權(quán)利要求

1.一種工業(yè)固廢改性加速碳化制備碳吸附材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將工業(yè)固廢初步粉磨后與外加劑混合后進(jìn)行改性處理，得到改性后的樣品;

(2)將改性后的樣品經(jīng)過粉磨得到改性固廢粉;

(3)將改性固廢粉與水混合后壓制成型，得到碳化前驅(qū)體;

(4)將碳化前驅(qū)體碳化養(yǎng)護(hù)后得到碳吸附材料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(1)中，所述工業(yè)固廢為冶金生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物，以工業(yè)固廢的總質(zhì)量計(jì)，所述工業(yè)固廢成分包括CaO 40~60wt%，SiO2 20~30wt%，F(xiàn)e2O3 5~15wt%，MgO 5~15wt%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(1)中，所述工業(yè)固廢含水量在5wt%以下。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(1)中，所述外加劑化合物為BaO、Fe2O3、B2O3、Cr2O3和ZnO化合物中的一種或多種混合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(1)中，所述外加劑添加量為該工業(yè)固廢的0~10wt%。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(1)中，改性處理的溫度為200~1500℃，改性處理的升溫速率為3~20℃/min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(1)中，改性處理的等溫時間為10~300分鐘。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(1)中，改性處理的冷卻速率為3~20℃/min。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(2)中，所述粉磨后的改性固廢粉，其比表面積為500~5000 cm2/g。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(3)中，所述改性固廢粉與水混合的固液質(zhì)量比為5:1~30:1。

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(3)中，所述壓制成型的壓力為10~100kN，時間為10~200秒。

12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(4)中，所述碳化養(yǎng)護(hù)的CO2壓力<600kPa，溫度為10~300℃，相對濕度為50~100%，碳化時間為1~30小時。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種工業(yè)固廢改性加速碳化制備碳吸附材料的方法。

背景技術(shù)

[0002]冶金生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量固體廢棄物，存在活性差和遇水易膨脹等缺點(diǎn)，目前尚無有效的處理途徑。企業(yè)常規(guī)做法是堆存，或少量充當(dāng)水泥填充料，但在水泥中摻合比低，極大限制了該工業(yè)固廢在水泥中的應(yīng)用。有學(xué)者稱含Ca2+和Mg2+礦相在一定條件下可與CO2反應(yīng)生成碳酸鈣顆粒。研究表明，碳化過程的問題主要集中在如何提升碳化效率以及碳化材料性能兩方面。關(guān)于上述問題學(xué)者們展開了大量研究，目前可將碳化方法分為：干法碳化法、濕法浸出碳化法和微生物碳化法。且有大量研究報(bào)道了反應(yīng)時間、液固比、溫度、添加劑、CO2濃度、壓力、pH等各種反應(yīng)參數(shù)對碳化效率的影響，同時也討論了碳化材料的微孔結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、可加工性和力學(xué)性能。但是，目前仍存在鋼渣碳化效率低、工藝實(shí)施成本高或材料附加值低等問題，而未能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

[0003]基于此，本發(fā)明開發(fā)了一種工業(yè)固廢改性加速碳化制備碳吸附材料的方法，通過利用冶煉余熱，在熱態(tài)工業(yè)固廢中添加少量外加劑，通過控制冷速得到改性固廢粉，結(jié)合壓制成型碳化養(yǎng)護(hù)的方法，得到了性能優(yōu)異的碳吸附材料。

[0004]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

[0005]一種工業(yè)固廢改性加速碳化制備碳吸附材料的方法，包括以下步驟：

[0006](1)將工業(yè)固廢初步粉磨后與外加劑混合后進(jìn)行改性處理，得到改性后的樣品;

[0007](2)將改性后的樣品經(jīng)過粉磨得到改性固廢粉;

[0008](3)將改性固廢粉與水混合后壓制成型，得到碳化前驅(qū)體;

[0009](4)將碳化前驅(qū)體碳化養(yǎng)護(hù)得到碳吸附材料。

[0010]優(yōu)選地，步驟(1)中，所述工業(yè)固廢為冶金生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物，以工業(yè)固廢的總質(zhì)量計(jì)，所述工業(yè)固廢成分包括CaO 40~50wt%，SiO2 22~26wt%，F(xiàn)e2O3 8~10wt%，MgO 10~13wt%。例如，以工業(yè)固廢的總質(zhì)量計(jì)，所述工業(yè)固廢成分包括CaO 40 wt%、42 wt%、44 wt%、46 wt%、48 wt%或50wt%;SiO2 22 wt%、22.5 wt%、23 wt%、23.5 wt%、24 wt%、24.5wt%、25 wt%、25.5 wt%或26wt%;Fe2O3 8 wt%、8.5 wt%、9 wt%、9.5 wt%或10wt%;MgO 10wt%、10.5 wt%、11 wt%、11.5 wt%、12 wt%、12.5 wt%或13wt%。

[0011]進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述工業(yè)固廢含水量在5wt%以下，優(yōu)選4wt%，更優(yōu)選2wt%以下。

[0012]優(yōu)選地，步驟(1)中，所述外加劑為BaO、Fe2O3、B2O3、Cr2O3和ZnO中的一種、兩種、三種、四種或五種。

[0013]進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述外加劑添加量為該工業(yè)固廢的0~10wt%，優(yōu)選所述外加劑添加量為該工業(yè)固廢的0~9wt%。例如，所述外加劑添加量為該工業(yè)固廢的0.05 wt%、1wt%、2 wt%、3 wt%、4 wt%、5 wt%、6 wt%、7 wt%、8 wt%、或9 wt%。

[0014]優(yōu)選地，步驟(1)中，改性處理的溫度為300~1200℃。例如，改性處理的溫度為300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、或1200℃。

[0015]進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述改性處理為：按3~20℃/min的速率直接升溫至900~1300℃，等溫30~180分鐘后以3~20℃/min的速率冷卻至室溫。

[0016]優(yōu)選地，步驟(1)中，所述改性處理的等溫時間為60~120分鐘。例如，步驟(1)中，所述改性工藝的等溫時間為60分鐘、70分鐘、80分鐘、90分鐘、100分鐘、110分鐘或120分鐘。

[0017]優(yōu)選地，步驟(1)中，改性處理的冷卻速率為5~10℃/min。例如，步驟(1)中，改性處理的冷卻速率為5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min或10℃/min。

[0018]優(yōu)選地，步驟(2)中，所述粉磨后的改性固廢粉，其比表面積為800~4600 cm2/g。例如，步驟(2)中，所述粉磨后的改性固廢粉，其比表面積為800 cm2/g、1000 cm2/g、1500 cm2/g、2000 cm2/g、2500 cm2/g、3000 cm2/g、3500 cm2/g、4000 cm2/g或4600 cm2/g。

[0019]優(yōu)選地，步驟(3)中，所述改性固廢粉與水混合的固液質(zhì)量比為6:1~28:1。例如，步驟(3)中，所述改性固廢粉與水混合的固液質(zhì)量比為6:1、8:1、10:1、12:1、15:1、20:1、22:1、24:1、26:1或28:1。

[0020]優(yōu)選地，步驟(3)中，所述壓制成型的壓力為10~95kN，時間為60~80秒。例如，步驟(3)中，所述壓制成型的壓力為10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN、80 kN或95kN，時間為60秒、65秒、70秒、75秒或80秒。

[0021]優(yōu)選地，步驟(4)中，所述碳化養(yǎng)護(hù)的條件為：CO2壓力為100~600kPa，溫度為20~250℃，相對濕度為60~100%，碳化時間為2~30小時。例如，步驟(4)中，所述碳化養(yǎng)護(hù)的條件為：CO2壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa或600kPa，溫度為20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、150℃、180℃、200℃、220℃或250℃，相對濕度為60%、70%、80%、90%、95%或100%，碳化時間為2小時、5小時、10小時、15小時、20小時、25小時或30小時。

[0022]本發(fā)明采用的改性方法，可充分利用冶煉余熱，通過加入少量外加劑并控制冷卻速率，得到改性固廢粉，改性固廢粉與水混合壓制成型得到碳化前驅(qū)體，再利用工業(yè)廢CO2氣體，通過碳化養(yǎng)護(hù)工藝得到碳吸附材料，該碳吸附材料將CO2永久封存，可以大幅提高工業(yè)固廢的碳吸附能力，制備出高強(qiáng)度碳吸附建筑材料，可應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)人行道磚、路緣石和邊坡砌塊等建材，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

附圖說明

[0023]圖1是本發(fā)明的工業(yè)固廢改性加速碳化制備碳吸附材料的工藝流程圖。

[0024]圖2是實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4和實(shí)施例5制備的碳吸附材料的抗壓強(qiáng)度。

具體實(shí)施方式

[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

[0026]如圖1所示，一種工業(yè)固廢改性加速碳化制備碳吸附材料的方法，包括以下步驟：

[0027](1)將工業(yè)固廢初步粉磨后與外加劑混合后進(jìn)行低溫(900~1300℃)改性處理，冷卻，得到改性后的樣品;

[0028](2)將改性后的樣品經(jīng)過粉磨得到改性固廢粉;

[0029](3)將改性固廢粉與水混合后壓制成型，得到碳化前驅(qū)體;

[0030](4)將碳化前驅(qū)體采用工業(yè)廢CO2碳化養(yǎng)護(hù)后得到碳吸附材料。

[0031]實(shí)施例1

[0032]將冶金生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物烘干，得到烘干后的工業(yè)固廢。將烘干后的工業(yè)固廢粉磨至平均粒徑為75μm，以烘干后的工業(yè)固廢的總質(zhì)量計(jì)，烘干后的工業(yè)固廢的主要成分為CaO 44 wt%;SiO2 22.5 wt%;Fe2O3 10wt%;MgO 11.5 wt%，含水量為2wt%。將該工業(yè)固廢直接進(jìn)行低溫改性處理：按5℃/min的速率直接升溫至700℃，等溫1小時后隨爐以5℃/min的速率降至室溫。取出樣品后經(jīng)球磨機(jī)粉磨得到比表面積3000±200 cm2/g的改性固廢粉;按固液質(zhì)量比20:1將改性固廢粉與水混合均勻后置于4×4×4 cm3的模具中，通過壓制成型工藝制得碳化前驅(qū)體，壓制成型的壓力75kN，壓制成型的時間1分鐘;將碳化前驅(qū)體置于高壓碳化反應(yīng)釜中進(jìn)行碳化處理，碳化處理的條件為：高壓碳化反應(yīng)釜中為CO2氛圍，CO2壓力為50kPa，溫度為100℃，相對濕度為60%，碳化時間為2小時，得到碳吸附材料。

[0033]實(shí)施例2

[0034]與實(shí)施例1的制備方法基本相同，不同之處僅在于，將所述低溫改性前的工業(yè)固廢與B2O3和BaO的混合外加劑均勻混合，其中B2O3和BaO混合外加劑的混合質(zhì)量比例為1:1，混合外加劑的添加量為工業(yè)固廢質(zhì)量的5wt%。

[0035]實(shí)施例3

[0036]與實(shí)施例2的制備方法基本相同，不同之處僅在于，將所述低溫改性前的工業(yè)固廢與外加劑均勻混合，外加劑添加量為工業(yè)固廢質(zhì)量的8wt%。

[0037]實(shí)施例4

[0038]與實(shí)施例2的制備方法基本相同，不同之處僅在于，將所述低溫改性前的工業(yè)固廢與外加劑均勻混合，外加劑添加量為工業(yè)固廢質(zhì)量的10wt%。

[0039]實(shí)施例5

[0040]與實(shí)施例3的制備方法基本相同，不同之處僅在于，將所述低溫改性溫度由700℃調(diào)整為800℃。

[0041]測試?yán)?

[0042]實(shí)施例1、2、3、4和5制備的碳吸附材料的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度測試方法如下：抗壓機(jī)的下壓速率以2400 N/s±200 N/s的速率均勻地加荷直至破壞，抗壓強(qiáng)度以牛頓每平方毫米(MPa)為單位，根據(jù)破壞時的最大荷載和受壓部分面積計(jì)算?？箟簭?qiáng)度結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在700℃低溫煅燒條件下，當(dāng)沒有混合外加劑加入時，碳吸附材料抗壓強(qiáng)度僅僅15.8 MPa，隨著B2O3和BaO的混合外加劑加入量增加至5 wt%、8 wt%和10 wt%，碳吸附材料抗壓強(qiáng)度先升高后降低，在B2O3和BaO的混合外加劑摻量為8 wt%時達(dá)到最大強(qiáng)度124.5MPa。取外B2O3和BaO的混合加劑摻量為8 wt%，進(jìn)一步提升煅燒溫度至800℃，碳吸附材料強(qiáng)度進(jìn)一步提升至155.6MPa。

[0043]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

說明書附圖(2)