煤砰石陶粒的制造及应用

煤矸石即煤矿矸石堆，是我国排放量最大的工业固体废物之一，每年的排放量相当于当年煤炭产量的10%左右，达1.2亿~1.6亿吨，现已累计堆存约40亿吨，占地约1.2万公顷。煤矸石的长期排放和堆存一方面占用大量土地，同时还污染大气和地下水质。目前，我国煤矸石除用于矿井回填外，煤矸石的综合利用可分为两类：一类有较好的经济效益，但用量少，还有可能产生二次污染，如利用煤矸石制取聚合氯化铝、硫酸铝、合成分子筛等；另一类用量大，社会效益较明显，但产品附加值低，如利用煤矸石生产建筑材料及制品等。用煤矸石制备j陶粒滤料既有较好的经济效益，又能大量消耗煤矸石，是煤矸石综合利用的新途径。王萍等利用煤矸石作为主要原料，制备了煤矸石陶粒滤料，并应用于曝气生物滤池反应器，表明该种陶粒具备生物填料的优越性能。

煤矸石陶粒的结构材料

(1)煤矸石煤；矸石属于碳质泥岩，其主要矿物组成为黏土矿物65%-75%，碳酸盐矿物10%-15%、黄铁矿3%-5%、石英4%-5%、有机质8%-10%。其化学成分见表。

煤矸石化学成分
成分	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	烧失量
质最分数/%	58.66	16.31	6.50	3.02	4.80	1.85	0.78	8.08

其挥发分等的含量为水分1.02%、挥发分8.47%、灰分90.38%、固定碳0.13%，其可塑性指数见下表。煤矸石的主要特点是黏土矿物含量偏低，碳酸盐矿物含量较高，固定碳的含量较低，随着细度的增加，可塑性指数所增加，但总的来说可塑性较差，使用时需要加入一定量的黏土。

不同粒度煤矸石的可塑性指数
粒度/目	60	80	100
可塑性指数	4.526	5.035	5.299

(2)辅助原料；成球法制备陶粒滤料时加入适量的黏土及高分子聚合物，用来提高原料的可塑性和坯体的强度。

煤矸石陶粒的制备

煤矸石陶粒填料的制备方法一般有破碎法和成球法(可塑法)两种，每种方法都需经配料造粒和烧制成形两个阶段。
(1)破碎法；破碎法是将煤矸石用破碎机破碎后过筛分级制得陶粒滤料生料，再将生料在高温下焙烧制成煤矸石陶粒填料。破碎法制备陶粒填料受原料影响较大，但是成本低，适用于煤矸石类型单一或变化不大的矿山。
①配料造粒。将煤矸石用破碎机破碎后过筛分级，取2-5mm样在干燥箱中于100℃下干燥6-8h，作为陶粒滤料生料。
②烧制成形；生料的焙烧一般采用快升温和慢升温两种方式。快升温(快烧)是将生料在电阻炉中预热至600℃并保温10min，然后迅速移至高温炉中，分别在900℃、940℃、980℃、1020℃、1060℃、1100℃、1140℃、1180℃、1220℃、1260℃温度下焙烧5min得到成品；慢升温(慢烧)是将生料置于高温炉中，然后分别逐渐升温至900℃、940℃、980℃、1020℃、1060℃、1100℃、1140℃、1180℃、1220℃、1260℃焙烧5min，得到成品。
(2)成球法(也称可塑法)；成球法是将配好的原料粉碎、过100目筛，然后用圆盘成球机成球制得陶粒滤料生料，而后将生料在高温下焙烧成煤矸石陶粒填料，成球法制备陶粒滤料可以解决不同类型的煤砰石混杂在同一矸石山上不易分离的问题。
①配料造粒；将配好的原料粉碎、过100目筛，然后用圆盘成球机成球。成球机转速20-30r/min，圆盘倾角40°-50°，成球过程中喷雾加水。料球达到适当粒径时停机出料，于室内自然干燥24h，再于干燥箱中在100℃下干燥6-8h，作为陶粒滤料生料。
②烧制成形生料的焙烧成形过程与破碎法相同。

煤矸石陶粒的特点

(1)煤矸石陶粒的外观特征；焙烧后陶粒的颜色由煤矸石的黑色变为深浅不同的红褐色，气孔大小和分布也有所不同，快速焙烧时，900-940℃烧成制品的颜色较浅，呈现土黄、浅砖红色，气孔和膨胀不明显，980-1180℃烧成制品出现棕红、铁灰色，可以观察到气孔，膨胀明显。1220-1260℃烧成制品的颜色变深，出现灰黑、铁黑色，气孔明显，膨胀不明显而且局部熔融烧结成块，闭口气孔较多。慢速焙烧陶粒滤料的外观特征与快速焙烧陶粒滤料的基本相同，主要区别是慢速焙烧制品的膨胀不明显。
(2)煤矸石陶粒的气孔率；不管是破碎法还是成球法，是快烧还是慢烧，总体上制品的气孔率在900-1260℃的焙烧温度范围内都有一个由小变大又逐渐降低的过程。相比而言，成球法陶粒滤料气孔率的变化比破碎法陶粒滤料气孔率变化更有规律性，并且成球法制品的气孔率普遍要高一些，一般为40%-50%，最高接近70%；而破碎法制品的气孔率一般为30%-40%，最高超不过50%。这主要是因为圆盘成球机制备的料球本身具有较多的孔隙，致密程度低于破碎法制备的生料，因此采用成球法可以制得较高气孔率的陶粒滤料。
(3)煤矸石陶粒的气孔孔径分布；单位质量陶粒制品中某一孔径气孔的微分体积越大，说明该孔径的孔在制品中所占份额越多。对于气孔微分体积呈单峰分布的制品，主要用最可几孔径来描述其气孔孔径分布特征。最可几孔径是指气孔微分体积为最大值时所对应的气孔孔径，最可几孔径越大，说明制品中大、中孔越多。对于气孔微分体积呈多峰分布的制品，则用峰值孔径来描述其气孔孔径分布特征。峰值孔径指各气孔微分体积峰值所对应的气孔孔径。
①破碎法制品的气孔孔径分布。破碎法快烧制品的气孔孔径分布范围较窄，不同焙烧温度下制品的最可几孔径变化不大，980℃，1060℃下制品的最可几孔径分别为8μm、10μm；而破碎法慢烧制品的气孔孔径分布范围很宽，在仪器的测量范围内，各种孔径的气孔均有一定数量的分布，并出现多个峰值孔径，随着焙烧温度的升高，峰值孔径小幅度增大，与快烧制品一样，慢烧制品在较高焙烧温度下孔径大于100μm的大气孔所占的比例也
有增加的趋势。随着焙烧温度的升高，小峰逐渐消失，气孔孔径分布曲线变得圆滑，且最可几孔径对应的孔的微分体积变小。
②成球法制品的气孔孔径分布。成球法制品的气孔孔径分布变化规律与破碎法制品基本相同，气孔孔径的分布范围、最可几孔径的大小、峰值孔径的数量和位置、曲线的形态等均没有大的差别。所不同的是与破碎法相比，成球法慢烧制品中峰值孔径为5-7μm的孔大大减少。
陶粒滤料制品的气孔孔径分布特征主要取决于焙烧制度，并且与原料性质有一定的关系，而陶粒滤料生料的制备方法对其影响不大。
(4)煤矸石陶粒的酸碱可溶率；不同的生料制备方法、不同的焙烧方式所制得陶粒制品的酸碱可溶率均随着焙烧温度的升高而降低，说明陶粒滤料制品的酸碱可溶率与焙烧温度关系最为密切，而受制备方法、焙烧方式的影响不明显。制品的酸可溶率均在940-980℃明显降低，之后变化较缓，至1180℃后又有一个突降。说明940℃以前原料中的酸可溶组分较多，因而溶出率较高；940℃后原料物相发生变化，酸可溶组分烧结变为难溶组分，使溶出率降低；1180℃后样品烧结熔融，表面出现玻璃釉层，气孔堵塞，酸溶液难以进入，导致溶出率进一步下降。制品的碱可溶率在1060℃之前变化较快，之后趋于平稳。成球法制品的气孔率较高，因此其酸碱可溶率略高于破碎法制品；慢烧制品也由于同样的原因，其酸碱可溶率稍高于快烧制品。焙烧温度的高低决定了制品的气孔率，而气孔率的高低以及气孔的连通性直接影响着制品的酸碱可溶率。

煤砰石陶粒在水处理方面的应用研究

王萍等利用煤矸石作为主要原料，添加适量的黏结剂、造孔剂等。经配料造粒、高温焙烧，制备了生物滤池用的煤矸石陶粒滤料，滤料粒径为1.6-2.5mm，显气孔率58.29%，密度1.0497g/cm3。将该滤料用于曝气生物滤池反应器，处理模拟城市污水(实测CODMn为50-60mg/L，NH3-N为10-20mg/L)。试验结果表明，煤矸石陶粒滤料挂膜快、微生物适应性良好、易于反冲洗、对水中有机物和NH3-N的去除效果良好。在启动后的第4天COD的除去率就达到了78.31%，第6天达到了90.36%；第8天NH3-N的去除率达到68.48%，第9天达到81.63%。反应器运行期间，COD的平均去除率保持在80%以上，NH3-N的平均去除率保持在60%以上。反冲洗24h后，COD的去除率恢复正常；96h后，NH3-N去除率恢复正常。当停留时间为2h、气水比为2.5，pH值为8-9时，NH3-N的去除率最高；当停留时间为2.5h、气水比为2.5时，COD的去除率最高。

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