阅读说明：本技术 一种脱硫渣地聚物及其制备方法和应用 (Desulphurization residue geopolymer and preparation method and application thereof ) 是由 程志 程志军 郭宏 刘兰 贺磊 马哲 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种脱硫渣地聚物及其制备方法和应用,属于地聚物材料技术领域。本发明提供的脱硫渣地聚物包括以下重量份的制备原料：脱硫渣47～55份；硅灰7～11份；由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液25～45份,所述水玻璃和NaOH溶液的质量比为(1～2.5)：1,所述NaOH溶液的浓度为10～14mol/L。本发明以脱硫渣为基体材料制备地聚物,可大量消耗脱硫渣,提高脱硫渣的利用率；同时利用脱硫渣含有丰富SiO<Sub>2</Sub>和Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>的特点,配以硅灰、水玻璃和NaOH溶液,科学地设计各组分添加量,制备得到的脱硫渣地聚物力学性能优异,28天的抗压强度达到30Mpa以上,可以作为建筑材料使用。(The invention provides a desulphurization residue geopolymer and a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of geopolymer materials. The desulphurization residue geopolymer provided by the invention comprises the following preparation raw materials in parts by weight: 47-55 parts of desulfurization slag; 7-11 parts of silica fume; 25-45 parts of mixed feed liquid prepared from water glass and a NaOH solution, wherein the mass ratio of the water glass to the NaOH solution is (1-2.5): 1, wherein the concentration of the NaOH solution is 10-14 mol/L. The invention takes the desulfurized slag as the base material to prepare the geopolymer, can consume a large amount of desulfurized slag, and improve the utilization rate of the desulfurized slag; simultaneously utilizes the desulfurization slag to contain rich SiO 2 And Al 2 O 3 The preparation method has the characteristics that the silicon ash, the water glass and the NaOH solution are matched, the addition amount of each component is scientifically designed, the mechanical property of the prepared desulphurization slag geopolymer is excellent, the 28-day compressive strength reaches more than 30Mpa, and the desulphurization slag geopolymer can be preparedFor use as a building material.)

一种脱硫渣地聚物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及地聚物材料技术领域，具体涉及一种脱硫渣地聚物及其制备方法和应用。

背景技术

循环流化床锅炉具有良好的经济和环保效益，是火电厂发展前景最广阔的燃煤技术之一，但它的推广和使用产生了大量脱硫渣。脱硫渣的大量堆放，在占用土地资源的同时，也会导致大气、水、土壤等污染问题。对于脱硫渣的利用，目前还处于初步探索阶段，尚未建立起完善的理论和实现大规模资源化利用。因此，开展循环流化床脱硫渣资源化利用研究，对于火电厂、城市环境、社会的整体发展都具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脱硫渣地聚物及其制备方法和应用，本发明以脱硫渣为基体材料制备脱硫渣地聚物，可大量消耗脱硫渣，提高脱硫渣的利用率，且所述脱硫渣地聚物具有较好的力学性能，可以作为建筑材料使用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种脱硫渣地聚物，包括以下重量份的制备原料：

脱硫渣47～55份；

硅灰7～11份；

由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液25～45份，所述水玻璃和NaOH溶液的质量比为(1～2.5)：1，所述NaOH溶液的浓度为10～14mol/L。

优选地，包括以下重量份的制备原料：

脱硫渣50～52份；

硅灰8～10份；

由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液27～40份。

优选地，所述水玻璃的模数为3.2～3.4，Na₂O的质量含量为8.1～8.6％，SiO₂的质量含量为25.7～27.3％。

优选地，所述脱硫渣为循环流化床脱硫渣，化学成分包括42.20～45.32wt％的SiO₂、26.32～27.15wt％的Al₂O₃、10.12～11.21wt％的CaO、5.62～6.35％wt的SO₃和余量Fe₂O₃。

优选地，所述脱硫渣的粒度小于80μm，比表面积为600～650m²/kg。

本发明提供了上述技术方案所述脱硫渣地聚物的制备方法，包括以下步骤：

将脱硫渣和硅灰混合，加入由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液，得到地聚物浆料；

将所述地聚物浆料依次进行成型和养护，得到脱硫渣地聚物。

优选地，所述脱硫渣在使用前依次进行球磨和筛分，所述球磨的时间为50～60min，筛分所采用的方孔筛的孔径为80μm。

优选地，所述成型为振动成型，所述振动成型的时间为30～35s。

优选地，所述养护包括依次进行的蒸汽养护和自然养护；所述蒸汽养护的温度为45～65℃，蒸汽养护的时间为8～10h；所述自然养护在室温条件下进行，自然养护的时间为28天。

本发明提供了上述技术方案所述脱硫渣地聚物或上述技术方案所述制备方法制备得到的脱硫渣地聚物作为建筑材料的应用。

本发明提供了一种脱硫渣地聚物，包括以下重量份的制备原料：脱硫渣47～55份；硅灰7～11份；由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液25～45份，所述水玻璃和NaOH溶液的质量比为(1～2.5)：1，所述NaOH溶液的浓度为10～14mol/L。本发明以脱硫渣为基体材料制备地聚物，可大量消耗脱硫渣，提高脱硫渣的利用率，从而有效改善目前脱硫渣大量堆积、无法得到有效利用的现状；同时利用脱硫渣含有丰富SiO₂和Al₂O₃的特点，配以硅灰、水玻璃和NaOH溶液，科学地设计各组分添加量，制备得到的脱硫渣地聚物力学性能优异，28天的抗压强度都达到了30Mpa以上，可以作为建筑材料使用，甚至可以在某些领域替代水泥，如用于制作灌浆料、路面透水砖以及防火涂料等，成本更低，具有更好的经济和社会效益，同时也缓解火电厂废渣排放及水泥生产带来的资源和环境问题。

本发明提供了所述脱硫渣地聚物的制备方法，工艺简单，需要设备少，成本低，可以大量处理脱硫渣，从而有效改善目前脱硫渣大量堆积、无法得到有效利用的现状。

具体实施方式

本发明提供了一种脱硫渣地聚物，包括以下重量份的制备原料：

脱硫渣47～55份；

硅灰7～11份；

由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液25～45份，所述水玻璃和NaOH溶液的质量比为(1～2.5)：1，所述NaOH溶液的浓度为10～14mol/L。

在本发明中，以重量份计，所述脱硫渣地聚物的制备原料包括脱硫渣47～55份，优选为50～52份。本发明对所述脱硫渣的来源没有特殊的限定，任意来源均可，具体可以为循环流化床脱硫渣，化学成分优选包括42.20～45.32wt％的SiO₂、26.32～27.15wt％的Al₂O₃、10.12～11.21wt％的CaO、5.62～6.35％wt的SO₃和余量Fe₂O₃。本发明优选将脱硫渣过孔径为80μm的方孔筛，取筛下部分使用，其比表面积优选为600～650m²/kg；较大的比表面积，使其具有较高的活性，从而有利于在硅灰、水玻璃和NaOH溶液作用下制备得到性能优异的脱硫渣地聚物，同时还实现了脱硫渣的资源化利用，节约能源，保护环境。

地质聚合物(简称“地聚物”)是一种以富含活性硅铝质的天然矿物或者工业固体废弃物为原料，在化学激发作用下将原有单体结构溶解，产生聚合的Si-O-Al键，并通过共享的氧原子交替连接形成含有硅四面体(Si(OH)₄ ^-)和铝四面体(Al(OH)₄ ^-)的具有三维立体网状结构的无机聚合物，其性能与水泥基建筑材料相同，具有优良的力学性能和防火性能。此外，与传统的普通硅酸盐水泥相比，地聚物通常可以减少80％或更多的CO₂排放，所需能源大约减少60％，生产工艺更简单，因此地聚物可以被看作是一种“环保水泥”。循环流化床脱硫灰渣含有丰富的SiO₂和Al₂O₃，具备制备地聚物的物质条件。本发明优选采用循环流化床脱硫渣制备地聚物，在实现循环流化床脱硫渣资源化利用的同时，拓宽了地聚物的制备思路，具有重要的学术价值和社会意义。

在本发明中，以所述脱硫渣的重量份数为基准，所述脱硫渣地聚物的制备原料包括硅灰7～11份，优选为8～10份。在本发明中，所述硅灰中SiO₂质量含量优选大于95％。本发明对于所述硅灰的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。本发明利用硅灰调节SiO₂的含量，有利于形成硅氧四面体，增强脱硫渣地聚物的力学性能。

在本发明中，以所述脱硫渣的重量份数为基准，所述脱硫渣地聚物的制备原料包括由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液25～45份，优选为27～40份，进一步优选为30～35份。在本发明中，所述混合料液中水玻璃和NaOH溶液的质量比为(1～2.5)：1，优选为(1～1.5)：1；所述NaOH溶液的浓度优选为10～14mol/L，更优选为12mol/L；所述水玻璃的模数优选为3.2～3.4，更优选为3.3，Na₂O的质量含量优选为8.1～8.6％，更优选为8.3％，SiO₂的质量含量优选为25.7～27.3％，更优选为26.5％。在本发明中，NaOH溶液能够为体系提供碱度，提高活性反应单体的溶出量，有利于充分发挥脱硫渣的火山灰活性；水玻璃能够为体系提供SiO₃ ^2-，与溶出的活性反应单体生成水化产物C-S-H、C-A-S-H和N-A-S-H等，有利于提高脱硫渣地聚物的力学性能；采用上述浓度及质量比的水玻璃和NaOH溶液配合使用，能够充分发挥各组分活性，有利于得到高强度的脱硫渣地聚物。

本发明提供了上述技术方案所述脱硫渣地聚物的制备方法，包括以下步骤：

将脱硫渣和硅灰混合，加入由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液，得到地聚物浆料；

将所述地聚物浆料依次进行成型和养护，得到脱硫渣地聚物。

本发明将脱硫渣和硅灰混合，加入由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液，得到地聚物浆料。在本发明中，较小的粒度有利于提高脱硫渣的比表面积，进而使其具有较高的活性，当脱硫渣的粒度不满足要求时，所述脱硫渣在使用前优选依次进行球磨和筛分，取筛下部分备用；所述球磨的时间优选为50～60min，筛分所采用的方孔筛的孔径优选为80μm。

本发明将脱硫渣和硅灰混合后再加入由水玻璃和NaOH溶液配制的混合料液，有利于保证各组分充分混合均匀。本发明优选将脱硫渣和硅灰搅拌混合均匀，然后在搅拌条件下缓慢加入所述混合料液，搅拌混合均匀，得到地聚物浆料。本发明对于上述混合过程中的搅拌速率以及混合料液的加入速率没有特殊的限定，保证各组分充分混合均匀即可。

得到地聚物浆料后，本发明将所述地聚物浆料依次进行成型和养护，得到脱硫渣地聚物。在本发明中，所述成型优选为振动成型，所述振动成型的时间优选为30～35s，更优选为30s。在本发明的实施例中，具体是将所述地聚物浆料装入模具中，放置在振动台上进行振动成型。

在本发明中，所述养护优选包括依次进行的蒸汽养护和自然养护；所述蒸汽养护的温度优选为45～65℃，具体可以为45℃、55℃或65℃，蒸汽养护的时间优选为8～10h，具体可以为8h、9h或10h，所述蒸汽养护优选在蒸汽养护箱中进行；所述自然养护优选在室温条件下进行，本发明所述室温具体是指25℃，自然养护的时间优选为28天。在本发明的实施例中，具体是将成型后的材料连带模具一起置于蒸汽养护箱中进行蒸汽养护，蒸汽养护完成后，取出拆模后，将所得材料在室温条件下养护28天，得到脱硫渣地聚物。

本发明提供了上述技术方案所述脱硫渣地聚物或上述技术方案所述制备方法制备得到的脱硫渣地聚物作为建筑材料的应用。在本发明中，所述脱硫渣地聚物具有优异的力学性能，可以作为建筑材料使用，甚至可以在某些领域替代水泥，如用于制作灌浆料、路面透水砖以及防火涂料等，成本更低，具有更好的经济和社会效益，同时也缓解火电厂废渣排放及水泥生产带来的资源和环境问题。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1～3

对循环流化床脱硫渣进行回收、存放，避免脱硫渣与其它杂物混合或受到污染；将脱硫渣球磨55min，通过80μm方孔筛，取筛下部分(比表面积为630m²/kg)装袋备用；所述脱硫渣化学成分包括42.20～45.32wt％的SiO₂、26.32～27.15wt％的Al₂O₃、10.12～11.21wt％的CaO、5.62～6.35％wt的SO₃和余量Fe₂O₃；

将市售分析纯NaOH溶于去离子水，配制得到浓度为12mol/L的NaOH溶液，在室温条件下，向市售工业级水玻璃(模数为3.3，Na₂O＝8.3％，SiO₂＝26.5％)中加入所述NaOH溶液，搅拌混合均匀后冷却至室温，得到混合料液；

将硅灰与脱硫渣搅拌混合均匀，然后在搅拌条件下缓慢加入所述混合料液，搅拌混合均匀，得到地聚物浆料；

将所述地聚物浆料装入模具中，放置在振动台上振动30s成型；成型后，放入蒸汽养护箱中进行蒸汽养护9h；取出拆模后，在室温条件下养护28天，得到脱硫渣地聚物。

实施例1～3中各制备原料的用量以及蒸汽养护的温度具体见表1。

表1实施例1～3中脱硫渣地聚物的制备原料配比和蒸汽养护温度

对实施例1～3制备的脱硫渣地聚物进行力学性能测试，其中，抗折强度和抗压强度测试参照的标准是《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)，具体结果见表2。

表2实施例1～3制备的脱硫渣地聚物的力学性能测试结果

由表2可知，本发明利用脱硫渣制备的脱硫渣地聚物具有优异的力学性能，28天的抗压强度达到30Mpa以上，可以作为建筑材料使用，同时为脱硫渣的综合利用提供新途径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。