J].建筑節(jié)能，2013，41（5）：45-47.

[4]王菊俠，龐銳，劉挺，等.陶粒石油壓裂支撐劑產(chǎn)業(yè)化研究及應(yīng)用（碩士論文）[D].西安：陜西省輕工業(yè)研究設(shè)計院，2016.

[5]盈木.創(chuàng)意園藝——趣植仙肉植物[J].中國花卉盆景，2011（7）：20-21.

[6]林鑫城.超輕陶粒篩分和計量設(shè)備的研制與實際應(yīng)用[J].佛山陶瓷，2012，22（4）：12-15.

[7]黃翔.污泥處理與資源化利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].中華建設(shè)，2023（11）：77-79.

[8] NAKOUZI S， MIELEWSKI D， BALL J C， et al. A Novel Approach to Paint Sludge Recycling：" Reclaiming of Paint Sludge Components as Ceramic Composites and Their Applications in Rreinforcement of Metals and Polymers[J]. Journal of Materials Research，1998，13（1）：53-60.

[9] HALL J E. Sewage Sludge Production，Treatment and Disposal in the European Union[J].Water and Environment Journal，1995，9（4）：335-343.

作者簡介

梁梅華（1989—），女，漢族，山東臨沂人，工程師，大學(xué)本科，研究方向為生態(tài)大數(shù)據(jù)。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-19