【正文】 我國劈離磚的產(chǎn)銷量約為建筑陶瓷總產(chǎn)量的1%，即 6000 萬 m2，市場需求旺盛，緩沖能力強，可有效接納污泥劈離磚的市場投放。由于污泥中含有大量的有機物，在燒制過程中會釋放出氣體，若生產(chǎn)釉面磚，易出現(xiàn)釉面鼓泡缺陷；若生產(chǎn)瓷質(zhì)磚（拋光磚），拋光面易出現(xiàn)大量的微氣孔。因此，通過控制磚坯燒成時的氧化 還原氣氛，就可控制鐵的存在價態(tài)，使劈離磚顯現(xiàn)出所需要的顏色； ⑤ 產(chǎn)品定位合理，品質(zhì)易于達標并滿足市場需求。鐵在磚坯中的呈色與磚坯的燒成氣氛直接相關(guān)。在本項目中，污泥含鐵量較高，通常為 3%~6%的 Fe2O3。從市場需求角度，劈離磚產(chǎn)品能被廣泛認可和接受的顏色有紫砂、紅色、暗紅、黃色、灰色、黑色等。本項目擬將污泥制備成的劈離磚本質(zhì)上屬于建筑陶瓷產(chǎn)品中的一類，而陶瓷材料通常被認為是一種較好的重金屬固化介質(zhì)。在污泥劈離磚制備中，污泥所含的有機質(zhì)可作為內(nèi)燃料，在 800~1000℃發(fā)生氧化燃燒，釋放出熱能，為磚坯燒成所用；同時有機物在氧化燃燒過程中結(jié)構(gòu)被破壞，毒性消除，不再危害環(huán)境； ③ 重金屬固化穩(wěn)定。 污泥中含有大量的有機質(zhì)，且大部分是有毒有害物質(zhì)，具有毒性、易腐性，是引起污泥二次環(huán)境污染的主要成分。由于污泥的干燥需要大量的熱量，故含水率高也就成了污泥資源化技術(shù)（如焚燒、熱解）應(yīng)用的主要障礙。 ① 污泥不需干化處理。 技術(shù)特點與優(yōu)勢分析 論文擬直接用污泥處理廠經(jīng)過壓濾處理后的污泥（壓濾污泥）作為主要原料，制備建筑裝飾用劈離磚。 167。 C + O = CO↑ (21) Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2↑ (22) Fe2O3 + C = 2FeO + CO↑ (23) 由以上可知，劈離磚的燒成溫度制度的設(shè)計應(yīng)當?shù)玫阶銐虻闹匾暎?① 在中溫分解階段，一方面需要將坯體中總的有機物充分氧化以獲取較多的熱量盡量減少磚坯燒成能耗，另一方面要保證坯體中較低的殘?zhí)亢?，以確保坯體高溫燒結(jié)時的質(zhì)量； ② 在高溫燒成階段要保證坯體能夠在最為適宜的溫度并經(jīng)適宜的燒成時間燒成，從而保證樣品具有較高的物化性能。坯體在不同的最高溫度燒成以及其燒成保溫時間將會極大地影響坯體在高溫條件下的固相反應(yīng)以及其程度，進而會在在較大程度上影響劈離磚樣品的物理化學(xué)性能。在該階段，坯體中的各固相開始相互反應(yīng)，并隨著一些液相的產(chǎn)生，反應(yīng)速率大大增加。同時坯體中的礦物結(jié)合水也將被燒失。 （ 2）中溫分解階段 該階段的溫度范圍約為 300~850℃ 。 （ 1）低溫干燥階段 該階段的溫度范圍大致為 25℃ （常溫） ~300℃ 。陳腐泥庫需要保持一定的溫度和濕度，以利于泥料進行氧化和水解等反應(yīng)。 中國地質(zhì)大學(xué) 全日制 碩士 專業(yè) 學(xué)位論文 17 混合泥料的練泥和陳腐 練泥一方面可使泥料各部分均一，性能較大程度上相似且穩(wěn)定，增強泥料的觸變性，以利于成型；另一方面則可利用真空室將物料中的大部分氣孔排出，使坯體致密，增強其各種加工性能。 在壓濾工藝中，泥料由螺桿泵（ ）泵入由濾布包裹著的料腔中，加壓進行壓濾。 混合泥料脫水 本論文采用濕法工藝制備污泥劈離磚，球磨后的物料含有大量水分，單純地采用簡單過濾和物理干燥都不能夠經(jīng)濟有效地除去這些水分。 ④ 其他礦物。高溫燒結(jié)時，未熔融石英可構(gòu)成坯體骨架，保持坯體形狀；熔融石英具有較高的粘度并可與 Al2O3等反應(yīng)生成一定的陶瓷結(jié)構(gòu)，防止坯體燒成時的變形和開裂。 ③ 石英等硅酸鹽礦物屬于陶瓷配方中的瘠性原料。長石熔化后形成的熔液具有較強的熱塑作用及膠結(jié)作用，能夠充填在各晶粒之間，減少坯體空隙，穩(wěn)定陶瓷制品形狀，從而增大坯體致密度；冷卻后的熔體將構(gòu)成陶瓷的玻璃基質(zhì)，可在一定程度上增加坯體的透明度，并且有助于提高坯體的機械強度和電氣性能。 ② 在陶瓷生產(chǎn)中，長石礦物成分是坯體高溫燒成時的主要熔劑來源。配料中的高嶺土或兼其他粘土礦物具有很強的泥料結(jié)合性和可塑性，有利于增加泥料的粘性和坯體的成型性。 劈離磚屬于擠壓陶瓷磚，在生產(chǎn)制備過程中必須保證坯料和坯體的較強的可塑性，因此對原料中各礦物組分的要求較高。傳統(tǒng)劈離磚原料的礦物組成如表 22 所示。其中對陶瓷影響最大的為 Fe2O3雜質(zhì)，主要表現(xiàn)在對陶瓷產(chǎn)品在顏色和白度方面的強烈影響。 ⑦ 雜質(zhì)類元素成分。 坯料內(nèi)有機質(zhì)和其他揮發(fā)物較多，燒失量過大，會導(dǎo)致生坯收縮較大易變形且有機質(zhì)高溫時分解易產(chǎn)生氣泡等， 致使 產(chǎn)品 出現(xiàn) 黑心、鼓泡、開裂、變形 等缺陷 。 ⑥ 有機物及燒失量。但較高含量的 CaCO3 在坯體燒成時會產(chǎn)生較多的 CO2 對陶瓷產(chǎn)品有一定的危害，故 CaO 的含量一般不宜超過 1%。 ④ CaO 是陶瓷原料的重要組成部分，一般由原料中的 CaCO3 高溫下分解提供。然而多數(shù)情況下， Fe2O3 對陶瓷的生產(chǎn)是有危害的，主要表現(xiàn)在對產(chǎn)品白度的影響，即使 極少量的 Fe2O3 也可造成產(chǎn)品白度的顯著降低，所以，一般陶瓷工業(yè)中都必須有除鐵的工藝。 ③ Fe2O3 在原料中一般充當著色劑和?；瘎．斊浜枯^高時，在燒結(jié)過程中將形成較多的鋁酸鹽，這會在較大程度上提高坯體燒成溫度，增加煤耗量并導(dǎo)致產(chǎn)品的顏色變淡和收縮增加；但當配料中 Al2O3含量低于 15%時，整個燒結(jié)過程坯體的燒成溫度會降低，燒成溫度范圍將縮小，制品的強度亦將降低。 SiO2含量在 55~70%之間為佳。 ① SiO2 是混合料中的主要成分，與 Al2O3 一起構(gòu)成陶瓷坯體的骨架。 表 21 傳統(tǒng)劈離磚原料配方的化學(xué)組成（ wt.%） SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O 燒失量 60~65 20~28 1~3 1 1 1~3 2~4 12 在陶瓷生產(chǎn)中，較高含量的 SiO2 和較低含量的 Al2O3 有助于提高坯體燒成時液相的粘度； K2O 以及 Na2O 是坯料中的主要熔劑成分，并且 K2O 在高溫下形成的液相粘度大，有利于產(chǎn)品形狀的維持。Al2O3 和熔劑之間的關(guān)系。主要成瓷氧化物應(yīng)為 SiO Al2O K2O 以及 Na2O 等，陶瓷坯料的化學(xué)組成系統(tǒng)一般為K2OAl2O3SiO2 系統(tǒng)和 Na2OAl2O3SiO2 系統(tǒng)。 實驗從以下兩方面對劈離磚的原料設(shè)計進行了分析研究。 利用污泥制備劈離磚的基本工藝設(shè)計原理 混合料 配方設(shè)計 污泥劈離磚的原料配比直接影響著泥段的脫水性能和擠壓成型性能，以及生坯強度和產(chǎn)品質(zhì)量等，在整個工藝中具有重要作用。 （ 7）入爐燒成 將生坯置于電爐中加熱燒制，得到污泥劈離磚。 （ 5）擠壓成型 將充分混煉后的泥餅置于擠壓機中，擠壓成型得到劈離磚濕生坯。 （ 3）壓濾脫水 通過機械壓濾脫水方 式將球磨后的物料中的大部分水分去除，得到含水率適宜的泥餅。 工藝步驟 和內(nèi)容 根據(jù)污泥劈離磚的工藝流程，可設(shè)計本工藝為以下幾個主要步驟： （ 1）配制物料 將取得的含水率 85%的新鮮壓濾污泥直接與石英砂、長石、高嶺土等原料按設(shè)計的配方配置混合物料。因此，綜合經(jīng)濟以及工藝等因素，實驗選擇濕法生產(chǎn)工藝利用污泥制備劈離磚并對其工藝 技術(shù)進行改善。壓濾污泥中含有大量的高結(jié)合力的水分，應(yīng)劃歸于軟質(zhì)原料。 利用污泥制備劈離磚工藝設(shè)計 工藝設(shè)計和流程 圖 21 污泥劈離磚的工藝流程設(shè)計圖 傳統(tǒng)的劈離磚原料制備工藝中，有干法和濕法兩種工藝（詳見 167。 創(chuàng)新點 本論文 的 創(chuàng)新 點為 ：首次提出 直接 以壓濾污泥作為 主要原料制備 劈離磚，且 壓濾污泥的 摻量 高達 60%，研發(fā)了壓濾污泥制備 劈離磚的 生產(chǎn) 工藝技術(shù) 。 （ 5）污泥劈離磚樣品的質(zhì)量以及與環(huán)境相容性評估 在樣品質(zhì)量方面，有樣品的表觀質(zhì)量、斷裂模數(shù)、吸水率、礦物組成以及樣品內(nèi)部表面形態(tài)等檢測與表征；在環(huán)境相容性方面，有樣品的重金屬淋濾性等檢測。其中，實驗工藝參數(shù)主要有：工藝技術(shù)的可行性和經(jīng)濟性；生坯的加工性能等。 （ 2）污泥劈離磚配方設(shè)計 首先根據(jù)相關(guān)文獻資料總結(jié)出優(yōu)異的污泥劈離磚配方，然后對該配方物料的加工性能以及產(chǎn)品各性能進行評估，最終得到最佳的污泥劈離磚配方，以期污泥在劈離磚的配方中摻量最高。 與此同時， 大量消納污泥 ，解決污泥的處理與處置問題，從根本上消除 污泥中毒害性有機物、致病生物、重金屬等對土壤、大氣、水體等生態(tài)環(huán)境和人類健康 的各種 危害 。 研究總體目標 論文研究總體目標是：根據(jù)武漢市某污水處理廠生活污水污泥的化學(xué)成分和礦物組成特點，系統(tǒng)設(shè)計以污泥作為主要原料制備建筑裝飾用劈離磚的生產(chǎn)工藝，并對污泥劈離磚的工藝流程、工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量控制和優(yōu)化等進行全面試驗，最終開發(fā)出一項經(jīng)濟環(huán)保的利用污泥制備劈離磚的資源化新技術(shù)。 論文研究與意義 研究思路 本論文針對現(xiàn)有污泥資源化技術(shù)研究和應(yīng)用中所存在的不足，擬研究開發(fā)一項污泥 中國地質(zhì)大學(xué) 全日制 碩士 專業(yè) 學(xué)位論文 11 不需脫水干燥處理、能適應(yīng)污泥本身物化特性、產(chǎn)品質(zhì)量易滿足消費者需求且具有較大市場需求量的污泥資源化新技術(shù)。隨著與劈離磚相關(guān)的生產(chǎn)工藝與設(shè)備以及施工技術(shù)等的改進 [123132]，劈離磚 建筑材料生產(chǎn)業(yè) 必將取得蓬勃的發(fā)展。鑒于鄂西赤鐵礦尾礦的大量堆積及其對環(huán)境的污染，陳章 [122]研發(fā)了利用該尾礦制備劈離磚的工藝并對該技術(shù)進行了經(jīng)濟效益評估，結(jié)果顯示樣品質(zhì)量合格、經(jīng)濟效益頗為可觀。梁文源 [119]利用含鐵量高達 4%的紅磚廠粘土和廢瓷料、粉煤灰等成功制備出了吸水率小于 5%，斷裂模數(shù)大于 12MPa 的劈離磚產(chǎn)品；該技術(shù)解決了高含鐵量泥料難以制備瓷質(zhì)磚的難題，擴大了劈離磚原料選擇的范圍，同時降低了生產(chǎn)成本、減少了環(huán)境污染，具有極高的社會效益和經(jīng)濟效益。陳瑞祥等 [106]利用了當?shù)氐唾|(zhì)原料制備外墻飾面劈離磚，制備的劈離磚產(chǎn)品有乳黃色、米黃色和紅棕色等多種色彩且性能優(yōu)異，該工藝技術(shù)可以很好地消納遼寧省阜新地區(qū)遺棄并堆積的含鐵的低質(zhì)原料。 劈離磚作為一種中高檔層次的建筑裝飾用陶瓷材料，取材廣泛且對高檔陶土原料的依賴性很低。 原料選擇 坯料制備 成 型 干 燥 燒 成 制 品 中國地質(zhì)大學(xué) 全日制 碩士 專業(yè) 學(xué)位論文 10 圖 15 劈離磚濕法工藝制備流程 固體廢 棄 物 在 劈離磚 制備中的應(yīng)用概況 隨著陶瓷行業(yè)的迅猛發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的陶土資源日益枯竭，陶瓷行業(yè)的產(chǎn)品原料的選擇范圍已得到了極大的拓展，不再受限于優(yōu)質(zhì)、高純的粘土、石英、長石三大原料，含有部分粘土礦物、長石礦物、石英的巖石原料亦被開采利用。濕法工藝一般用于含水率較高的軟質(zhì)原料。干法工藝一般適合因含水率較低而無需干燥的硬質(zhì)原料。 圖 14 劈離磚干法工藝制備流程 傳統(tǒng)的劈離磚原料制備工藝中，具體有干法和濕法兩種生產(chǎn)工藝 [104,115,117,118]。根據(jù)國際標準 “ ISO 10545:1995, Test methods of ceramic tiles” 的規(guī)定，劈離磚作為擠壓磚的一種，依據(jù)其物理性能的優(yōu)良程度可分為 3 大等級，如表 12 所示。按表面形狀來分可分為平面磚和異型磚等。 劈離磚按表面的粗糙程度分為光面磚和毛面磚兩種，前者坯料中的顆粒較細，產(chǎn)品表面較光滑和細膩，而后者坯料顆粒較粗，產(chǎn)品表面有突出的顆粒和凹坑，產(chǎn)品凸凹感較強。 劈離磚概況 劈離磚的定義與分類 圖 12 典型的市售劈離磚產(chǎn)品 劈離磚又名劈開磚或劈裂磚，最早興起并發(fā)展于德國，繼而風靡全球，是一種用于內(nèi)外墻或地面裝飾的中高檔類的建筑裝飾瓷磚，它以長石、石英以及高嶺土等陶瓷原料通過干法或濕法粉碎混合后經(jīng)練泥、擠壓成型、干燥、燒成等工藝工序制成，其原料來源廣泛、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品色彩豐富、質(zhì)感強、吸水率低（不大于 6%）、強度高、耐水、耐磨、耐久、耐酸堿、防滑、抗凍，實用性和市場競爭力強 [104114]?？梢钥闯觯豁椊?jīng)濟可行的污泥資源化處置技術(shù)必須滿足以下條件： （ 1） 應(yīng)盡可能避免污泥的干化處理，以降低能耗和成本； （ 2） 產(chǎn)品應(yīng)具有較大的市場需求量、較高的附加值，以獲得較高的產(chǎn)品銷售收益； （ 3） 產(chǎn)品的物化性能能滿足市場消費和環(huán)境保護要求； （ 4）從原料預(yù)處理到產(chǎn)品生產(chǎn)的整個資源化 工藝工序簡單且環(huán)保， 總效益為正 ，即可獲得一定的經(jīng)濟效益。 當然，各種污泥處置方式的適用性應(yīng)當充分考慮各地區(qū)所處的地理位置、環(huán)境條件以及經(jīng)濟發(fā)展狀況等，例如：在經(jīng)濟高度發(fā)達的國家和地區(qū)（日本、歐洲等）由于土地緊缺，污泥中有機物含量較高（約 60%），污泥焚燒仍具有較好的應(yīng)用前景。污泥資源化利用技術(shù)的各種不足大致如表11 所示。焚燒和熱解等方面，脫水污泥中約有 80%水分需要干燥去除，目前采用的污泥干化系統(tǒng)每蒸發(fā) 1t 水大約需 3000MJ 的熱能，如果按 70%的熱效率計算，則需要標煤約 150kg，成本很高 [12,102,103]；污泥焚燒工藝的設(shè)備投資和運營成本很高，含砂量較高的污泥更會在一定程度上加快設(shè)備磨損，增加成本投入和生產(chǎn)風險，同時污泥中的重金屬可能隨著煙氣的擴散而污染空氣，破壞環(huán)境或增加環(huán)保投入 [42,63,103]。 污泥資源化利用技術(shù)發(fā)展趨勢 現(xiàn)有技術(shù) 存在的問題 表 11 污泥資源化技術(shù)的特點和不足 技術(shù)名稱 干燥要求 難度 附加值 技術(shù)不足及應(yīng)用限制 焚燒 需干燥 較高 低 干燥能耗 和 尾氣處理成本高， 極易形成負效益 熱解制油氣 高