嚴(yán)義云，嚴(yán) 群，羅仙平，焦向科，徐 晶

（1. 江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州 341000；2. 江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 江西 贛州 341000；3. 江西理工大學(xué)工程研究院， 江西 贛州 341000；4. 江西理工大學(xué)江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

養(yǎng)護(hù)制度對(duì)稀土尾礦陶粒強(qiáng)度的影響及其用作濾料的研究

嚴(yán)義云1，嚴(yán) 群2，羅仙平3, 4，焦向科3, 4，徐 晶1

（1. 江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州 341000；2. 江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 江西 贛州 341000；3. 江西理工大學(xué)工程研究院， 江西 贛州 341000；4. 江西理工大學(xué)江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

采用稀土尾礦制備陶粒，研究了蒸養(yǎng)制度對(duì)稀土尾礦陶?？箟簭?qiáng)度的影響，并對(duì)陶粒進(jìn)行XRD分析，用制備的陶粒處理氨氮廢水。研究結(jié)果表明，提高蒸養(yǎng)溫度和延長(zhǎng)蒸養(yǎng)時(shí)間均有利于陶粒的形成及其抗壓強(qiáng)度的提高；XRD分析表明，陶粒內(nèi)部形成了水化硅酸鈣膠凝產(chǎn)物，提高了陶粒的強(qiáng)度；所制備的陶粒的浸出毒性均低于限值，適用于作為水處理濾料；陶粒對(duì)濃度為50 mg/L氨氮廢水的去除率最高可達(dá)52.5%。

稀土尾礦；陶粒；蒸養(yǎng)制度；氨氮廢水

本文以贛南地區(qū)稀土尾礦為主要原料，在此前研究[7]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討?zhàn)B護(hù)制度對(duì)稀土尾礦陶粒性能的影響并對(duì)制備出的陶粒處理氨氮廢水的效果進(jìn)行初步研究。

1　實(shí) 驗(yàn)

1.1原 料

制備陶粒的主要原料為江西龍南足洞稀土礦區(qū)曾經(jīng)采用堆浸稀土后殘留的尾礦，其主要化學(xué)成分見表1。由于本實(shí)驗(yàn)采用免燒法制備陶粒，即通過(guò)加入膠凝劑和激發(fā)劑，造粒后通過(guò)養(yǎng)護(hù)形成陶粒，故還選用市售復(fù)合PC32.5硅酸鹽水泥作為膠凝劑，生石灰和石膏(市售品，其主要成分分別為CaO和CaSO4，粒度均在0.15 mm以下)作為激發(fā)劑，采用鋁粉(化學(xué)純，天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn))作為造孔劑，以增加陶粒的氣孔率，降低陶粒密度。

1.2陶粒制備及性能分析

以稀土尾礦為主要原料，根據(jù)此前試驗(yàn)[7]所確定的配比(水泥占10%，生石灰占8%，石膏占4%，鋁粉占2%)，加入一定量的水(液固比0.3)，在Φ800圓盤造球機(jī)中造粒成球，放入HBY-40A型蒸汽養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，取出在室溫放置28天干燥后采用SKE-5KN數(shù)顯式抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)試陶粒強(qiáng)度。并采用DX-2700衍射儀對(duì)陶粒進(jìn)行X射線衍射分析，測(cè)試條件為Cu靶，管電壓35kV，管電流25 mA，掃描步長(zhǎng)0.02 °，2θ掃描范圍10 °-70 °。

1.3氨氮廢水的處理

氨氮廢水采用實(shí)驗(yàn)室配制的濃度為50 mg/L的氯化銨溶液作為模擬廢水， 稱取一定質(zhì)量的稀土尾礦陶粒投入裝有100 mL的氨氮廢水的錐形瓶中，室溫下在THZ-82恒溫震蕩器上水平震蕩一定時(shí)間，測(cè)量經(jīng)免燒陶粒吸附后廢水溶液中氨氮的濃度，研究不同投加量、接觸時(shí)間、pH對(duì)氨氮去除率的影響。

2　結(jié)果與討論

2.1養(yǎng)護(hù)制度對(duì)陶粒性能的影響

由于免燒陶粒養(yǎng)護(hù)過(guò)程中內(nèi)部主要發(fā)生的是水化反應(yīng)，即硅鋁原料在堿性環(huán)境中被激發(fā)，溶解出活性硅鋁單體，然后與CaO反應(yīng)生成水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)，使固體顆粒膠結(jié)緊密，形成具有一定強(qiáng)度的陶粒。因此水化反應(yīng)的程度對(duì)陶粒的強(qiáng)度有重要影響，而養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間是影響水化反應(yīng)速率和進(jìn)程的關(guān)鍵因素，因此本實(shí)驗(yàn)考慮了在不同養(yǎng)護(hù)溫度下，陶粒抗壓強(qiáng)度的變化。

2.1.1養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)免燒陶粒抗壓強(qiáng)度的影響

將按照已知配比條件造好的陶粒，在60 ℃條件下蒸汽養(yǎng)護(hù)，研究不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)免燒陶?？箟簭?qiáng)度的影響。結(jié)果見圖1。

表1　稀土尾礦主要化學(xué)成分 /wt.%Tab.1 Main chemical composition of the RET /wt.%

圖1　蒸養(yǎng)時(shí)間對(duì)陶?？箟簭?qiáng)度的影響Fig.1 Effect of steam curing time on compressive strength of ceramsite

圖2　蒸養(yǎng)溫度對(duì)陶?？箟簭?qiáng)度的影響Fig.2 Effect of steam curing temperature on compressive strength of ceramsite

由圖1和圖2可知，隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加，陶粒抗壓強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)蒸養(yǎng)時(shí)間為12 h后，再增加蒸養(yǎng)時(shí)間則陶?？箟簭?qiáng)度增加較緩慢；表明隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加，稀土尾礦被激發(fā)的越徹底，使水化反應(yīng)的程度加大，早期水化產(chǎn)物增多，從而抗壓強(qiáng)度增大[8]；考慮到養(yǎng)護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)效率會(huì)下降，故最佳蒸養(yǎng)時(shí)間為12 h。

2.1.2養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)陶粒抗壓強(qiáng)度的影響

為考察養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)陶粒強(qiáng)度的影響，將造好的陶粒生球放入養(yǎng)護(hù)箱中，蒸養(yǎng)時(shí)間為12 h，研究不同蒸養(yǎng)溫度對(duì)陶?？箟簭?qiáng)度的影響。結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，陶粒的抗壓強(qiáng)度不斷升高，原因在于升高溫度，分子的運(yùn)動(dòng)速度加快[9]，有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行，更多的活性硅鋁成分被激發(fā)出來(lái)，與石灰和水反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，顆粒被緊密固結(jié)，使強(qiáng)度增加。在蒸養(yǎng)溫度為70 ℃時(shí)，陶粒的強(qiáng)度最大。

2.1.3陶粒的X射線衍射分析

陶粒在形成過(guò)程中，稀土尾礦在堿性條件下，硅鋁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)解聚，活性SiO2和Al2O3溶出[10]，與Ca2+及水發(fā)生反應(yīng)，形成水化硅酸鈣凝膠，由于尾礦中含鈣較少，最初生成的水化產(chǎn)物也較少，通過(guò)加入石灰和石膏等鈣質(zhì)激發(fā)劑后，Ca2+增多，促進(jìn)了水化反應(yīng)的進(jìn)行，而反應(yīng)消耗了活性SiO2，又促進(jìn)了硅鋁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的解聚，從而使反應(yīng)不斷進(jìn)行。

稀土尾礦及陶粒的XRD圖見圖3，由圖可知稀土尾礦的主要物相主要為石英、高嶺石和微斜長(zhǎng)石，而陶粒的衍射圖出現(xiàn)有水化硅酸鈣的峰，其它物相沒(méi)有明顯變化，表明有水化硅酸鈣生成，使陶粒主體結(jié)構(gòu)越來(lái)越密實(shí)，而石英和長(zhǎng)石，可以起到骨料的作用，水化硅酸鈣與骨料共同作用，形成一定的強(qiáng)度。

2.2陶粒的浸出毒性

若將陶粒用作于水處理濾料，必須要求陶粒本身不排放有毒物質(zhì)，因此本試驗(yàn)按照HJ557-2009中的方法[11]對(duì)陶粒做浸出實(shí)驗(yàn)，采用ICP-AES測(cè)量陶粒浸出液中重金屬的含量，結(jié)果見表2，由表2可知，陶粒浸出液中的重金屬濃度均低于GB5085.3-2007規(guī)定的限值。因此，可以將稀土尾礦陶粒用于廢水處理。

圖3　稀土尾礦與陶粒的XRD分析Fig.3 XRD analysis of rare earth tailings (RET) and ceramsite

表2　陶粒的浸出毒性Tab. 2 Leaching toxicity of ceramsite

2.3氨氮廢水的處理

2.3.1陶粒投加量對(duì)氨氮去除率的影響

分別取不同質(zhì)量(3 g、4 g、5 g、6 g、7 g、8 g)陶粒在振蕩器上震蕩5 h，過(guò)濾后測(cè)定稀土尾礦陶粒投加量對(duì)氨氮的去除效果，結(jié)果見圖6。由圖可知，隨著陶粒投加量的增加，氨氮的去除率隨之增加，投加量在3-5 g時(shí)，隨著投加量增加，氨氮去除率急劇增加，繼續(xù)增加投加量，氨氮去除率繼續(xù)增加，但增加速度較為緩慢，當(dāng)投加量為8 g時(shí)，氨氮去除率約為52.5%。

2.3.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)氨氮去除率的影響

取陶粒質(zhì)量為 8 g，分別在振蕩器上震蕩1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h，過(guò)濾后測(cè)定接觸時(shí)間對(duì)氨氮的去除效果，結(jié)果見圖5。由圖5可知，氨氮去除率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而升高，4 h后，隨著接觸時(shí)間的增加，氨氮去除率繼續(xù)增加，但增加得較緩慢，原因在于陶粒對(duì)氨氮的吸附快要達(dá)到飽和時(shí)，增加接觸時(shí)間并不能顯著提高氨氮去除率。

圖4　陶粒投加量對(duì)氨氮去除率的影響Fig.4 Effect of ceramsite dosage on ammonia nitrogen removal rate

圖5　接觸時(shí)間對(duì)氨氮去除率的影響Fig.5 Effect of contact time on ammonia nitrogen removal rate

圖6　pH對(duì)氨氮去除率的影響Fig.6 Effect of pH on ammonia nitrogen removal rate

2.3.3pH值對(duì)氨氮去除率的影響

調(diào)節(jié)氨氮廢水的pH，在不同pH值下，加入8 g陶粒，在振蕩器上震蕩6 h，過(guò)濾后測(cè)定不同pH值下，陶粒對(duì)氨氮的去除效果，見圖6。從圖6可知，隨著溶液pH的增加，陶粒對(duì)氨氮的去除率先增大后減小，當(dāng)pH為5時(shí)，去除率最高。這是因?yàn)楫?dāng)pH較低時(shí)，H+較多，其可能與銨根離子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，從而去除率較低，當(dāng)pH較高時(shí)，氮主要以氨分子的形式存在于溶液中，而離子態(tài)較少，通過(guò)離子交換被吸附的較少，因此去除率降低。

3　結(jié) 論

(1)蒸養(yǎng)制度對(duì)稀土尾礦陶粒性能有較大的影響，其主要影響水化反應(yīng)的速度和程度，提高養(yǎng)護(hù)溫度和延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間有利于水化硅酸鈣的迅速形成，提高陶粒的強(qiáng)度。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為12 h, 養(yǎng)護(hù)溫度為70 ℃時(shí)，陶粒的抗壓強(qiáng)度可達(dá) 4.8 Mpa。

(2)X射線衍射分析表明陶粒的內(nèi)部形成了水化硅酸鈣凝膠，水化硅酸鈣與稀土尾礦中的石英、長(zhǎng)石等礦物共同作用，從而形成陶粒；對(duì)陶粒浸出毒性的檢測(cè)表明浸出液重金屬濃度均低于限值，適合用作水處理濾料。

(3)所制備的稀土尾礦陶粒用于處理100 mL l50 mg/L的模擬氨氮廢水，在陶粒用量為8 g，接觸時(shí)間為6 h，pH在5左右時(shí)，氨氮的去除率最高可達(dá)52.5%，處理效果較好。

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Effect of Steam Curing System on Compressive Strength of Ceramsite from Rare Earth Tailings and Its Application to Waste Water Treatment

YAN Yiyun1, YAN Qun2, LUO Xianping3, 4, JIAO Xiangke3, 4, XU Jing1
(1. Faculty of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 2. Faculty of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 3. Engineering Research Institute, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 4. Jiangxi Key Laboratory of Mining & Metallurgy Environmental Pollution Control, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China;)

In this research, series of experiments were conducted to study the effect of steam curing system on the compressive strength of ceramsite, which was prepared from rare earth tailings. XRD was used to analyze its inner component change, and the ceramsite was also used for treating ammonia nitrogen waste water. The results show that steam curing system has great influence on the compressive strength of the ceramsite, and improving the steam temperature and prolonging curing time are favorable for the formation of the ceramsite. Hydrated calcium silicate is generated. Ammonia nitrogen removal rate can reach up to 52.5%. Moreover, the leaching toxicity of ceramsite is below the limit, which is a suitable filter material for water treatment.

rare earth tailings; ceramsite; steam curing system; ammonia nitrogen waste water

0　引 言

水是人類日常生活中不可或缺的資源，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的欠缺，水污染的問(wèn)題日益嚴(yán)重，如何有效地解決水污染問(wèn)題已成為迫切需要解決的問(wèn)題。過(guò)濾是凈水過(guò)程中的重要一環(huán)，濾料的好壞直接影響出水水質(zhì)，但目前使用的濾料大多為石英砂，存在比表面積小，孔隙率低，吸附容量低等缺點(diǎn)[1, 2]。陶粒是一種新型的填料，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度大、比表面積大、孔隙率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)[3]，在建筑，園藝，水處理方面均表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景[4]。目前國(guó)內(nèi)用陶粒處理廢水進(jìn)行了一些研究，均取得了一定的效果[5, 6]，因此，將陶粒作為填料處理污水具有非常大的實(shí)用意義。

date: 2015-07-15. Revised date: 2015-11-10.

TQ174.75

A

1000-2278(2016)02-0158-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.02.009

2015-07-15.。

2015-11-10。

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC11B07)；江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20122BAB203027)；江西理工大學(xué)科研基金項(xiàng)目重點(diǎn)課題(NSFJ2014-K01)；江西省教育廳項(xiàng)目(GJJ14426)；江西省科技廳青年科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB216008)；“贛鄱英才555工程”領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目。

通信聯(lián)系人：羅仙平(1973-)，男，博士，教授。

Correspondent author:LUO Xianping(1973-), male, Doc., Professor.

E-mail:lxp9491@163.com