1、最新利用工业废弃物生产新型建材的资源化开发研究利用工业废弃物生产新型建材的资源化开发研究 摘要： 本项目以煤矸石、石墨尾矿、粉煤灰、垃圾焚烧灰等固体 废物为主要原料生产新型绿色建材 - 环保陶瓷生态砖。 鉴定认为 该成果具有明显的创新性和先进性： 以煤矸石、石墨尾矿、 垃圾 焚烧灰等固体废弃物为主要原料研制环保陶瓷生态砖是国内外 首创；烧成后的废品及用后的废品可作为原料再利用， 这可解决 废品的二次污染， 实现产品生产的真正绿色化， 国内外未见报道； 采用固体废物为主要原料（可达 70%以上），使环保陶瓷生态砖 的生产成本相对较低， 可为生产企业带来良好的经济效益， 从而 使固体废物资源化利用
2、技术更长久。关键词： 固体废弃物；石墨尾矿；生态砖；资源化1引言固体废物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产 生的一般不再具有原使用价值而被丢弃的以固体和泥状赋存的 物质。固体废物对人类环境的危害，主要表现在以下几个方面： 1）侵占土地，固体废物如不能利用，就需堆存放置，堆存量越 大，占地面积越大，甚至占用大面积农田， 给相关企业造成沉重 负担。 2）污染土壤，固体废物长期露天堆存，其中有害成分经过风化、雨淋、地表径流的侵蚀很容易深入土壤之中， 杀死土壤 中的微生物，破坏土壤的腐解能力，导致草木不生。 3）污染水体，固体废物一般通过天然降水径流、 渗沥水浸出、 随风迁移获 直接排入水系
3、，污染水体。 4）污染大气，固体废物一般通过粉 尘、产生的有害气体使大气受到污染。 目前， 影响我国各大城市 空气质量的可吸入固体悬浮物，主要由固体废物引起。 5）影响环境卫生，工业废渣、垃圾在城市的堆存，既有碍观瞻，又容易 滋生细菌、蚊蝇，传染疾病。自上世纪 60 年代中期，环保工作开始受到多数国家的重视， 特别是西方发达国家开始对污染治理技术进行深入的研究和广 泛的应用，逐步形成了一系列处理方法。 70 年代，西方发达国 家针对固体废物处置场地紧张， 处理费用大， 以及资源短缺等问 题，开始研究固体废物资源环利用技术，并取得成效。 我国则始 于 80 年代，起步较晚，并且由于技术、资金等原
4、因，目前仍以 无害化、 减量化为主， 但对固体废物资源化、 产业化是最终目标。固体废物资源化利用就是对其中有用的物质及能量加以回收 利用的同时，使其无用部分达到无害化、减量化， 以取得一定的 社会效益、经济效益，并达到保护环境的目的。美国、日本、欧 洲等一些国家将其作为解决固体废物污染的主要方式之一， 投入 巨资进行开发。我国资源消耗高， 二次资源利用率低， 有相当一 Word 原创 可修改部分资源变成了污染物。 因此固体废物资源化利用及技术的研究 在我国尤为重要。固体废物资源化利用一般遵循以下几个原则：第一，资源化 利用技术应是可行的； 第二，固体废物资源化利用的经济效益要 比较好，否则采用
5、的技术不可能长久；第三，资源化产品应当符 合国家相应产品的质量标准，与相应其他原料制品相比， 有较强 的竞争力；第四，废物应尽可能在产生地就近利用，以节省废物 在贮放、运输等过程的投资。固体废物资源化利用，变废为宝，是一项具有重大社会经济 效益的课题。 本课题研究与山东省密切相关的有代表性的石墨尾 矿、煤矸石、粉煤灰、垃圾焚烧灰等固体废物的资源化利用技术。煤矸石是采煤和洗煤过程中排出的固体废物，一般每采一吨 原煤就产生 0.2 吨左右煤矸石。历年堆积下来的煤矸石有近 300 亿吨，是堆放量最大的固体废物。 煤矸石露天堆放， 由于长期风 吹雨淋产生的物理化学变化，带来一系列问题，如大气污染、 生
6、 态污染；堆放的矸石还可能产生崩塌，滑坡，甚至爆炸、泥石流 等；煤矸石堆积在矿区周围，不仅污染了环境，也给企业带来了 沉重的负担。山东省是我国的煤炭资源大省，在兖州、新汶、淄 博等地有丰富的煤炭，也存放了大量的煤矸石。目前， 煤矸石综 合利用的途径主要有： 制取矸石砖、 煤矸石水泥， 生产轻质骨料，制取结晶氯化铝、聚合氯化铝，作为填料复田、筑路等。目前我 国煤矸石利用率约 10%，如不加紧开发利用将影响煤炭行业的发 展。在美丽的青岛，有着丰富的优质石墨矿产资源。主要分布在平 度、莱西等地，是我国最大的石墨矿区之一。而每开采 5 吨石墨， 则产生大约 95 吨石墨尾矿。这些工业废物堆积在矿区周围
7、，有几 十亿立方。不仅占据了大量的土地，还对周围的空气、水等环境 造成污染，这给企业带来了巨大的经济负担。企业也曾多次对其 开发利用，由于技术资金等原因均告失败。目前仍无法治理和利 用。粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废物， 我国每年产生约 7000 万 吨左右的粉煤灰。 山东省也是我国的能源大省， 鲁能集团的邹县、 黄台、聊城、黄岛等十几个热电厂都以煤为燃料， 这样就产生了 大量的粉煤灰。 这些粉煤灰一部分用于生产粉煤灰砖、 粉煤灰水 泥，制作粉煤灰硅酸盐砌块，生产粉煤灰加气混凝土、陶粒，用 于道路建设。而大部分贮存于农场， 少量排入江河湖泊，既污染 了环境，又占用了大量的土地。我国目前粉煤灰的利
8、用率只有 25%左右，粉煤灰的开发利用具有现实意义。随着城市的发展，人口数量的增多，城市生活垃圾的处理也 成了一大难点。 近年来我国已有不少城市， 如上海、 广州、 常州、 Word 原创 可修改青岛等， 开始或计划兴建大型生活垃圾焚烧厂。 通过焚烧可大大 减少生活垃圾的体积 （减少体积约 90%），但仍有 20-30% 的质量 留在了灰渣当中。如此大量灰渣的产生，带来处置的困难。 为节 约日益紧张的填埋场地， 降低灰渣的处置费用， 焚烧灰的资源化 利用将是比较符合中国国情的可行方法。 但目前我国的生活垃圾 焚烧厂较少， 有关灰渣资源化利用的研究和实例较少。 发达国家 对灰渣的利用主要是用于：
9、 石油沥青路面的替代骨料； 水泥或混 凝土的替代骨料；填埋场覆盖材料；路体、路基等的填充材料。 对于城市下水污泥的处理也存在同样的问题。随着经济的发展和城市建设步伐的加快，城市的地表逐步被 建筑物和混凝土等路面硬化材料所覆盖。 这给人们出行带来方便 的同时也带来负面效应， 这些路面硬化材料是不透气、 不透水材 料，路面硬化后， 自然降水不能渗入地下， 影响地表植物的生长； 产生所谓的“热岛效应 ”，恶化城市生态环境；同时，也破坏了 大自然的水循环，浪费日益紧缺的天然淡水资源。自上世纪 90 年代，日本、欧美等世界发达国家开始研制新型 环境友好地面铺装材料， 90 年代末，成功研制出环保陶瓷生态
10、 砖。环保陶瓷生态砖是一种新型城市地面装饰材料，是面向二十 一世纪的环保生态建材。它具有良好的透水性，雨天， 路面的雨 Word 原创 可修改水可及时渗透地下，避免街道积水， 有利于行人行走， 有利于车 辆交通，减少废气造成的大气污染； 而且， 由于降水能渗透到地 下，能改善地表植被的生长，减轻下水道的负担， 防止河流的泛 滥，使天然淡水资源得以充分利用， 能使城市地下水及时得到雨 水的补充， 避免城市因地下水过度取用而下陷。 环保陶瓷生态砖 具有良好的保水性，雨后，保留在砖内及下层的水分缓慢蒸发， 有利于调节城市地表温度和湿度， 减少空气污染， 降低热岛效应； 另外，由于其特殊的多孔结构，它
11、具有吸收噪音， 减轻城市噪音 污染功能。环保陶瓷生态砖经高温烧结而成， 其表面粗糙， 具有 良好的防滑性能， 行走更安全； 其表面硬度高， 强度大， 耐腐蚀， 颜色多样，造型各异，可应用于人行道、绿荫道、公园、广场的 铺设，具有美化环境、保护环境的功能。这对城市大气调节、地 下水资源保护，对整个城市的生态环境具有重大意义。本课题以石墨尾矿、煤矸石、粉煤灰等固体废物为主要原料 研制环保陶瓷生态砖。 这可减轻这些固体废物给相关企业带来的 经济负担，减少对周边环境的污染； 同时， 对废弃物进行资源化 利用，变废为宝，降低了环保陶瓷生态砖的成本， 为生产企业带 来良好的经济效益，是一项具有重大社会、经
12、济效益的工作。2实验内容2.1原料分析及处理从各原料产地采集样品后对其进行化学组成、 矿物组成、 粒度组成及物性分析。 并对各个主要原料进行成型及烧结性能实 验，对其工艺性能进行相应评价。考虑到石墨尾矿的粒度基本符合要求，为了减少工序，降低 成本 ，将石墨尾矿筛分分级后，直接利用。煤矸石粉碎后筛分 分级利用，部分细磨至 200目以下利用。废玻璃加热到 600 C 后，水淬、细磨备用。粉煤灰、垃圾焚烧灰烘干后直接利用。长 石等细磨后烘干备用。2.2样品制备样品制备工艺如下所示：按配方配料 加水、结合剂混合 坯料陈放 一一成型 坯体干燥 烧成 性能测试2.3性能测试按国标 GB 2579 89 建
13、筑卫生陶瓷吸水率试验方法 , 测定样 品的吸水率。 按国标 GB 8917 88 陶瓷砖弯曲强度试验方法， 测 定样品的弯曲强度。 按国标 GB 8489 87 陶瓷砖抗压强度试验方 法，测定样品的抗压强度。按国标 GB /T3810.121999 试验方 法测定样品的抗冻性。按国标 GB/T13479 92 无釉砖耐磨性试 Word 原创 可修改验方法，测定样品的耐磨性。按日本工业标准 JIS A 1218，测定样品的透水系数。3结果讨论3.1 石墨尾矿加入量及粒度对陶瓷生态砖成型工艺及性能的 影响在保持石墨尾矿粒度不变情况下，只改变其加入量，生态砖 的性能变化如图 1 所示，由图可见，随石
14、墨尾矿加入量的增加， 样品的吸水率先降低， 加入量为 40%时达到最低。 加入量再增加， 吸水率则升高。样品强度的变化规律与吸水率相反。这是由于石墨尾矿中含有熔剂类原料， 如长石、云母等， 随 加入量的增加，高温时形成的液相量增加，坯体的烧结程度好， 因而强度增加，吸水率降低：但若加入的石墨尾矿量过大， 则形 成的液相量太多， 从而过烧、 发泡。强度反而降低， 吸水率升高。在石墨尾矿加入量（ 40%）不变，只改变石墨尾矿中大颗粒 的比例，其影响规律如图 2 所示，随石墨尾矿中大颗粒比例的增 加，样品的吸水率升高，强度则降低。 这是因为大颗粒比例的增 加导致颗粒之间的接触面积减小， 颗粒间的孔隙
15、增大， 因而强度 减小，吸水率增大。另外，在成型时发现，随石墨尾矿加入量的增加或大颗粒比例的增加，样品的成型性变差，这与石墨尾矿为瘠性料有关。 为此我们加入部分塑性好的粘土来改变其成型性能。图1石墨尾矿加入量对生态砖性能的影响 图2石墨尾矿粒度对生态砖性能的影响3.2 粘土加入量对陶瓷生态砖成型工艺及性能的影响随着塑性粘土加入量的增加，制品成型性能变好，生坯强度 增加，坯体的干燥和烧成收缩变大。粘土加入量与样品性能的关系如图3、图4所示，最初，随加入量的增加，抗压强度、抗折强度增加，吸水率降低，透水系数略有升高。当加入量超过27%时， 抗压、抗折强度随粘土加入量增加而降低， 吸水率则升高。对于
16、Word 原创可修改透水系数，在粘土加入量为 20%时达到最大值。图 3 粘 土 加 入 量 对 生 态 砖 性 能 的 影 响 图 4 粘土加入量对陶瓷生态砖性能的影响这是因为，在陶瓷生态砖的制备中，粘土在成型时粘合骨料 颗粒，使之获得较好的成型性能， 具有较高的生坯强度；在高温 烧结时， 适量的粘土与烧结助剂形成低共熔的液相， 促进液相润湿骨料颗粒，把骨料颗粒互相粘结起来，赋予制品一定的强度。 同时，适量的液相使得颗粒间的空隙表面更光滑， 气孔的弯曲程 度降低， 从而使透水系数有所增加。 综合考虑样品的性能与粘土 对工艺与成本的影响，选择加入量在 20%左右 。3.3垃圾焚烧灰等烧结助剂加
17、入量对陶瓷生态砖性能的影 响为了进一步增加样品的强度，拓宽烧成温度范围，我们加入 废玻璃、垃圾焚烧灰、粉煤灰等作为烧结助剂，它们对强度的影 响见图 5，对透水系数的影响见图 6。由图可知， 废玻璃加入量在 5%时，样品的强度最大， 透水系数最大， 过量加入强度反而降低； 粉煤灰对样品的强度和透水系数提高作用不大； 垃圾焚烧灰可明 显增加强度，最佳加入量为 10%。这是由于垃圾焚烧灰是城市垃圾在 1050 C左右的焚烧产物，Word 原创 可修改主要为熔渣、玻璃质物质。它可与长石等在高温下生成低共融液相，润湿骨料颗粒，适量的液相使得颗粒间的空隙表面更光滑， 气孔的弯曲程度降低，透水系数增大， 增
18、加制品强度。若加入量过大，液相量大，高温粘度低，易于流动，易于过烧形成泡沫状， 从而降低强度。对于玻璃由于其转变为液相的温度低， 高温粘度更低，更容易过烧。粉煤灰中含有莫来石、石英及玻璃相，它的 液化温度高，在此烧成温度下，助熔作用不明显。 但它可降低烧成收缩，抑制坯体烧成变形。图 5 烧结助剂对生态砖抗压强度的影响 图6 烧结助剂对生态砖透水系数的影响3.4煤矸石代替粘土对陶瓷生态砖性能的影响在试验中发现，细磨的煤矸石具有一定的塑性， 特别是陈腐以后。 为了增加废物用量，减少粘土的用量， 降低成本，我们采用细磨煤矸石代替粘土进行试验，结果如图 7、图8所示。由图可见，煤矸石代替粘土后，样品的
19、抗折、抗压强度略有提高，透水系数、 吸水率略有降低，但总的变化不大。并且成型素坯的强度变化也 不大。这说明煤矸石代替粘土是可行的。 煤矸石代替粘土后强度的提高，与煤矸石中铁的含量高有关。 与粘土相比，煤矸石形成低共熔液相的温度略低。图 7 煤矸石代替粘土对生态砖性能的影响 图8煤矸石代替粘土对生态砖性能的影响3.5用后废品的再利用针对目前地面装饰材料用后破损， 导致二次污染的问题， 我们研究了烧成后废品及用后废品的再利用。 对于烧成后及用后废品，我们粉碎至一定粒度，作为骨料颗粒重新使用。试验发现， 随废料加入量增加，坯料的塑性降低， 生坯的强度有所降低。 这 与废料经过高温烧成有关， 但可以通
20、过加入少量有机塑化剂得以 改善。另外，废料的加入可以降低烧成收缩， 减少烧成黑心和起 泡。对于制品的性能，除抗折强度略有降低外，其他性能无明显 变化。废料的加入量可在 10-20% 。这可解决废品的二次污染， 实现产品生产的真正绿色化。4结论通过以上的研究我们探讨了配方中各因素和烧成温度对生 态砖工艺及性能的影响， 在此基础上我们优化配方， 进一步试验， 最终选定配方如下：石墨尾矿 30-40% ，大颗粒煤矸石 15-20% ， 细磨煤矸石 20-25%，垃圾焚烧灰 5-10% ，粉煤灰 5-10%，其它 1-10%。这样在配料中固体废物利用量达到 70%以上。所制备样品的性能如表所示。由表可
21、见，采用本项目技术， 以石墨尾矿等废物研制的环保陶瓷生态砖各项性能指标均达到 合同的要求。 多项性能指标达到或超过日本产品水平。 各项性能 指标均优于国内目前采用的混凝土路面砖。表 2 环保陶瓷生态砖样品主要性能指标密度/g?-3cm抗折强度 /MPa抗压强度 /MPa抗冻性透水系数-1/cm?sec试验样品1.908.2763.45正常1.26 x 10-2日本产品（荒木）4.16-4.7544.1 -58.8正常 1.0 x10-2人行混凝 土路 面砖 国家 标准道（优） 4.0 30正常车行道 60正常（优）合同指标 4.5 45 1.0 x10-24.1 创新点以石墨尾矿、煤矸石、垃圾
22、焚烧灰等固体废弃物为主要原料 研制环保陶瓷生态砖。 解决了上述固体废物的污染问题， 为相关 企业减少相当可观的废弃物处理费用。 同时所研制的环保陶瓷生 态砖是新型绿色环保建材 ,对美化环境、调节城市生态环境具有 重大社会意义。烧成后的废品及用后的废品可作为原料再利用， 这可解决废 品的二次污染，实现产品生产的真正绿色化。由于采用固体废物为主要原料， 环保陶瓷生态砖的生产成本 相对较低，可为生产企业带来良好的经济效益。4.2 结语通过对石墨尾矿、煤矸石、粉煤灰、垃圾焚烧灰等进行综合 分析评价，认为上述固体废料能用于研制陶瓷生态砖，关键要解 决透水系数与强度的矛盾及固体废物加入量与成型、烧成工艺的
23、 矛盾。通过研究石墨尾矿加入量及粒度、 粘土加入量、 垃圾焚烧灰 等烧结助剂加入量、 煤矸石代替粘土、 烧成制度等因素对陶瓷生 态砖制备工艺及性能的影响，确定了较好的配方为：石墨尾矿 30-40%，大颗粒煤矸石 15-20% ，细磨煤矸石 20-25% ，垃圾焚烧灰5-10%，粉煤灰5-10% ,其它1-10%。这样在配料中固体废物利 用量达到70%以上。烧成后的废品及用后的废品可作为原料再利用， 加入量可达10-20%。这可解决废品的二次污染，实现产品生产的真正绿色 化参考文献：1姚治才环境废弃物及其再利用陶瓷，1999，（ 3）： 16 20.2朱海涛.用固体废物研制环保陶瓷生态砖 见：第
24、十二届全国高技术陶瓷学术年会论文集佛山：2002.3日本工业标准JISA 121亲爱的用户:2烟雨；江南；：画屏如展。在那桃花盛开的地方，在这醉啸一样阳光，心情像桃花一,3、越是无能的人，越喜欢挑剔别人。 09:557.10.202009:557.10.202009:5509:55:467.10.202009:557.10.2020人分芳的季节字句愿你生活像春天 、,，.5、三军可夺帅也Friday, July 钩?02PJuly 20Friday, July 10, 20207/10/2020 样美6、丽：感大你的表阅读最软弱无力。7、 人生就是学校。 20.7.1020.7.1020.7.10。2020年7月10日星期五二二年七月十日8、 你让爱生命吗，那么不要浪费时间。 09:5509:55:467.10.2020Friday, July 10, 2020
