陶粒的制備及其應用研究進展

伍樹森 羅亞歷 李斌

摘要本文按原料對陶粒的種類進行了劃分，對比了制備陶粒的兩種主要方法，并對其近年來的應用方式進行了總結(jié)，并指出了其未來的發(fā)展趨勢。利用固態(tài)廢料進價低、分布廣、產(chǎn)能高等特點，制造出優(yōu)良的陶粒產(chǎn)品，并對其進行優(yōu)化、配發(fā)、開發(fā)、設備等，以降低能源消耗和成本。

關鍵詞? 陶粒；制備；黏土；固體廢棄物；應用

0引言

陶粒是經(jīng)過高溫燒結(jié)或者免燒工藝技術制備而成的顆?；蛑鶢钗矬w，因其具有質(zhì)量較輕、抗酸抗堿、較高的筒壓強度、熱導系數(shù)小、保溫性能良好等優(yōu)勢，廣泛地被從事環(huán)保、建筑、農(nóng)業(yè)、種植以及材料等行業(yè)的人員所青睞。在建筑行業(yè)，陶粒具備減震、導熱系數(shù)低、吸音降噪等優(yōu)點，因此被用于制備輕骨料、屋面的保溫隔熱層等，產(chǎn)生了不錯的經(jīng)濟效益。分別以原料和生產(chǎn)工藝為指標，可將陶粒分類為傳統(tǒng)陶粒、固體廢棄物陶粒、改性陶粒等和免燒陶粒、焙燒陶粒（燒結(jié)、脹燒）。本文主要從原料入手對陶粒進行了分類，并簡述了陶粒的兩種主要的制備手段與其未來的發(fā)展趨勢。

1陶粒的分類

陶粒是以基體材料摻雜輔助材料制備而成的，陶粒的基質(zhì)物質(zhì)可以大致劃分為兩種類型，第一種是粘土陶粒和頁巖陶粒，它們都是用自然巖石和粘土制成的，現(xiàn)在已經(jīng)漸漸被淘汰了；第二類是以固體廢棄物如粉煤灰、礦渣、污泥、底泥和廚余垃圾等為原料生產(chǎn)陶粒。

1.1黏土陶粒

黏土陶粒是黏土與其它粉料混合，通過制球、烘干、焙燒等工藝制備而成的，其因具備減緩溫度變化、高強度、阻隔熱交換、輕量等諸多品質(zhì)，被從事環(huán)保、建筑、農(nóng)業(yè)、園藝以及化工等行業(yè)的人員所需求。

張雨晴等人從內(nèi)蒙古購買了黏土作為主要的原材料，并按照不同的質(zhì)量比例將其與烘焙和干燥過的粉煤灰、鋸末以及直接從市場購得的重質(zhì)碳酸鈣混合，經(jīng)高溫燒制成褐色陶粒復合材料，該工藝研制的黏土陶?？梢杂糜诠こ?。鮑騰等人使用已經(jīng)過磨粉處理的凹凸棒石、木材加工廠的附加產(chǎn)物鋸末（造孔劑）和水玻璃（粘結(jié)劑）為原料，經(jīng)過攪勻、包衣機制粒、烘干、煅燒等步驟制備復合陶粒，并通過調(diào)整樣品比例，測試煅燒溫度和煅燒時間制出了耐水強、易附著、強度高的陶粒。王祝來等人采用300 ℃預燒10 min、750 ℃燒結(jié)20 min的實驗方案，制備得到性能最佳陶粒，其比表面積最大可用作吸附材料。

由于國家政策原因，土地資源受到保護，可用黏土資源逐漸減少，取而代之的是固體廢棄物。

1.2頁巖陶粒

頁巖、板巖等經(jīng)磨粉、燒脹等工序而被制成陶粒，當前泥質(zhì)陶瓷顆粒在生產(chǎn)文化石、輕骨料混凝土以及輕質(zhì)隔墻板材等方面有著廣泛的應用。陶粒自1913年被研制出來，到如今已有百年的歷史，其主要用于建筑領域，在其它領域已占有約20%的份額。隨著國家節(jié)能環(huán)保理念的推廣，除了建筑行業(yè)，園藝、農(nóng)業(yè)、旅游、服務等行業(yè)也加強了對其的關注程度，將陶粒均勻鋪置于盆栽底部有助于植物對水分和氧氣的吸收。

李國昌等通過粉碎和成球兩種方法成功獲得了濾料生料，再經(jīng)過烘烤、膨脹等實驗步驟制得了陶瓷顆粒過濾材料。劉冬學以硼泥、油頁巖渣、粉煤灰、粘結(jié)劑等為主要材料，對硼泥陶粒輕骨料進行了配方設計，并對其進行了試驗研究。根據(jù)實驗結(jié)果，參照有關文獻確定了高強度硼粘土陶粒輕骨料的制備技術，并研究了溫度對陶粒性能的影響，獲得了高強度硼粘土陶粒，達到了我國高強度硼粘土的要求。

1.3粉煤灰基陶粒

煤灰是火力發(fā)電廠的重要固廢，中國火力發(fā)電廠的爐灰中SiO2、Al2O3的比例超過了60%，是一種較好地代替黏土的原料，因而粉煤灰陶粒也是一種研究最多、技術最成熟的產(chǎn)品。

莎茹拉等以內(nèi)蒙古熱電廠褐煤所產(chǎn)的煤灰粉為原料，添加普通水泥、膨潤土及微量的鐵鹽，在未經(jīng)高溫焙燒等工藝條件下制得煤灰粉含量高、吸附能力強、加工成本低的褐煤煤灰粉免燒陶粒。許事成等采用粉煤灰與硅灰制備了一種堿激發(fā)免燒陶粒，其初始抗壓強度隨硅灰加入量的增加而增加。當硅灰用量為15%和20%時，粉煤灰陶瓷顆粒的14 d壓縮強度可達19.43 MPa和20.37 MPa。另外，硅灰渣的加入還使陶粒的含泥量、吸水率、磨損率有所下降，從而使其抗腐蝕性能有所改善。王萍制得煤灰粉陶粒，應用于曝氣式生物過濾塔，其COD去除率可達85%，NH3-N去除率可達65%。鄒正禹等以普通硅酸鹽水泥、煤炭火力發(fā)電的副產(chǎn)物煤灰粉為主材料，摻入質(zhì)量比為5%左右的FeS制備出了優(yōu)級粉煤灰輕集料，此材料可用于吸附并固定污水中的重金屬顆粒（Cr2+、Hg2+、Zn2+等），并且不會對環(huán)境造成危害。

粉煤灰陶粒已進入工業(yè)化階段，馬鞍山市華旗環(huán)境技術開發(fā)有限公司采用粉煤灰、粘土和煉鋼赤泥等為結(jié)合劑，通過高溫燒制制備出了一種新型的、輕量化的多孔陶粒。

1.4煤矸石基陶粒

煤矸石是煤礦工業(yè)中常見的固體廢料，由于制陶需要含有SiO2、Al2O3的材料，而這些物質(zhì)是煤矸石所富含的，因此煤矸石在學術界引起了很大的重視。祁非等通過設定不同的原料比、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間等，利用泥沙、煤矸石生產(chǎn)制備出了符合國標的多孔陶粒。陳彥文等通過混料成球、焙燒的實驗方法成功制備出了一種煤矸石陶粒。李虎杰等經(jīng)過試驗得出如下結(jié)論：在加入少量輔助材料的情況下，當煤矸石的用量為80%，頁巖的用量為20%時，就可以得到800級的高強煤矸石陶粒。

1.5污泥基陶粒

城市生活垃圾焚燒、堆肥等常規(guī)處置方法存在能耗大、占地大、二次污染嚴重等問題，如何實現(xiàn)對污泥的高效資源化已迫在眉睫。通過實驗分析可知，利用該工藝制備陶瓷顆粒是一條既節(jié)能又環(huán)保的可行方法。目前，國外對污泥燒制陶粒的研究采用污泥燃燒后的產(chǎn)物為原材料，或?qū)⑵溆米鳠铺樟５奶砑觿?，而在我國對燒結(jié)陶粒的研究多采用污泥中加入粘土、粉煤灰的方法。吳蘇清燒制出孔隙率高、孔徑大的超輕污泥陶粒，仇心金收集了寧波地區(qū)產(chǎn)生的大量固體廢料，用均化、陳化、制粒、焙燒的實驗流程加以不同的原料配比制得高強和超輕陶粒。

1.6尾礦基陶粒

以工業(yè)尾礦為原料生產(chǎn)的陶制顆粒，不僅僅可以提高尾礦綜合效益，而且市場前景廣闊。李曉光使用燒結(jié)工藝制備輕質(zhì)陶粒，主要的流程如下：首先20 min將儀器加熱至400 ℃，再在1 140 ℃的條件下將原料（鐵尾礦）煅燒15 min，按如上步驟進行實驗，可制備符合國標的低硅鐵尾礦陶粒。朱曉麗等人將鐵尾礦與石灰石等物質(zhì)混合，經(jīng)過攪拌、制粒、烘干、燒焙、冷卻等步驟，制備出了鐵尾礦陶粒濾料。通過改變鐵尾礦含量、陶粒粒徑、焙燒溫度，得出了最優(yōu)產(chǎn)品：溫度是1 100 ℃、鐵尾礦含量是86%、粒徑是3～5 mm。王德民等采用從市場、某礦山、武漢等地收集得的鐵尾礦、黏土、SH粉等制備一種建筑陶粒，并研究了黏土含量、造孔劑含量對其性能的影響。趙威等人將從柞水縣、洛南縣、商州區(qū)等地購得的鐵尾礦、鉀長石、黏土作為原料，使用粉碎、過篩、磨粉、陳置的實驗流程制成成品，并研究了原料組成、發(fā)泡劑含量、燒焙溫度、原料種類對成品的影響。李楊等人采用從招遠、煙臺等地購得的黃金尾礦、膨潤土制備成品，燒結(jié)方法對陶瓷顆粒的吸水率、強度和充填密度的影響。趙威等人以商洛豐富的金礦尾礦為主要材料，添加少量的粘土和長石制備出了輕質(zhì)、高強度的陶瓷粉體，并對水分、尾礦含量、發(fā)泡劑含量和焙燒溫度等因素對產(chǎn)品性能的影響進行了研究。林慧等人把從贊比亞、萍鄉(xiāng)購得的銅尾礦、粉煤灰、高嶺土作為原料，并通過稱量、成粒、烘干、預熱、焙燒、冷卻的實驗流程制得高強陶粒，并通過正交實驗優(yōu)化出最佳的預熱溫度、時間、焙燒溫度及焙燒時間。

1.7廢渣基陶粒

隨著我國建筑、能源和礦產(chǎn)等重工業(yè)的快速發(fā)展，其產(chǎn)生的工業(yè)廢渣的數(shù)量也在以十億噸/年的速率增加，如何對其進行高效的資源化利用具有十分重要的意義。隨著陶粒工藝的不斷發(fā)展，從工業(yè)廢料中制備陶粒，不僅能使陶粒得到最大程度的利用，而且能有效地解決這種堆存帶來的環(huán)境污染問題。徐美娟等人把從寧波亞洲漿紙廠購得的灰色煤灰粉和污泥作為原料，采用配比—混合—成形—干燥—預熱—焙燒—冷卻的工藝流程，制備出了建筑用陶粒，并對干燥時間、燒結(jié)溫度、保溫時間、原料配比等進行了探討。徐雪麗等人把從寧波污水處理廠、寧波煉鋼廠購得的污泥和鋼渣作為原料，采用混合、制球、預熱、烘焙的低重金屬陶瓷顆粒的制備技術；陳偉以鋼渣為主要材料，對陶粒的制備技術進行了優(yōu)選，并通過燒結(jié)獲得了輕粗集料；王傳虎等人以石英砂尾渣、水磨石渣為原料成功制備出膨脹率達到60%、簡壓強度為10.5 MPa、堆積密度為925 kg/m3、吸水率為9.5%的高強陶粒。

2陶粒的制備工藝

2.1焙燒陶粒

焙燒陶粒的制作對工藝的要求比較嚴格，一般對原料的化學成分、礦物組成及其物理性能有一定的要求。除了要有基礎的氧化硅和氧化鋁原料外，還要有能夠在高溫下分解或生成氣體的成分，此外，還必須要有一種可以使燒成溫度更低，從而實現(xiàn)節(jié)能的助熔成分，也就是說必須要加入造孔劑和礦化劑。在早期，焙燒陶粒的原材料主要是粘土、頁巖等自然資源，但是最近幾年隨著土地資源的緊缺，許多地方都被禁止了粘土的使用，這導致了焙燒陶粒的原料逐漸變成了污泥、粉煤灰和尾礦等工業(yè)固廢。焙燒陶粒制備工藝一般由原材料預處理、混料、成球、烘干、預燒、高溫鍛燒以及冷卻等幾個環(huán)節(jié)組成，其中預燒及高溫鍛燒往往會對陶粒成品的性能產(chǎn)生很大的影響，所以必須對其進行嚴格控制。

2.2免燒陶粒

與傳統(tǒng)的焙燒陶粒相比，免燒陶粒對原材料的需求要小很多，通常由具有活性的工業(yè)固廢、膠凝材料作為原料，外加引氣劑等輔助材料來制備。與焙燒陶粒相比，免燒陶粒的制備工藝所需的能量比較少，它是通過原材料預處理、混料、成球、篩分、自然養(yǎng)護或蒸汽養(yǎng)護而制得的。

與鍛燒陶粒比較，免燒陶粒的優(yōu)點不僅在于它的制作所需能量較少，而且它的制作過程幾乎沒有任何的污染，更加的環(huán)保，而且因為用來制作免燒陶粒的原料大多是工業(yè)固體廢物，所以它的社會經(jīng)濟效益更好。當然，未鍛燒的陶粒也有其重大缺點，它們一般具有更高的密度、更低的強度和更高的吸收水分的特性。

針對建筑垃圾、污泥等廢棄物的資源化利用問題，趙媛媛等人對供水系統(tǒng)中的無焚燒殘泥進行了曝氣生物過濾的實驗，發(fā)現(xiàn)供水系統(tǒng)無焚燒殘泥陶粒較普通陶粒具有更好的生物親和力，對COD、氨氮、總氮的去除率更高，且具有更好的生物負載量，能夠為 BF中的有益菌群提供適宜的生長條件，并有助于微生物對水體中的污染物進行降解。徐悅清等以紡織污泥、水泥、粉煤灰為主要材料，制得的巖石在單向壓縮情況下的抗破壞能力約為7 MPa，吸水率低于20%，免燒陶粒的巖石在單向壓縮情況下的抗破壞能力為800 MPa。Wu等采用粉煤灰、水泥、石膏、生石灰等，以碳酸氫銨作為引氣劑，采用合適的造孔劑含量和升溫速度，制備出具有均一孔隙結(jié)構(gòu)的無燒結(jié)陶粒，對其吸聲特性進行了測試，結(jié)果表明該陶瓷顆粒具有較高的吸聲系數(shù)。

3陶粒的應用研究

脹燒陶粒具有質(zhì)量輕、吸聲降噪、恒溫、阻隔熱流等優(yōu)點，廣泛應用于工程建設中。李玉平等利用頁巖陶粒、水泥、纖維和發(fā)泡劑等配制出了一種輕集料混凝土，并對陶粒尺寸對其吸音特性的影響進行了試驗，結(jié)果表明：使用較大尺寸陶粒配制的混凝土由于其內(nèi)孔較大，吸音特性較好。Han等通過對陶粒混凝土蓄水型屋頂磚在已有房屋中的屋頂隔熱性能的研究，發(fā)現(xiàn)這種陶瓷顆粒型屋頂具有較好的隔熱效果，可以應用到已有房屋的屋頂上。

焙燒陶粒近幾年來在環(huán)保領域中得到了大量的使用，許立新等人選擇了以陶瓷顆粒為載體的微生物預處理澄陽江水，經(jīng)過20天的天然掛膜，CODcr的脫除率達到了30%。E.S.Melin用自己制作的陶粒處理過的腐殖質(zhì)廢水，結(jié)果顯示總有機碳的脫除率在18%～37%之間，而臭氧的脫除率在80%以上。陶粒除可用于曝氣生物過濾外，還可用作濕地、景觀水體等。余里杰采用陶粒作為底物，結(jié)合動物和復合植物構(gòu)建的復合浮床，對劣V類水環(huán)境中的硝酸鹽還原和去除機制進行了初步探討，結(jié)果顯示：陶粒作為一種新型的底物，不但可以為水生植物和微生物提供很好的生長底物，同時還具有自身的凈化作用。肖繼波等利用底泥、水泥及旱傘草根為主要材料，采用單因子及正交實驗制備出具有60.2%孔隙率、38.75%吸水率、1.280 g/cm3表觀密度，超過95%的除去含磷物質(zhì)的高效率除磷底泥陶粒，既可用作曝氣式生物過濾器，又可用作人工濕地、生態(tài)浮島、生態(tài)浮床等。

在農(nóng)業(yè)中使用的陶粒具有保水、排水、透氣性好、化學性質(zhì)穩(wěn)定等明顯優(yōu)勢，周靖淳等采用經(jīng)廢水處理的免燃燒粉煤灰陶粒種植青菜，研究結(jié)果表明，該技術不但能提高青菜的單產(chǎn)，還能防治蟲害，使農(nóng)作物莖稈粗壯、根系發(fā)達。陶粒在石化行業(yè)中使用最多的是一種陶瓷顆粒載體（陶粒砂），趙艷榮等將工業(yè)氧化鋁燒至一定溫度，并摻入高嶺土、菱鎂石按一定的配比配制高鋁陶瓷顆粒支撐劑。實驗證明，該陶瓷顆粒載體具有很好的耐沖擊性能，而且其酸溶度只有0.75%，具有很好的耐酸、耐堿性能。經(jīng)焙燒的陶粒還可以用于園林，可以用它來代替土壤來達到無土栽培，這種陶粒不僅保持了良好的肥力，還對環(huán)境友好、外形美觀。免燒陶粒可用于生產(chǎn)自保溫混凝土、輕質(zhì)墻體磚及保溫隔墻板等，黃麗華采用水泥、粉煤灰、聚苯發(fā)泡粉體、脲醛粉末等研制出一種“殼-核”式高強度免燒陶瓷顆粒和“殼-核”式絕熱陶瓷顆粒，其還可用于培養(yǎng)異養(yǎng)菌，從而達到去除化學需氧量和氨氮等有害物質(zhì)的量。劉子述等人以粉煤灰、污泥、水泥為主要原料，制備了一種可為微生物的生長繁殖提供合適環(huán)境的粉煤灰陶粒，經(jīng)過對比，免燒陶粒的性能優(yōu)于焙燒陶粒，其破碎率不到2%，并有利于微生物進行生命活動。

4結(jié)語

由于國家對土地資源的保護，傳統(tǒng)陶粒逐漸淡出大家的視野，固體廢棄物因其獨有的性能逐漸引起了學者的關注。工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、社交活動等人類活動均會產(chǎn)生固體廢料，這些廢料或無法處理，或需規(guī)劃大面積土地進行填埋處理，或需支出昂貴的處理費用，如果加以利用不僅可保護環(huán)境，節(jié)省大量資源，還可制成產(chǎn)品，創(chuàng)造新的經(jīng)濟效益。針對此，許多學者使用不同的原料，通過燒結(jié)等方式制備出了各種高性能的陶粒，使用固體廢棄物制備陶粒的思路有著光明的前景，然而其仍有許多問題亟需解決。

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