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摘要:
固废大量堆存对大气、土壤、水体和生物圈产生污染和危害。陶粒是一种性能优异、应用广泛的新兴材料。部分固废与陶粒原料的契合度很高，是极佳的陶粒基体材料，利用固废制备陶粒产品可规模化消纳利用固废，同时形成良好的社会环境效益和可观的经济利益。通过文献调研，汇总了陶粒的国家标准指标要求；从陶粒原料、生产工艺及其涉及的主要原理总结了陶粒制备的理论基础；列举并总结了陶粒的研究现状；总结与展望了陶粒的行业发展与市场环境现状。利用固废制备陶粒已成为规模化消纳固废、资源化获取陶粒的重要途径。
Abstract:Large amount of solid waste can cause pollution and harm to the atmosphere, soil, water body and biosphere. Ceramsite is an emerging material with excellent performance and wide application. Part of the solid waste has a high fit with ceramsite raw materials, so it is an excellent ceramsite basis material. Using solid waste to prepare ceramsite products can consume solid waste on a large scale. At the same time, it can also bring good social and environmental benefits as well as considerable economic benefits. Through literature research, the national standard index requirements of ceramsite were summarized. The theoretical basis of ceramsite preparation was summarized from the ceramsite raw materials, production process and the main principles involved. The research status of ceramsite was listed and summarized. The development and market environment of ceramsite were summarized and prospected. The use of solid waste to prepare ceramsite had become an important way to achieve large-scale consumption of solid waste and resource acquisition of ceramsite.
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Key words:
- solid waste /
- ceramsite /
- process /
- resource
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表 1 主要陶粒产品的相关指标要求
Table 1. Related index requirements for ceramsite
分类 粒径/mm 堆积密度/(kg·m-3) 1 h吸水率/% 筒压强度/MPa 空隙率/% 其他重要标准 标准编号 水处理陶粒 0.5~9.5 ≥8 ≥40 破碎率与磨损率之和≤6%
盐酸可溶率≤2%
比表面积≥5 000 cm2/gCJ/T 299-2008
QB/T 4383-2012超轻陶粒 一等品、合格品 200级 5~10
5~20≤200 ≤30 ≥0.2 ＞43，≤47 硫酸盐(按SO3计量)＜0.5%含泥量＜2.0% JC 487-92
GB/T 17431.1-2010300级 ＞200，≤300 ≤25 ≥0.5 400级 ＞300，≤400 ≤20 ≥1.0 500级 ＞400，≤500 ≤15 ≥1.5 优等品 200级 ≤200 ≤30 ≥0.3 ≤43 300级 ＞200，≤300 ≤25 ≥0.7 400级 ＞300，≤400 ≤20 ≥1.3 500级 ＞400，≤500 ≤15 ≥2.0 人造陶粒轻集料 600级 5~25 ＞500，≤600 ≤10 ≥2.0 平均粒型系数≤2.0 GB/T 17431.1-2010 700级 ＞600，≤700 ≥3.0 800级 ＞700，≤800 ≥4.0 900级 ＞800，≤900 ≥5.0 高强陶粒粗集料 600级 5~25 ＞500，≤600 ≤10 ≥4.0 700级 ＞600，≤700 ≥5.0 800级 ＞700，≤800 ≥6.0 
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表 2 陶粒压裂支撑剂抗压强度要求
Table 2. Compressive strength requirements of ceramsite fracturing proppant
粒径规格/μm 体积密度/视密度/(g·cm-3) 闭合压力/MPa 破碎室受力/kN 破碎率 3350~1700(6/12目) 52 105 ≤25.0% 2360~1180(8/16目) 52 105 ≤25.0% 1700~1000(12/18目) 52 105 ≤25.0% 1700~850(12/20目) 52 105 ≤25.0% 1180~850(16/20目) 69 140 ≤20.0% 1180~600(16/30目) 69 140 ≤20.0% ≤1.65 / ≤3.00 52 105 ≤9.0% 69 140 ≤10.0% 850~425(20/40目)
600~300(30/50目)≤1.80 / ≤3.35 52 105 ≤5.0% 69 140 ≤7.0% 86 174 ≤10.0% ＞1.80 /＞3.35 69 140 ≤5.0% 86 174 ≤9.0% 425~250(40/60目) 86 174 ≤10.0% 425~212(40/70目) 86 174 ≤10.0% 212~106(70/140目) 86 174 ≤10.0%
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表 3 陶粒原料组成与功能
Table 3. Composition and function of ceramsite raw materials
类型 主要原料 功能 成陶基体 黏土、页岩、粉煤灰、煤矸石、污泥、赤泥等 陶粒的主要组成部分，形成陶粒主体，是陶粒硬度的主要来源 外加剂 助溶剂 长石、石灰石、铁类氧化物等 参与固相反应，降低液态产生的温度 发泡物质(免烧陶粒的引气剂) SiC、煤矸石、石灰石、有机物等 在焙烧或养护过程中持续均匀地产生气体 粘结剂 黏土、膨润土等 增加颗粒之间的粘结能力，增强柔韧性，使原料更容易成球 胶凝剂 水泥、菱镁矿等 粘结原料的固体粉末颗粒，并在初始时保持一定的塑形，养护过程逐渐凝固，增加陶粒强度 激发剂 石灰、石膏等 提高活性原料或者胶凝材料的活性与胶凝性，降低胶凝材料的用量
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表 4 各类型陶粒的制备原理与主要特征
Table 4. Preparation principle and main characteristics of various types of ceramsite
陶粒类型 原理 主要特征 膨胀陶粒 在高温下产生均匀气体，同时产生具有一定黏度的液相，液相包裹生成的气体生成气泡并冷却后液相凝固为固体形成蜂窝状多孔结构 膨胀系数高，表面釉质壳层包裹，密度小，硬度高 烧结陶粒 高温下生球发生固相反应，体积收缩，生成玻璃相、莫来石相等，冷却后硬度极高 无膨胀或负膨胀，密度高，硬度高 烧结陶粒滤料 焙烧过程中产生均匀气体，生球内产生少量液相，不足以包裹生成的气体，气体冲击或逸出，料球中形成大量相互贯通的孔隙，使陶粒形成多孔结构，具备吸附性 表面粗糙多孔，比表面积大 免烧陶粒 在养护阶段引气剂产生气体，胶凝基体包裹产生的气体使得陶粒膨胀，胶凝基体凝结和硬化使得陶粒具有一定强度 具有一定的硬度与膨胀性，密度相对膨胀陶粒高 免烧陶粒滤料 添加膨胀珍珠岩等具有孔状结构的原料，养护后表面形成大量微孔 表面粗糙多孔，比表面积大，但较烧结陶粒滤料低
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表 5 固废制备陶粒的研究现状
Table 5. Research status of preparation of ceramsite from solid waste
类型 原料 试验 产品指标及成果 备注 参考文献 粉煤灰、煤矸石陶粒 煤矸石、玻璃粉 将煤矸石和玻璃粉研磨后制成空心微珠，经过烧结陶粒工艺制备陶粒 最佳强度327.5 N，最低吸水率为46%，最低表观密度595 kg/m3 玻璃软化温度为600 ℃左右，因此实现低温烧结 李志君等[27] 煤矸石、黏土、高分子聚合物 用不同的成型方法与升温速率制备陶粒滤料 在不同的条件下都能得出性能优良的陶粒滤料；得出了孔径的变化规律 李国昌等[28] 煤矸石、粉煤灰、混合料、甲基纤维素 采用烧结陶粒工艺烧制陶粒，采用正交试验探究了最佳成分配比与焙烧制度 确认了最佳成分配比与焙烧制度，并得出预热时间影响陶粒孔径的结论 未在最佳条件下制备陶粒 张西玲等[29] 粉煤灰、黏土、石灰石 采用烧结陶粒工艺制备陶粒，对温度和助熔系数对陶粒的影响进行探究试验 探究了在不同温度下生球内物象的变化，陶粒产品筒压强度达到6.3MPa，表观密度为1.6 g/cm3 李亮[30] 粉煤灰、钢渣、黏土 采用烧结陶粒工艺制备陶粒支撑剂，考察了物料配比对烧成陶粒性能的影响 制得陶粒支撑剂堆积密度800~1 200 kg/m3，筒压强度7~13 MPa 向晓东等[31] 粉煤灰、水泥、膨胀珍珠岩等 采用免烧陶粒工艺，在普通粉煤灰免烧陶粒原料基础上加入膨胀珍珠岩和界面改性剂 最佳条件下堆积密度为637 kg/m3，筒压强度1.7 MPa，吸水率7.4%，有很好的吸音效果 朱万旭等[32] 粉煤灰、煤矸石、硬脂酸、硼砂 采用焙烧陶粒工艺，研究粉煤灰-煤矸石比对陶粒指标的影响 最佳煤矸石-粉煤灰比为7：3，陶粒抗压碎强度为109.564 N，气孔率41.58% 杨艳茹等[33] 废石与尾矿陶粒 低硅铁尾矿、黏土、煤粉和KD粉等 采用烧结陶粒工艺，考察了造孔剂选择、物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 在条件下烧制出符合国家标准的900级粗集料，焙烧过程中有碱玄岩 主要原料硅含量低，仅为29.06% 王德民等[34] 矿山剥离红黏土、普通黏土、石灰石、煤粉 采用烧结陶粒工艺，考察了物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下烧成陶粒符合国家标准500级陶粒要求 贾晓钊等[35] 铜尾矿、长石、白云石、废弃土、水玻璃 采用烧结陶粒工艺，进行物料配比、粉磨试验、造粒试验以及烧结制度正交试验 在最佳条件下烧成陶粒堆积密度为874 kg/m3，筒压强度为7.5 MPa，吸水率2.1% 杨航等[36] 商洛金尾矿、黏土、长石 采用烧结陶粒工艺，考察了物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最终制得高强陶粒的筒压强度为10.2 Mpa，堆积密度为762 g/cm3,吸水率为2.6% 尾矿制备800级高强陶粒 赵威等[37] 商洛矾尾矿、钾长石、黏土、SiC等 采用烧结陶粒工艺，单因素试验研究了尾矿、SiC含量及焙烧制度对陶粒性能的影响 最佳条件下烧成陶粒堆积密度631kg/m3，筒压强度9.1 MPa，吸水率3.1 赵威等[38] 火山灰、金尾矿等 采用烧结陶粒工艺，考察了物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下烧成陶粒筒压强度21.3MPa，堆积密度为843 kg/m3,吸水率为9.3% 张其勇等[39] 页岩、红土镍尾矿、外加剂、木屑 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下烧成陶粒筒压强度5.2MPa，堆积密度为686 kg/m3,吸水率为5.1% 使用大量的页岩(含量为50%) 邹伟娣等[40] 铁尾矿、炉渣、粉煤灰、石灰石等 采用烧结陶粒工艺制备陶粒滤料，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 制得陶粒滤料孔隙率31.07%，对污水的浊度去除率为64.02%，COD去除率最高可达79.48% 张学董等[41] 金尾矿、粉煤灰、煤粉等 采用烧结陶粒工艺，研究焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 焙烧温度1150℃条件下陶粒堆积密度为736 kg/m3，筒压强度为4.3MPa。吸水率为7.9% 段美学等[42] 铁尾矿、粉煤灰、污泥 采用烧结陶粒工艺，研究原料配比对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下制得符合国家标准的700级粗集料 杜芳等[43] 铁磁选尾矿、粉煤灰、二氧化硅、木炭 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下制得符合国家标准的水处理用陶粒 Zhao Q等[44] 白云鄂博尾矿、C&D废料 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 通过试验得出两部分原料在烧结过程中的功能，证实了白云鄂博尾矿和C&D废料可作为陶粒原料 WangC等[45] 磷尾矿、层岩、页岩 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 得出了焙烧制度对陶粒磷含量、吸水率和强度的影响规律，并得出了最佳烧结制度 Yang YH等[46] 污泥陶粒 电镀污泥、黏土、粉煤灰、玻璃粉 采用烧结陶粒工艺，考察了原料配比和煅烧温度对陶粒滤料理化性质的影响 最佳条件下陶粒比表面积为2.175 m2/g，孔隙率为44.5%，盐酸可溶率为0.41%，可作为滤料 使用大量的黏土(含量为55%)。比表面积高出过国标要求的4倍 彭明国等[47] 湖泊底泥、沼气渣、Fe2O3粉末 采用烧结陶粒工艺，探讨了Fe2O3粉末添加量和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下陶粒堆积密度为489.49kg/m3，1h吸水率为3.73%，适量Fe2O3的加入能有效地改善陶粒的孔结构 吴世明等[48] 污泥、煤矸石等 采用烧结陶粒工艺，探讨了煤矸石掺量对烧成陶粒性能的影响 污泥最高掺配量可达60%，可制得600~900级陶粒，但吸水率过高，超出国家标准规定 支楠等[49] 城市污泥、玻璃粉 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 烧成符合国家标准的600级轻质陶粒 曲烈等[50] 污水厂污泥、河道淤泥、粉煤灰 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 烧成符合工业废渣轻集料标准的600级陶粒 原料全是固体废弃物组成 刘爽等[51] 污泥、黄土、膨润土 采用烧结陶粒工艺，分析了孔隙结构对污泥陶粒的物理性能的影响 最佳条件下陶粒堆积密度为257kg/m3，吸水率为21%，筒压强度为0.74 Mpa，孔结构的均匀程度陶粒的筒压强度和松散密度 王乐乐等[52] 污水厂污泥、海泥、石灰石 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下陶粒堆积密度为563 kg/m3，吸水率为15.62%，筒压强度为5.35 Mpa 刘洋洋等[53] 东湖淤泥、铁尾矿、活性炭 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下陶粒堆积密度为423kg/m3，吸水率为13.34% 刘晨等[54] 城市污泥、炼钢废渣等 利用炼钢废渣对城市污泥进行脱水，并进一步烧制出轻骨料陶粒 最佳条件下陶粒堆积密度为805kg/m3，筒压强度为6.0 Mpa 陈伟等[55] 污染底泥、垃圾焚烧灰 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下陶粒堆积密度为735kg/m3，吸水率15.3%，筒压强度为4.56 Mpa。得出重金属浸出规律 魏国侠等[56] 粉煤灰、污泥、黏土、煤粉 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 分别探究了作为建筑骨料和水处理滤料情况下，原料成分的配比与焙烧制度 邵青等[57] 污泥约、粉煤灰、膨润土 采用烧结陶粒工艺，通过正交试验确定最佳物料配比和焙烧制度 最佳条件下烧成陶粒堆积密度520kg/m3，比表面积5.01 m2/g，筒压强度3.05 MPa 苏子艺等[58] 太湖竺山湾底泥 采用烧结陶粒工艺，研究焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下表观密度可以达到0.8~0.9 g/cm3 仅使用底泥做陶粒原料 章丹等[59] 造纸厂污泥、粉煤灰、硅藻土 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 在最佳条件下烧成陶粒堆积密度为740 kg/m3，吸水率39.03%，孔隙率49.49%，筒压强度4.73 Mpa Qin J等[60] 粉煤灰、水厂污泥、牡蛎壳 采用烧结陶粒工艺，研究物料配比和焙烧制度对烧成陶粒孔结构和对人工湿地磷的固化性能的影响 在最佳条件下烧成陶粒对磷的最大吸附量为4.51 mg/g，磷去除率高达90% Cheng G等[61] 脱水污泥、粉煤灰、河流底泥 采用烧结陶粒工艺制备陶粒滤料，研究物料烧结过程中的膨胀行为 制备出符合国家标准的滤料陶粒产品，探究出烧失率、膨胀程度与温度之间的关系 LiTP等[62] 浚流底泥、混凝土等 采用免烧陶工艺，在轻骨料生球外包裹混凝土外壳 未处理陶粒的筒压强度为0.27Mpa，包裹混凝土外壳后陶粒的筒压强度高达2.46MPa，解决了陶粒水化和强度低的问题 Peng X等[63] 污水污泥、河流沉积物等 在以往污泥和河流沉积物制备陶粒的基础上探究碱性助熔物(Fe2O3、CaO和MgO)和基体氧化物(SiO2和Al2O3)的质量比(K)对陶粒指标的影响 结果表明K值影响陶粒的堆积密度，筒压强度以及重金属的浸出，并且得出了最佳的K值区间 Liu MW等[64] 污泥、水玻璃、黏土 采用烧结陶粒工艺研究烧结温度对污泥陶粒特性的影响，原料配比为干污泥/水玻璃=33%，水玻璃/黏土=15% 此配方下污泥陶粒在1 000℃下生成均匀细孔且表面光滑，为最佳烧结温度。得出了不同温度下的结晶情况 G.R. Xu等[65] 水库底泥、CaF 采用烧结陶粒工艺制备陶粒滤料，研究CaF的添加量与烧成温度的关系，节约能源 使得污泥陶粒的烧成温度降低200 ℃，为含CaF污泥的回收利用指出方向 Wei YL等[66] 赤泥陶粒 赤泥、酒精废液、AlCl3、玻璃粉、蔗渣 采用烧结陶粒工艺，考察各制备因素对烧成陶粒性能的影响 最佳条件下烧成陶粒平均硬度为152.8 N，显气孔率为43.04%，磨损率为1.58% 费欣宇等[67] 赤泥、水厂污泥 采用烧结陶粒工艺制备水体除用陶粒，考察原料配比与被烧制度对烧成陶粒除砷性能的影响 最佳条件下烧成陶粒对砷离子的去除率可达到90%以上 陈新年等[68] 渣土、废渣陶粒 工程渣土、粉煤灰 采用烧结陶粒工艺，研究原料配比与焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 烧成陶粒能达到900级陶粒的国家标准 张腾飞等[69] 城市渣土、粉煤灰 采用烧结陶粒工艺，研究原料配比与焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 烧成陶粒能达到800级陶粒的国家标准，堆积密度729 kg/m3，吸水率1.7%，筒压强度4.6 MPa 高瑞晓等[70] 城市渣土、粉煤灰 采用烧结陶粒工艺，研究原料配比与焙烧制度对烧成陶粒性能的影响 烧成陶粒能达到700级陶粒的国家标准，筒压强度4.3~4.9 MPa 季维生[71] 工业钨渣、硅藻土 采用烧结陶粒工艺制备水处理滤料用于重金属废水的处理，研究了陶粒在废水中对铜离子的吸附行为 所烧制陶粒内外孔结构丰富，对Cu2+的吸附容量达到9.421 mg/g，303 K时铜去除率为94.21% Jing QX等[72]
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图(3)
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