拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法以及混凝土掺合料
阅读说明：本技术 拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法以及混凝土掺合料 (Method for producing cementing material from Bayer process red mud and concrete admixture ) 是由 蒋旭峰 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：一种拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法以及一种混凝土掺合料,上述方法包括如下步骤：S1还原处理：向拜耳法赤泥中添加铁还原细菌,将拜耳法赤泥中的Fe～(3+)还原至磁铁矿,制得赤泥基体；S2失水处理：赤泥基体失水至含水率为10～15％；S3混合处理：失水后的赤泥基体与钢渣颗粒混合,形成混合物；S4后序处理：混合物破碎、磁选、粉磨形成胶凝材料。混凝土掺合料包括上述方法制备的胶凝材料。本发明中拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法实现了对于废渣拜耳法赤泥以及钢渣的再利用,减少了拜耳法赤泥以及钢渣造成的资源浪费和环境污染。制备形成的胶凝材料作为混凝土掺合料,应用在混凝土的制备中能显著提高了混凝土的强度。(A method for producing a cementing material by Bayer process red mud and a concrete admixture, the method comprises the following steps: s1 reduction treatment: adding iron reducing bacteria into the Bayer process red mud to reduce Fe in the Bayer process red mud 3+ Reducing to magnetite to prepare a red mud matrix; s2 dehydration treatment: dehydrating the red mud matrix until the water content is 10-15%; s3 mixing treatment: mixing the dehydrated red mud matrix with steel slag particles to form a mixture; s4 subsequent processing: the mixture is crushed, magnetically separated and ground to form the gel material. The concrete admixture comprises the gelled material prepared by the method. The method for producing the cementing material by using the Bayer process red mud realizes the reutilization of the waste residue Bayer process red mud and the steel slag, and reduces the resource waste and the environmental pollution caused by the Bayer process red mud and the steel slag. The prepared gelled material is used as a concrete admixture and applied to the preparation of concrete, and the strength of the concrete can be obviously improved。)
技术领域
本发明涉及赤泥的处理技术领域，具体涉及一种拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法以及一种混凝土掺合料。
背景技术
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，一般平均每生产1吨氧化铝，附带产生1.0～2.0吨赤泥。全世界每年约排放赤泥6000万吨，其综合利用率仅为15％左右。目前，氧化铝的生产方法主要有烧结法、拜耳法和联合法三种，在这三种赤泥中，烧结法赤泥和联合法赤泥中氧化钙和二氧化硅含量较高，适宜制造建筑材料，综合利用率相对较高，拜耳法赤泥中富含Fe(OH)3凝胶和Al(OH)3凝胶，使得赤泥的保水性较强，不易干燥，脱水能耗大，40年以来，许多国家就拜尔法赤泥的综合利用提出了几十种方法，但绝大多数没有达到工业生产的要求，因而拜耳法赤泥的综合利用率在三种赤泥中最低，几乎没有得到有效利用。
中国作为氧化铝生产大国，每年排放的赤泥高达数百万吨。大量的赤泥不能充分有效的利用，只能依靠大面积的堆场堆放，赤泥的堆积不仅占有土地资源，而且赤泥中的碱、钠、铝、氟化物以及稀有金属等，将会随着渗滤液进入地下水，对人体造成一定的伤害。此外，赤泥的高碱性也会污染水质，对人和动植物产生一定危害。赤泥的产生已经对人类的生产、生活造成多方面的直接和间接的影响，所以最大限度的减少赤泥的产量和危害，实现多渠道、大数量的资源化已迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能有效利用拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法以及利用拜耳法赤泥转化的混凝土掺合料。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法，包括如下步骤：
S1还原处理：向拜耳法赤泥中添加铁还原细菌，将拜耳法赤泥中的Fe3+还原至磁铁矿，制得赤泥基体；
S2失水处理：赤泥基体失水至赤泥基体中的含水率为10～15％；
S3混合处理：失水后的赤泥基体与钢渣颗粒混合，形成混合物；
S4后序处理：混合物破碎、磁选、粉磨形成胶凝材料。
优选地，所述S1还原处理中的铁还原细菌为希瓦氏菌属的Shewanellapiezotolerans WP3，所述Shewanellapiezotolerans WP3菌株在高压容器中还原拜耳法赤泥中的Fe3+。
优选地，所述S1还原处理中添加的铁还原细菌为Shewanellapiezotolerans WP3菌株的培养液，所述培养液中，Shewanellapiezotolerans WP3菌株的浓度为107CFU/ml到106CFU/ml，所述S1还原处理中添加的所述培养液的质量为所述拜耳法赤泥质量的3％～8％。
优选地，所述S1还原处理添加的所述培养液中Shewanellapiezotolerans WP3菌株的浓度为106CFU/ml，所述培养液质量为所述拜耳法赤泥质量的5％。
优选地，所述S1还原处理中，所述高压容器中的静水压力为1～5MPa，所述高压容器内的温度为10～15℃。
优选地，所述S1还原处理中，Shewanellapiezotolerans WP3菌株与拜耳法赤泥在高压容器中的反应时间为47～72h。
优选地，所述S2失水处理为将赤泥基体自然堆放3～5天，至赤泥基体中的含水率为10～15％。
优选地，所述S3混合处理中赤泥基体与钢渣颗粒的质量比为2:1。
优选地，所述S3混合处理中的钢渣颗粒为高碱度钢渣颗粒，所述钢渣颗粒的碱度不低于3mmol/L，粒径为3～5mm。
优选地，所述S3混合处理中钢渣颗粒的温度150～200℃。
优选地，所述S4后序处理中的粉磨为立磨粉磨，立磨中热风温度为600～800℃，混合物立磨粉磨至比表面积为400～500m2/kg。
一种混凝土掺合料，包括上述任意一项方法制得的胶凝材料。
优选地，混凝土掺合料包括水泥，胶凝材料用于取代5％-20％的水泥，即混凝土掺合料中水泥与胶凝材料的质量比4:1到19:1。
本发明中拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法，通过铁还原细菌对拜耳法赤泥进行生化处理，使Fe3+转化为磁铁矿颗粒，分解赤泥中的Fe(OH)3凝胶，再通过失水处理、混合处理进一步脱除赤泥中的水分，最终通过后续的破碎、磁选、粉磨制得胶凝材料。本方法中生化处理的还原方法无污染，且后续的脱水处理不耗能，同时有效利用了工业固废钢渣。
本发明还提供一种混凝土掺合料，包括采用上述方法制备形成的胶凝材料，应用在混凝土的制备过程中显著提高了混凝土的强度，具有非常好的应用效果。本发明耗能少，可推广性强，实现了对于工业污染性废渣拜耳法赤泥以及工业固废钢渣的再利用，减少了拜耳法赤泥以及钢渣造成的资源浪费、环境压力以及对人生活的影响。
具体实施方式
以下结合给出的实施例一～三，进一步说明本发明拜耳法赤泥生产胶凝材料以及一种混凝土掺合料的具体实施方式。本发明拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法以及一种混凝土掺合料不限于以下实施例的描述。
实施例一：
本实施例提供一种拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法，依次包括S1还原处理、S2失水处理、S3混合处理和S4后续处理。其中S1还原处理的具体操作为：向拜耳法赤泥中添加铁还原细菌，将拜耳法赤泥中的Fe3+还原至磁铁矿，制得赤泥基体；S2失水处理的具体操作为：赤泥基体失水至赤泥基体中的含水率为10～15％；S3混合处理的具体操作为：失水后的赤泥基体与钢渣颗粒混合，形成混合物；S4后序处理的具体操作为：将混合物依次经由破碎、磁选和粉磨最终形成胶凝材料。
拜耳法赤泥中富含大量的Fe(OH)3胶体，Fe(OH)3胶体中存在大量的Fe3+，经检测，本实施例选用的拜耳法赤泥的成分具体为Al2O3为14.3％，Fe2O3(Fe3+的总含量以Fe2O3的形式表征)为57.0％，SiO2为5.95％，Na2O为3.4％，当然，本实施例拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法不限于该组分的赤泥，本实施例中的方法可应用在不同组分形式的拜耳法赤泥中。通过S1还原处理步骤在铁还原细菌的作用下，将拜耳法赤泥中的Fe3+还原为磁性较强的磁铁矿颗粒，本实施例中的铁还原细菌为希瓦氏菌属的Shewanellapiezotolerans WP3，Shewanellapiezotolerans WP3菌株在高压环境下具有还原性，可将Fe3+还原为磁铁矿颗粒。当然也可以采用其它的铁还原细菌。
具体的，取用100公斤的拜耳法赤泥置于高压容器中，向高压容器中加入Shewanellapiezotolerans WP3菌株的培养液，培养液中Shewanellapiezotolerans WP3菌株的浓度为106CFU/ml，加入的培养液的质量为赤泥质量的3％，即加入的培养液的质量为3公斤。高压容器的静水压力控制在1～5MPa之间，高压容器内温度保持在10～15℃之间，反应60h后，拜耳法赤泥中的Fe3+在高压环境下还原完全，磁铁矿粒子在高压环境中成核长大，具有一定的粒度。随着赤泥中Fe(OH)3凝胶含量的不断降低，赤泥的保水性显著下降，粘度降低，赤泥中的水分自然沉降，高压容器中得到赤泥基体。
赤泥基体脱离高压容器，使其处于常压的环境中，ShewanellapiezotoleransWP3菌株在常压的环境下会失去还原活性，不会对赤泥的后续应用产生影响。将赤泥基体自然堆放3天，至赤泥基体的含水量降低至10～15％，完成S2失水处理。当然，本实施例中S2失水处理也可借助于离心机等去除赤泥基体中的水分，但该种方式的耗能较高。
失水后的赤泥基体与钢渣颗粒混合进行S3混合处理，该钢渣颗粒为高碱度钢渣颗粒，碱度为3mmol/L，粒径为3～5mm，本实施例中的钢渣颗粒的碱度要求不低于3mmol/L，钢渣的碱度越高，则钢渣的活性越大，现在产业中大型钢厂的转炉钢渣碱度一般均为3mmol/L以上，故本实施例对于工业生产中大部分的钢渣均可采用。
赤泥与钢渣颗粒按照质量比为2:1混合，并且钢渣颗粒加热至温度为150～200℃，赤泥与钢渣颗粒混合，较高温度的钢渣颗粒使赤泥中的水分蒸发，并且多孔的钢渣颗粒会吸收赤泥中的水分，使赤泥中的水分大幅度降低，钢渣颗粒和赤泥的混合物整体呈现粉状物料的物理性状。
本实施例中的方法不仅实现了废渣拜耳法赤泥的再利用，而且还解决了一部分工业固废钢渣的排放问题，减少了拜耳法赤泥与钢渣所造成的资源浪费和环境污染。
对钢渣与赤泥的混合物破碎，然后磁选，以去除赤泥中的磁铁矿粒子和钢渣颗粒中单质铁颗粒，磁选后的赤泥与钢渣混合物料进入立磨粉磨，粉磨至比表面积为400～500m2/Kg，即为胶凝材料。
胶凝材料中以硅氧化物和铝氧化物为主，与粉煤灰相似，胶凝材料的可溶性碱含量较高，对钢渣的火山灰反应具有一定的激发作用。上述胶凝材料可作为混凝土掺和料，其活性介于粉煤灰和矿粉之间。由于水泥的混合材料与混凝土掺合料的成分相似，故本实施例所制备形成的胶凝材料也可应用为水泥的混合材料。
实施例二
S1还原处理：取用100公斤的拜耳法赤泥置于高压容器中，向高压容器中加入Shewanellapiezotolerans WP3菌株的培养液，培养液中Shewanellapiezotolerans WP3菌株的浓度为107CFU/ml，加入的培养液的质量为赤泥质量的5％，即加入的培养液的质量为5公斤。高压容器的静水压力控制在1～5MPa之间，高压容器内温度控制在10～15℃，反应48h后，拜耳法赤泥中的Fe3+还原完全，形成赤泥基体。
S2失水处理：赤泥基体脱离高压容器，使其处于常压的环境中，Shewanellapiezotolerans WP3菌株在常压的环境下失去还原活性。将赤泥常温常压下基体自然堆放4天，至赤泥基体的含水量降低至10～15％。
S3混合处理：失水后的赤泥基体与钢渣颗粒混合，该钢渣颗粒为高碱度钢渣颗粒，钢渣颗粒的碱度为4mmol/L，粒径为3～5mm，赤泥与钢渣颗粒按照质量比为2:1混合，并且钢渣颗粒的温度为150～200℃，混合后，赤泥中的水分大幅度降低，钢渣颗粒和赤泥的混合物整体呈现粉状物料的物理性状。
S4后序处理：对钢渣与赤泥的混合物破碎，然后磁选，去除赤泥中的磁铁矿粒子和钢渣颗粒中单质铁颗粒，磁选后的赤泥与钢渣混合物料进入立磨粉磨，粉磨至比表面积为400～500m2/Kg，即为胶凝材料。
上述胶凝材料可作为水泥的混合材料或混凝土掺和料，其活性介于粉煤灰和矿粉之间。
实施例三
S1还原处理：取用100公斤的拜耳法赤泥置于高压容器中，向高压容器中加入Shewanellapiezotolerans WP3菌株的培养液，培养液中Shewanellapiezotolerans WP3菌株的浓度为106CFU/ml，加入的培养液的质量为赤泥质量的8％，即加入的培养液的质量为8公斤。高压容器的静水压力控制在1～5MPa之间，高压容器内温度控制在10～15℃，反应47h后，拜耳法赤泥中的Fe3+还原完全，形成赤泥基体。
S2失水处理：赤泥基体从高压容器中取出，使其处于常压的环境中，Shewanellapiezotolerans WP3菌株在常压的环境下失去还原活性。将赤泥基体自然堆放5天，至赤泥基体的含水量降低至10～15％。
S3混合处理：失水后的赤泥基体与钢渣颗粒混合，该钢渣颗粒为高碱度钢渣颗粒，钢渣颗粒的碱度为3mmol/L，粒径为3～5mm，赤泥与钢渣颗粒按照质量比为2:1混合，并且钢渣颗粒的温度均在150～200℃之间，混合后，赤泥中的水分大幅度降低，钢渣颗粒和赤泥的混合物整体呈现粉状物料的物理性状。
S4后序处理：对钢渣与赤泥的混合物破碎，然后磁选，以去除赤泥中的磁铁矿离粒子和钢渣颗粒中单质铁颗粒，磁选后的赤泥与钢渣混合物料进入立磨粉磨，粉磨至比表面积为400～500m2/Kg，即为胶凝材料。
上述胶凝材料可作为水泥的混合材料或混凝土掺和料，其活性介于粉煤灰和矿粉之间。
按照实施例一～实施例三制得胶凝材料，其中，实施例一～实施例三中S1还原处理的步骤中，Shewanellapiezotolerans WP3菌株培养液的加入质量分别为拜耳法赤泥质量的3％、5％和8％，还原处理中的反应完全所需时间分别为60h、48h和47h，Shewanellapiezotolerans WP3菌株培养液加入质量越多，还原处理中的反应所需时间越短，但加入拜耳法赤泥质量8％的Shewanellapiezotolerans WP3菌株培养液相较于加入拜耳法赤泥质量5％的Shewanellapiezotolerans WP3菌株培养液反应时间只缩短了1小时，故本实施例的方法中Shewanellapiezotolerans WP3菌株培养液(菌株浓度106CFU/ml)的加入质量优选为拜耳法赤泥质量的5％。
将实施例一～实施例三所制备得到的胶凝材料以10％的水泥取代量，作为混凝土掺合料配置混凝土，并对所配置形成的混凝土进行强度测试，测试结果如表1：
样品
7天抗压强度
28天抗压强度
空白
33.5
45.2
实施例一
38.7
52.8
实施例二
38.5
52.4
实施例三
39.5
53.8
表1
上述测试结果可以看出，将实施例所制备的胶凝材料作为混凝土掺合料配置的混凝土7天强度相比于空白实验中的混凝土提高了15～18％，28天强度提高了15～20％，因此采用实施例中的方法所制备得到的胶凝材料在建筑行业具有非常好的应用效果。
采用本方法对拜耳法赤泥实现再利用，拜耳法赤泥中Fe3+采用生化处理方法实现还原，无污染，失水处理、混合处理和后序处理的工序均较简单，无需耗费大量能源，因此拜耳法赤泥生产胶凝材料的方法可广泛应用。
本发明还提供一种混凝土掺合料，包括采用上述方法制备形成的胶凝材料，应用在混凝土的制备过程中显著提高了混凝土的强度，具有非常好的应用效果。本发明耗能少，可推广性强，实现了对于工业污染性废渣拜耳法赤泥以及工业固废钢渣的再利用，减少了拜耳法赤泥以及钢渣造成的资源浪费、环境压力以及对人生活的影响。优选的，所述的胶凝材料作为混凝土掺合料时，取代5％-20％的水泥取代量，即降低成本同时又能提高混凝土的强度，更优选10％的水泥取代量。即混凝土掺合料中，水泥与本发明的拜耳法赤泥生产胶凝材料的优选质量比为4:1到19:1，更优选的质量比为9:1。当然其它的比例范围的采用本发明的拜耳法赤泥生产胶凝材料的混凝土掺合料也属于本发明的保护范围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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