適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料及其制備方法

1527 編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng) 來(lái)源：山西大學(xué)

2022-06-21 16:32:07

權(quán)利要求

1.適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，其特征在于：包括煤基固廢、膠凝材料、發(fā)泡劑和水，其中，煤基固廢和膠凝材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：煤基固廢70-75%、膠凝材料25-30%；發(fā)泡劑占煤基固廢的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.062-0.075%；水占煤基固廢的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為60-75%。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，其特征在于：所述煤基固廢煤矸石、尾礦中的任意一種或兩種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，其特征在于：所述膠凝材料包括水泥、硅酸鈉、生石灰中的任意一種或由水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰組成的多組分膠凝材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，其特征在于：所述水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰的質(zhì)量百分比為：水泥41-45%、粉煤灰1%、高爐爐渣40-44%、硅灰14%。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，其特征在于：所述發(fā)泡劑包括鋁粉和雙氧水中的任意一種。

6.適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

第一步，準(zhǔn)備原料，將煤基固廢破碎并用球磨儀球磨至80目的細(xì)粉，按比例稱(chēng)取各組分；

第二步，混合原料制備漿體：將煤基固廢和膠凝材料混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為2000-3200r/min，攪拌均勻后，加入發(fā)泡劑，控制整個(gè)攪拌溫度為50-70℃，繼續(xù)攪拌3-5min；

第三步，漿體注模進(jìn)行發(fā)泡養(yǎng)護(hù)：將攪拌均勻的漿體倒入模具內(nèi)，覆膜并置于70℃恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行發(fā)泡并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；

第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)8-12小時(shí)后取出發(fā)泡體，脫去模具；

第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥14-18h，干燥完成后取出制塊，用破碎機(jī)破碎成顆粒狀；

第六步，篩分粒徑控制顆粒級(jí)配：將破碎后的顆粒用電動(dòng)篩篩分，控制顆粒粒徑范圍為1-3mm，所制即為可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料。

說(shuō)明書(shū)

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明屬于基固廢綜合利用及礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002]我國(guó)北方地區(qū)氣候特點(diǎn)主要以寒冷干燥為主，氣溫在-20℃至40℃范圍內(nèi)發(fā)生季節(jié)性變化，由于氣候特點(diǎn)所致，經(jīng)常性的發(fā)生凍融現(xiàn)象。凍融是因?yàn)槎練鉁氐停瑢?dǎo)致土壤表層溫度和部分深層土壤溫度在0℃左右循環(huán)性變化，土壤內(nèi)部水分以“液態(tài)-固態(tài)-液態(tài)”的形式發(fā)生相態(tài)變化并發(fā)生位置遷移，改變了土壤原有的結(jié)構(gòu)組成和微生物活性，影響地表的熱力學(xué)性質(zhì)和水文特征，對(duì)土壤氮素、碳素的釋放及生物地球循環(huán)過(guò)程造成一定影響，繼而影響到土壤的肥力和植物的生長(zhǎng)發(fā)育。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)存在凍融現(xiàn)象的地區(qū)面積多達(dá)七百多萬(wàn)平方千米，包括季節(jié)性?xún)鋈诤投嗄陜鋈?，后者主要集中在東北部地區(qū)和高海拔地區(qū)，即常年處于凍融作用的影響下。礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)目前主要集中在本身結(jié)構(gòu)的改善、重塑、礦區(qū)土壤肥力恢復(fù)以及相應(yīng)的土壤砷、鎘、鉻、鉛、鋅等重金屬元素的處理方面，其主要關(guān)注點(diǎn)在于水的保有量、流失率，植物的生長(zhǎng)情況以及重金屬的析出問(wèn)題，即礦區(qū)環(huán)境安全性。

[0003]凍融作用會(huì)破壞生態(tài)修復(fù)材料的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其性能發(fā)生一定的退化，且由于本身原料來(lái)源于煤基固廢、水泥等固廢，所以其受凍融作用的影響會(huì)發(fā)生一定的重金屬析出問(wèn)題。材料結(jié)構(gòu)的改變直接影響著礦區(qū)生態(tài)修復(fù)結(jié)果的好壞，包括礦區(qū)土壤的保水性能、抗流失性能、土壤容重、土壤強(qiáng)度以及土壤的透氣性能。

[0004]煤矸石等煤基固廢是煤炭開(kāi)采過(guò)程中及工業(yè)生成中常見(jiàn)的固體廢棄物，產(chǎn)量巨大，占地面積廣，處理難度大，隨意的堆積排放對(duì)堆放地的環(huán)境造成非常大的影響。研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石等煤基固廢的元素組成與土壤類(lèi)似，是一種天然的富含硅、鋁、鐵、硫、鈣等元素，且含有少量鉀、有機(jī)質(zhì)以及對(duì)植物生長(zhǎng)有益的微量元素的潛在性土壤替代品或者補(bǔ)充品，可將煤矸石與土壤結(jié)構(gòu)改善、土壤生態(tài)修復(fù)等結(jié)合起來(lái)，起到固廢的資源化處置與生態(tài)修復(fù)的協(xié)同化處理作用。

[0005]利用煤基固廢制備生態(tài)修復(fù)材料近年來(lái)成為研究的重點(diǎn)，而將這種材料與實(shí)際環(huán)境相結(jié)合的研究與專(zhuān)利報(bào)道較少，國(guó)內(nèi)專(zhuān)利“一種固廢基多孔材料、制備及用于煤矸石山生態(tài)修復(fù)的材料”（公開(kāi)號(hào)：CN112897972B）公開(kāi)了以煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、水泥等為原料，加入某種菌根菌固體菌劑，制備固廢基多孔材料，用于煤矸石山的生態(tài)修復(fù)。并未發(fā)現(xiàn)利用煤基固廢制備用于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)且具有一定環(huán)境適應(yīng)能力的材料的專(zhuān)利文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種利用煤矸石等煤基固廢制備具備疏松多孔結(jié)構(gòu)、擁有優(yōu)良保水性能、抗流失性能以及一定的抗凍融能力的可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，以解決礦區(qū)生態(tài)問(wèn)題及實(shí)際修復(fù)中所遇到的凍融現(xiàn)象。

[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，包括煤基固廢、膠凝材料、發(fā)泡劑和水，其中，煤基固廢和膠凝材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：煤基固廢70-75%、膠凝材料25-30%；發(fā)泡劑占煤基固廢的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.062-0.075%；水占煤基固廢的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為60-75%。

[0008]進(jìn)一步地，所述煤基固廢煤矸石、尾礦中的任意一種或兩種。

[0009]進(jìn)一步地，所述膠凝材料包括水泥、硅酸鈉、生石灰中的任意一種或由水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰組成的多組分膠凝材料。

[0010]進(jìn)一步地，所述水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰的質(zhì)量百分比為：水泥41-45%、粉煤灰1%、高爐爐渣40-44%、硅灰14%。

[0011]進(jìn)一步地，所述發(fā)泡劑包括鋁粉和雙氧水中的任意一種。

[0012]一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料的制備方法，包括如下步驟：

第一步，準(zhǔn)備原料，將煤基固廢破碎并用球磨儀球磨至80目的細(xì)粉，按比例稱(chēng)取各組分；

第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)8-12小時(shí)后取出發(fā)泡體，脫去模具；

第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥14-18h，干燥完成后取出制塊，用破碎機(jī)破碎成顆粒狀；

[0013]本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明利用煤矸石等煤基固廢制備用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料，既解決了煤基固廢資源化利用的問(wèn)題，又起到了以廢治廢的目的。本發(fā)明制備的固廢基生態(tài)修復(fù)的材料，具備非常好的孔隙結(jié)構(gòu)，具備一定的抗凍融能力，與同類(lèi)型的生態(tài)修復(fù)的材料相比，其抵抗凍融作用的影響是其最大特點(diǎn)。而本法所進(jìn)行的凍融操作是以模擬實(shí)際情況為主，具有一定的代表性。本法制備的生態(tài)修復(fù)材料，可以明顯改善礦區(qū)土壤的組成結(jié)構(gòu)、提高土壤的保水量、降低土壤流失率、改善土壤的透氣性，且能夠減輕凍融作用對(duì)其性能的影響，是一種潛力巨大的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)材料。本發(fā)明制備工藝和過(guò)程簡(jiǎn)單，原料及工藝成本低，可以進(jìn)行規(guī)?；纳a(chǎn)。

[0014]該生態(tài)修復(fù)材料主要以煤矸石等常見(jiàn)的煤基固廢為原料，就地取材，原材料數(shù)量巨大，成本較低，且制備成的生態(tài)修復(fù)材料主要用于礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)，不種植農(nóng)作物或其他可能進(jìn)入食物鏈的植物，只種植觀賞性或者有益于改善礦區(qū)生態(tài)的耐環(huán)境且易成活的植物，以此實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的修復(fù)和生態(tài)植被的恢復(fù)。該生態(tài)修復(fù)材料結(jié)構(gòu)疏松多孔，具有一定的保水性、抗流失性和環(huán)境安全性，對(duì)多種植物具有非常好的適用性，并且能夠抵抗環(huán)境因素的影響，特別是北方地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的凍融現(xiàn)象。

附圖說(shuō)明

[0015]圖1為本發(fā)明的制備方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的修復(fù)材料的微觀掃描電鏡圖Ⅰ；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的修復(fù)材料的微觀掃描電鏡圖Ⅱ；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的修復(fù)材料的微觀掃描電鏡圖Ⅲ；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制備的修復(fù)材料抗凍融性能測(cè)試圖。

具體實(shí)施方式

[0016]實(shí)施例1

本實(shí)施提供了一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料及其制備方法，具體制備方法為：

第一步，準(zhǔn)備原料：將煤矸石破碎并用球磨儀球磨至粒徑大小為80目的細(xì)粉，按比例分別稱(chēng)取煤矸石粉、水泥、鋁粉和水，即總重量以100計(jì)，其中煤矸石粉75%，水泥25%；鋁粉占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為0.075%，水占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為72%；

第二步，混合原料制備漿體：將稱(chēng)量好的原料均勻混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為3200r/min，均勻加入鋁粉，并控制整個(gè)攪拌溫度為65℃，繼續(xù)攪拌4min；

第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)10h后取出發(fā)泡體，脫去模具；

第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥16h，干燥完成后取出制塊，用破碎機(jī)破碎成顆粒狀；

[0017]從圖2、圖3和圖4可知，從微觀上揭示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是充滿(mǎn)著針織網(wǎng)狀的疏松多孔結(jié)構(gòu)。

[0018]實(shí)施例2

本實(shí)施提供了一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料及其制備方法，具體制備方法為：

第一步，準(zhǔn)備原料：將煤矸石破碎并用球磨儀球磨至粒徑大小為80目的細(xì)粉，按比例分別稱(chēng)取煤矸石粉、水泥、鋁粉和水，即總重量以100計(jì)，其中煤矸石粉70%，水泥30%；鋁粉占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為0.072%，水占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為65%；

第二步，混合原料制備漿體：將稱(chēng)量好的原料均勻混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為2800r/min，均勻攪拌均勻后加入鋁粉，并控制整個(gè)攪拌溫度為70℃，繼續(xù)攪拌4min；

第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)9h后取出發(fā)泡體，脫去模具；

第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥16h，干燥完成后取出制塊，用破碎機(jī)破碎成顆粒狀；

[0019]實(shí)施例3

本實(shí)施提供了一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的材料及其制備方法，具體制備方法為：

第一步，準(zhǔn)備原料：將尾礦破碎并用球磨儀球磨至粒徑大小為70目的細(xì)粉，按比例分別稱(chēng)取尾礦粉、水泥、鋁粉和水，即總重量以100計(jì)，其中尾礦粉72%，水泥28%，鋁粉占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為0.07%，水占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為67%；

第二步，混合原料制備漿體：將稱(chēng)量好的原料均勻混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為2800r/min，均勻攪拌均勻后加入鋁粉，并控制整個(gè)攪拌溫度為60℃，繼續(xù)攪拌4min；

第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)12小時(shí)后取出發(fā)泡體，脫去模具；

第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥16h，干燥完成后取出制塊，用破碎機(jī)破碎成顆粒狀；

[0020]表1 實(shí)施例產(chǎn)品的性能指標(biāo)

“?——”表示未檢測(cè)。

[0021]表2為本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)品安全性能測(cè)試圖，通過(guò)產(chǎn)品凍融前和凍融后重金屬的析出情況來(lái)說(shuō)明其具備一定的安全性能，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-2018）中關(guān)于各重金屬的含量要求。

[0022]表2