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，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、產能高等特點，制造出優(yōu)良的陶粒產品，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

陶粒是經過高溫燒結或者免燒工藝技術制備而成的顆粒或柱狀物體，因其具有質量較輕、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，產生了不錯的經濟效益。分別以原料和生產工藝為指標，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、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，陶粒的基質物質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，被從事環(huán)保、建筑、農業(yè)、園藝以及化工等行業(yè)的人員所需求。

張雨晴等人從內蒙古購買了黏土作為主要的原材料，并按照不同的質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碳酸鈣混合，經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?。鮑騰等人使用已經過磨粉處理的凹凸棒石、木材加工廠的附加產物鋸末（造孔劑）和水玻璃（粘結劑）為原料，經過攪勻、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、板巖等經磨粉、燒脹等工序而被制成陶粒，當前泥質陶瓷顆粒在生產文化石、輕骨料混凝土以及輕質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。根據實驗結果，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、技術最成熟的產品。

莎茹拉等以內蒙古熱電廠褐煤所產的煤灰粉為原料，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)電的副產物煤灰粉為主材料，摻入質量比為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、燒結溫度、燒結時間等，利用泥沙、煤矸石生產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。李虎杰等經過試驗得出如下結論：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物為原材料，或將其用作燒制陶粒的添加劑，而在我國對燒結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。李曉光使用燒結工藝制備輕質陶粒，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混合，經過攪拌、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、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、能源和礦產等重工業(yè)的快速發(fā)展，其產生的工業(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構的無燒結陶粒，對其吸聲特性進行了測試，結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，結果表明：使用較大尺寸陶粒配制的混凝土由于其內孔較大，吸音特性較好。Han等通過對陶?；炷列钏臀蓓敶u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廢水，結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，結合動物和復合植物構建的復合浮床，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。

在農業(yè)中使用的陶粒具有保水、排水、透氣性好、化學性質穩(wěn)定等明顯優(yōu)勢，周靖淳等采用經廢水處理的免燃燒粉煤灰陶粒種植青菜，研究結果表明，該技術不但能提高青菜的單產，還能防治蟲害，使農作物莖稈粗壯、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?？捎糜谏a自保溫混凝土、輕質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、日常生活、社交活動等人類活動均會產生固體廢料，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，還可制成產品，創(chuàng)造新的經濟效益。針對此，許多學者使用不同的原料，通過燒結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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