硝酸钠对改善赤泥陶粒性能的影响

D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.10.012 第33卷第10期 北京科技大学学报 Vol.33 No.10 2011年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2011 硝酸钠对改善赤泥陶粒性能的影响 杨慧芬12)四党春阁，2 马雯2) 景丽丽12) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yanghf@usth.cdu.cn 摘要通过对赤泥化学组成、矿物组成和热稳定性分析，进行了以赤泥中方解石本身为发泡剂及外加硝酸钠为发泡剂制备 陶粒的研究，并利用X射线衍射和扫描电镜对所得陶粒的组成和内部结构进行了分析.结果表明：在赤泥、废玻璃和膨润土质 量比74：15：11时，利用赤泥中的方解石可制得容重、吸水率和筒压强度分别为1.43g°cm3、1.23%和22.14MPa的陶粒.外 加NaNO,发泡剂能明显降低陶粒的容重.在赤泥、废玻璃、膨润土和NaN0,质量比70.0：14.2：10.2：5.6时，可制得容重、吸水 率和筒压强度分别为1.28gcm3、1.54%和12.03MPa的陶粒.陶粒中晶体矿物主要为钙黄长石，而赤泥中主要晶体矿物为 方解石.陶粒中气孔以封闭气孔为主，NO,为发泡剂时所得陶粒的气孔率较利用赤泥自身方解石为发泡剂时高，气孔均匀 性也较好. 关键词固体废物：废物利用：赤泥：方解石：硝酸钠：陶粒 分类号X758:TU523 Effect of sodium nitrate on improvement in the properties of ceramsite using red mud YANG Hui-fen'2☒，DANG Chun-ge2,MA Wen'2),JING Li-i 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yanghf@ustb.edu.cn ABSTRACT Based on analyzing the chemical composition,mineral composition and thermal stability of red mud,the preparation of ceramsite was investigated with calcite itself in red mud or added sodium nitrate as a foaming agent.Main components of the obtained ceramsite were analyzed by X-ray diffraction (XRD)and the internal structure was observed by scanning electron microscopy (SEM). The results show that with calcite itself as a foaming agent,the ceramsite with a bulk density of 1.43 gcm3,a water absorption rate (WAR)of 1.23%and a cylinder compressive strength (CCS)of 22.14 MPa is prepared when the mass ratio of red mud/waste glass/ bentonite is 74:15:11.However the bulk density is obviously decreased by adding sodium nitrate.The ceramsite with a bulk density of 1.28gcm3,a WAR of 1.54%and a CCS of 12.03 MPa is prepared when the mass ratio of red mud/waste glass/bentonite/sodium nitrate is 70.0:14.2:10.2:5.6.Crystalline phases present in the obtained ceramsite are mainly gehlenite,different from calcite in red mud based on XRD data.SEM images indicate that the majority of pores in the obtained ceramsite are sealed,and when sodium nitrate is used as a foaming agent,the porosity is higher in comparison with calcite in red mud,and the interal pore size is more uniform. KEY WORDS solid wastes;waste utilization:red mud:calcite:sodium nitrate:ceramsite 赤泥是一种铝土矿生产氧化铝后产生的固体废 不仅容易造成环境污染，且处置费用高达铝生产成 物，每生产1t氧化铝，排出1~2t赤泥.全世界每年 本的5%日.至今，赤泥仅在道路建设、土壤改良以 约产生9千万t赤泥0，其中4千万t以上由中国产 及水泥制备过程中获得有限的利用四.一些新的利 生回.目前，赤泥大多处置于地面或倾倒于海洋中， 用，如从赤泥中提取有价金属6-)，用赤泥生产陶 收稿日期：2010-09-26

第 33 卷 第 10 期 2011 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 10 Oct． 2011 硝酸钠对改善赤泥陶粒性能的影响 杨慧芬1，2) 党春阁1，2) 马 雯1，2) 景丽丽1，2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: yanghf@ ustb． edu． cn 摘 要 通过对赤泥化学组成、矿物组成和热稳定性分析，进行了以赤泥中方解石本身为发泡剂及外加硝酸钠为发泡剂制备 陶粒的研究，并利用 X 射线衍射和扫描电镜对所得陶粒的组成和内部结构进行了分析． 结果表明: 在赤泥、废玻璃和膨润土质 量比 74∶ 15∶ 11 时，利用赤泥中的方解石可制得容重、吸水率和筒压强度分别为 1. 43 g·cm － 3 、1. 23% 和 22. 14 MPa 的陶粒． 外 加 NaNO3 发泡剂能明显降低陶粒的容重． 在赤泥、废玻璃、膨润土和 NaNO3 质量比 70. 0∶ 14. 2∶ 10. 2∶ 5. 6 时，可制得容重、吸水 率和筒压强度分别为 1. 28 g·cm － 3 、1. 54% 和 12. 03 MPa 的陶粒． 陶粒中晶体矿物主要为钙黄长石，而赤泥中主要晶体矿物为 方解石． 陶粒中气孔以封闭气孔为主，NaNO3 为发泡剂时所得陶粒的气孔率较利用赤泥自身方解石为发泡剂时高，气孔均匀 性也较好． 关键词 固体废物; 废物利用; 赤泥; 方解石; 硝酸钠; 陶粒 分类号 X758; TU523 Effect of sodium nitrate on improvement in the properties of ceramsite using red mud YANG Hui-fen1，2) ，DANG Chun-ge 1，2) ，MA Wen1，2) ，JING Li-li 1，2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: yanghf@ ustb． edu． cn ABSTRACT Based on analyzing the chemical composition，mineral composition and thermal stability of red mud，the preparation of ceramsite was investigated with calcite itself in red mud or added sodium nitrate as a foaming agent． Main components of the obtained ceramsite were analyzed by X-ray diffraction ( XRD) and the internal structure was observed by scanning electron microscopy ( SEM) ． The results show that with calcite itself as a foaming agent，the ceramsite with a bulk density of 1. 43 g·cm － 3 ，a water absorption rate ( WAR) of 1. 23% and a cylinder compressive strength ( CCS) of 22. 14 MPa is prepared when the mass ratio of red mud /waste glass/ bentonite is 74∶ 15∶ 11． However the bulk density is obviously decreased by adding sodium nitrate． The ceramsite with a bulk density of 1. 28 g·cm － 3 ，a WAR of 1. 54% and a CCS of 12. 03 MPa is prepared when the mass ratio of red mud /waste glass/bentonite /sodium nitrate is 70. 0∶ 14. 2∶ 10. 2∶ 5. 6． Crystalline phases present in the obtained ceramsite are mainly gehlenite，different from calcite in red mud based on XRD data． SEM images indicate that the majority of pores in the obtained ceramsite are sealed，and when sodium nitrate is used as a foaming agent，the porosity is higher in comparison with calcite in red mud，and the internal pore size is more uniform． KEY WORDS solid wastes; waste utilization; red mud; calcite; sodium nitrate; ceramsite 收稿日期: 2010--09--26 赤泥是一种铝土矿生产氧化铝后产生的固体废 物，每生产 1 t 氧化铝，排出 1 ～ 2 t 赤泥． 全世界每年 约产生 9 千万 t 赤泥［1］，其中 4 千万 t 以上由中国产 生［2］． 目前，赤泥大多处置于地面或倾倒于海洋中， 不仅容易造成环境污染，且处置费用高达铝生产成 本的 5%［3］． 至今，赤泥仅在道路建设、土壤改良以 及水泥制备过程中获得有限的利用［4］． 一些新的利 用，如从赤泥中提取有价金属［5--7］，用赤泥生产陶 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.10.012

第10期 杨慧芬等：硝酸钠对改善赤泥陶粒性能的影响 ·1261· 瓷和处理废水0虽也得到了开发，但这些新技 能产生气体的钠盐，如碳酸钠和硝酸钠，或木屑等 术的大规模工业应用还有待时日. 后者主要包括Si02、A1203组分，陶粒容重的高低与 陶粒是一种人工骨料，其容重一般在0.8~2.0 它们形成的高温熔融相的黏度密切相关.黏度越 g·cm-3范围，较天然骨料容重低许多（一般容重范 大，熔融相抑制气体外逸的能力越大，包裹的气体量 围为2.4~2.8g°cm-3),因而具有许多天然骨料不 就越多，陶粒容重越低 具有的性能，如保温隔热、吸声隔声、耐高温、抗老 本文以山东铝厂烧结法赤泥为主要原料，适当 化、无放射性、环保节能、抗震和耐久性而被广泛地 配入废玻璃、膨润土以提高配料中的SiO2、A1,03组 应用在轻质混凝土、轻质砖瓦等建材产品中，在岩土 分含量，再通过加入硝酸钠发泡剂，考察硝酸钠对赤 充填、绝热材料、土壤工程、无土栽培、排水系统、屋 泥陶粒性能的影响效果及规律. 顶花园和过滤材料方面的应用也日益增多) 1实验 传统陶粒的生产原料为黏土、页岩等天然原料. 为了保护环境和满足市场对陶粒需求的增长，己开 1.1实验原料 始大量使用工业固体废物，如尾矿回、粉煤灰)及 实验所用原料主要为赤泥，其次为废玻璃、膨润 其他固体废物4的制备陶粒.陶粒制备的关键因 土和化学纯硝酸钠.添加废玻璃以提高原料的 素之一是原料的组分.原料中必须含有两种重要组 Si02、A山，03含量，确保高温下生成大量的具有适宜 分：高温下能产生气体的组分：高温下能生成黏度足 黏度及数量的液相以抑制气体的外逸。添加膨润土 够大，不使产生气体外逸的熔融相组分.前者组分 不但可提高陶粒原料的SiO2、Al2O3含量，还可以提 也称发泡剂，它决定着气体产生量的多少，决定着陶 高原料的可塑性，克服赤泥本身可塑性不足带来的 粒容重的高低.一般发泡剂包括有机物、碳酸盐、硫 成球困难问题.表1为赤泥、废玻璃和膨润土的化 化物、氧化铁和某些矿物的结晶水以及某些高温下 学成分 表1所用原料的化学组成（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw materials % 成分 Ca0 Mgo Fe2O: Si02 AL203 TiO, Na20+K20 烧失量 赤泥 35.98 13.81 13.77 7.82 3.14 3.05 20.85 废玻璃 10.27 一 73.56 2.30 一 14.38 膨润土 5.62 1.86 72.33 12.84 0.36 0.98 6.41 根据X射线衍射(XRD)分析，赤泥的主要晶体 体.因此，控制预热温度低于方解石强烈分解的温 矿物为方解石，另含少量钙黄长石、钙铁榴石、水钙 度687.17℃，就有可能将赤泥中的方解石作为发泡 榴铝石、赤铁矿与和钛酸钙等.方解石和水钙榴铝 剂使用. 石在高温下具有热不稳定性，其中方解石会分解产 0 100 生C0,气体，水钙榴铝石会脱除其中的结晶水，因 733.59℃ 95 20 此具有高温发泡作用. 550℃ 9 图1为赤泥的DSC-TGA曲线.可见，赤泥的质 量随着温度的升高逐渐减少，在温度小于550℃时， 时 687.17℃ 据 DSC -60 赤泥失重达到9.40%，在温度687.17~742.09℃范 -80 围，赤泥失重最明显，达到13.59%，其明显的吸热 742.09℃TGA 谷出现在温度733.59℃.可以判断，在温度小于 200400.600 8001000 温度元 550℃时，赤泥的失重主要由水钙榴铝石的脱水作 用引起，而在温度687.17~742.09℃范围，赤泥的 图1赤泥的DSC-TGA曲线 Fig.1 DSCTGA curves of red mud 失重主要是因为其中方解石的分解.由于结晶水是 在温度低于550℃下持续不断地被脱除的，因此很 1.2实验方法 难将赤泥中的结晶水用作发泡剂.方解石由于分解 将赤泥烘干、磨细至-0.15mm,然后与-0.15mm 温度范围窄，容易通过控制预热温度，再快速升温使 废玻璃、膨润土和硝酸钠充分混合，在混合物中加入 原料中的SiO2、A山，03熔融而包裹所产生的C02气 35%的水，搅拌均匀后成球造粒，球径3~6mm,然

第 10 期 杨慧芬等: 硝酸钠对改善赤泥陶粒性能的影响 瓷［8］和处理废水［9--10］虽也得到了开发，但这些新技 术的大规模工业应用还有待时日． 陶粒是一种人工骨料，其容重一般在 0. 8 ～ 2. 0 g·cm － 3 范围，较天然骨料容重低许多( 一般容重范 围为 2. 4 ～ 2. 8 g·cm － 3 ) ，因而具有许多天然骨料不 具有的性能，如保温隔热、吸声隔声、耐高温、抗老 化、无放射性、环保节能、抗震和耐久性而被广泛地 应用在轻质混凝土、轻质砖瓦等建材产品中，在岩土 充填、绝热材料、土壤工程、无土栽培、排水系统、屋 顶花园和过滤材料方面的应用也日益增多［11］． 传统陶粒的生产原料为黏土、页岩等天然原料． 为了保护环境和满足市场对陶粒需求的增长，已开 始大量使用工业固体废物，如尾矿［12］、粉煤灰［13］及 其他固体废物［14--15］制备陶粒． 陶粒制备的关键因 素之一是原料的组分． 原料中必须含有两种重要组 分: 高温下能产生气体的组分; 高温下能生成黏度足 够大，不使产生气体外逸的熔融相组分． 前者组分 也称发泡剂，它决定着气体产生量的多少，决定着陶 粒容重的高低． 一般发泡剂包括有机物、碳酸盐、硫 化物、氧化铁和某些矿物的结晶水以及某些高温下 能产生气体的钠盐，如碳酸钠和硝酸钠，或木屑等． 后者主要包括 SiO2、A12O3 组分，陶粒容重的高低与 它们形成的高温熔融相的黏度密切相关． 黏度越 大，熔融相抑制气体外逸的能力越大，包裹的气体量 就越多，陶粒容重越低． 本文以山东铝厂烧结法赤泥为主要原料，适当 配入废玻璃、膨润土以提高配料中的 SiO2、A12O3 组 分含量，再通过加入硝酸钠发泡剂，考察硝酸钠对赤 泥陶粒性能的影响效果及规律． 1 实验 1. 1 实验原料 实验所用原料主要为赤泥，其次为废玻璃、膨润 土和化学纯硝酸钠． 添加废玻璃以提高原料的 SiO2、Al2O3 含量，确保高温下生成大量的具有适宜 黏度及数量的液相以抑制气体的外逸． 添加膨润土 不但可提高陶粒原料的 SiO2、Al2O3 含量，还可以提 高原料的可塑性，克服赤泥本身可塑性不足带来的 成球困难问题． 表 1 为赤泥、废玻璃和膨润土的化 学成分． 表 1 所用原料的化学组成( 质量分数) Table 1 Chemical composition of raw materials % 成分 CaO + MgO Fe2O3 SiO2 Al2O3 TiO2 Na2O + K2O 烧失量 赤泥 35. 98 13. 81 13. 77 7. 82 3. 14 3. 05 20. 85 废玻璃 10. 27 — 73. 56 2. 30 — 14. 38 — 膨润土 5. 62 1. 86 72. 33 12. 84 0. 36 0. 98 6. 41 根据 X 射线衍射( XRD) 分析，赤泥的主要晶体 矿物为方解石，另含少量钙黄长石、钙铁榴石、水钙 榴铝石、赤铁矿与和钛酸钙等． 方解石和水钙榴铝 石在高温下具有热不稳定性，其中方解石会分解产 生 CO2 气体，水钙榴铝石会脱除其中的结晶水，因 此具有高温发泡作用． 图 1 为赤泥的 DSC--TGA 曲线． 可见，赤泥的质 量随着温度的升高逐渐减少，在温度小于 550 ℃ 时， 赤泥失重达到 9. 40% ，在温度 687. 17 ～ 742. 09 ℃范 围，赤泥失重最明显，达到 13. 59% ，其明显的吸热 谷出现在温度 733. 59 ℃ ． 可以判断，在温度小于 550 ℃时，赤泥的失重主要由水钙榴铝石的脱水作 用引起，而在温度 687. 17 ～ 742. 09 ℃ 范围，赤泥的 失重主要是因为其中方解石的分解． 由于结晶水是 在温度低于 550 ℃ 下持续不断地被脱除的，因此很 难将赤泥中的结晶水用作发泡剂． 方解石由于分解 温度范围窄，容易通过控制预热温度，再快速升温使 原料中的 SiO2、Al2O3 熔融而包裹所产生的 CO2 气 体． 因此，控制预热温度低于方解石强烈分解的温 度 687. 17 ℃，就有可能将赤泥中的方解石作为发泡 剂使用． 图 1 赤泥的 DSC--TGA 曲线 Fig． 1 DSC-TGA curves of red mud 1. 2 实验方法 将赤泥烘干、磨细至 －0. 15 mm，然后与 －0. 15 mm 废玻璃、膨润土和硝酸钠充分混合，在混合物中加入 35% 的水，搅拌均匀后成球造粒，球径 3 ～ 6 mm，然 ·1261·

·1262· 北京科技大学学报 第33卷 后在温度105±0.5℃烘箱中烘干至水分小于 对陶粒的筒压强度和吸水率影响不大，对陶粒容重 10%.烘干的小球在马弗炉温度650℃下预热 有较大的影响.可以判断，正是赤泥本身方解石的 15min,然后以22.6℃·min-1的升温速度将温度升 发泡作用导致陶粒容重的变化.随着赤泥质量分数 高到1120℃焙烧20min,取出冷却后得到陶粒. 的减少，虽然带入的方解石量减少，但由于废玻璃加 所得陶粒的容重、吸水率以及筒压强度根据轻 入量的增加提高了Si02、A1203组分的含量，提高了 集料及其试验方法(GB/T17431.2一1998)测定.陶 熔融液相的黏度，气体的外逸量减少，导致陶粒的容 粒的内部结构采用扫描电子显微镜分析，陶粒中的 重降低.但是，当赤泥质量分数减少到72%以下时， 晶体矿物采用X射线粉末衍射技术确定. 由于带入的方解石量不足，又导致了陶粒容重的增 2结果与讨论 大.只有发泡剂量和Si02、A1,03组分含量达到最 佳匹配时，才能获得容重最低的陶粒产品.以赤泥 2.1利用赤泥本身方解石为发泡剂时，赤泥、废玻 本身方解石为发泡剂时，赤泥、废玻璃和膨润土的最 璃和膨润士质量比对陶粒性能的影响 佳质量比为74：15：11时，此时得到的陶粒容重最 表2为赤泥、废玻璃和膨润土质量比对赤泥陶 低，为1.43g·cm3,吸水率和筒压强度分别为 粒性能的影响.可见，赤泥、废玻璃和膨润土质量比 1.23%和22.14MPa 表2赤泥、废玻璃和膨润土质量比对陶粒性能的影响 Table 2 Effect of the mass ratio of red mud/waste glass/bentonite on the properties of ceramsite 质量分数/呢 容重/ 简压强度/ 编号 吸水率/% 赤泥 废玻璃 膨润土 (g°cm-3) MPa RFBI 87.0 0 13.0 1.73 2.59 23.23 RFB2 83.5 4.0 12.5 1.69 1.38 25.57 RFB3 80.0 8.0 12.0 1.68 1.34 26.38 RFB4 77.0 11.5 11.5 1.53 1.25 22.32 RFB5 74.0 15.0 11.0 1.43 1.23 22.14 RFB6 72.0 17.5 10.5 1.45 1.26 22.12 2.2硝酸钠发泡剂对赤泥陶粒性能的影响 粒容重，必须外加发泡剂.硝酸钠是一种能在高 在赤泥、废玻璃和膨润土配比74：15：11条 温下产气的物质，其高温产气反应为4NaN0,→ 件下，利用赤泥本身方解石的发泡作用，得到了 2N2+2Na,0+502·表3为硝酸钠质量含量对陶 容重1.43g·cm-3的陶粒，但若需进一步降低陶 粒性能的影响 表3硝酸钠含量对陶粒性能的影响 Table 3 Effect of NaNO;content on the properties of ceramsite 质量分数/呢 容重/ 简压强度/ 编号 吸水率/% 赤泥 废玻璃 膨润土 NaNO (g*cm-3) MPa RFB5 74.0 15.0 11.0 0 1.43 1.23 22.14 RFBNI 73.0 14.8 10.8 1.4 1.39 1.23 18.70 RFBN2 72.0 14.6 10.6 2.8 1.37 1.47 26.19 RFBN3 71.0 14.4 10.4 4.2 1.35 1.59 23.23 RFBN4 70.0 14.2 10.2 5.6 1.28 1.54 12.03 RFBN5 69.0 14.0 10.2 6.8 1.29 1.67 8.23 RFBN6 68.0 13.8 10.2 8.0 1.40 3.45 4.23 可见，在利用赤泥中方解石为发泡剂的基础上， 逸，增大陶粒的容重.最佳的NaNO3质量分数为 外加发泡剂NaNO,可使陶粒的容重得到进一步降 5.6%,即赤泥、废玻璃、膨润土和NaNO3质量比为 低.但是，NaN03质量分数不宜超过5.6%，否则会 70.0:14.2:10.2:5.6,此时陶粒的容重、吸水率和筒 由于NaNO,降低原料熔点而导致部分气体提前外 压强度分别为1.28gcm-3、L.54%和12.03MPa

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 后在温 度 105 ± 0. 5 ℃ 烘箱中烘干至水分小于 10% ． 烘干的小球在马弗炉温度 650 ℃ 下 预 热 15 min，然后以 22. 6 ℃·min － 1 的升温速度将温度升 高到 1 120 ℃焙烧 20 min，取出冷却后得到陶粒． 所得陶粒的容重、吸水率以及筒压强度根据轻 集料及其试验方法( GB /T17431. 2—1998) 测定． 陶 粒的内部结构采用扫描电子显微镜分析，陶粒中的 晶体矿物采用 X 射线粉末衍射技术确定． 2 结果与讨论 2. 1 利用赤泥本身方解石为发泡剂时，赤泥、废玻 璃和膨润土质量比对陶粒性能的影响 表 2 为赤泥、废玻璃和膨润土质量比对赤泥陶 粒性能的影响． 可见，赤泥、废玻璃和膨润土质量比 对陶粒的筒压强度和吸水率影响不大，对陶粒容重 有较大的影响． 可以判断，正是赤泥本身方解石的 发泡作用导致陶粒容重的变化． 随着赤泥质量分数 的减少，虽然带入的方解石量减少，但由于废玻璃加 入量的增加提高了 SiO2、A12O3 组分的含量，提高了 熔融液相的黏度，气体的外逸量减少，导致陶粒的容 重降低． 但是，当赤泥质量分数减少到 72% 以下时， 由于带入的方解石量不足，又导致了陶粒容重的增 大． 只有发泡剂量和 SiO2、A12O3 组分含量达到最 佳匹配时，才能获得容重最低的陶粒产品． 以赤泥 本身方解石为发泡剂时，赤泥、废玻璃和膨润土的最 佳质量比为 74∶ 15 ∶ 11 时，此时得到的陶粒容重最 低，为 1. 43 g·cm － 3 ，吸水率和筒压强度分别为 1. 23% 和 22. 14 MPa． 表 2 赤泥、废玻璃和膨润土质量比对陶粒性能的影响 Table 2 Effect of the mass ratio of red mud /waste glass/bentonite on the properties of ceramsite 编号 质量分数/% 赤泥 废玻璃 膨润土 容重/ ( g·cm － 3 ) 吸水率/% 筒压强度/ MPa RFB1 87. 0 0 13. 0 1. 73 2. 59 23. 23 RFB2 83. 5 4. 0 12. 5 1. 69 1. 38 25. 57 RFB3 80. 0 8. 0 12. 0 1. 68 1. 34 26. 38 RFB4 77. 0 11. 5 11. 5 1. 53 1. 25 22. 32 RFB5 74. 0 15. 0 11. 0 1. 43 1. 23 22. 14 RFB6 72. 0 17. 5 10. 5 1. 45 1. 26 22. 12 2. 2 硝酸钠发泡剂对赤泥陶粒性能的影响 在赤泥、废玻璃和膨润土配比 74 ∶ 15 ∶ 11 条 件下，利用赤泥本身方解石的发泡作用，得到了 容重 1. 43 g·cm － 3 的 陶 粒，但若需进一步降低陶 粒容重，必须外加发泡剂． 硝酸钠是一种能在高 温下产气 的 物 质，其高温产气反应为 4NaNO3 → 2N2 + 2Na2O + 5O2 ． 表 3 为硝酸钠质量含量对陶 粒性能的影响． 表 3 硝酸钠含量对陶粒性能的影响 Table 3 Effect of NaNO3 content on the properties of ceramsite 编号 质量分数/% 赤泥 废玻璃 膨润土 NaNO3 容重/ ( g·cm － 3 ) 吸水率/% 筒压强度/ MPa RFB5 74. 0 15. 0 11. 0 0 1. 43 1. 23 22. 14 RFBN1 73. 0 14. 8 10. 8 1. 4 1. 39 1. 23 18. 70 RFBN2 72. 0 14. 6 10. 6 2. 8 1. 37 1. 47 26. 19 RFBN3 71. 0 14. 4 10. 4 4. 2 1. 35 1. 59 23. 23 RFBN4 70. 0 14. 2 10. 2 5. 6 1. 28 1. 54 12. 03 RFBN5 69. 0 14. 0 10. 2 6. 8 1. 29 1. 67 8. 23 RFBN6 68. 0 13. 8 10. 2 8. 0 1. 40 3. 45 4. 23 可见，在利用赤泥中方解石为发泡剂的基础上， 外加发泡剂 NaNO3，可使陶粒的容重得到进一步降 低． 但是，NaNO3 质量分数不宜超过 5. 6% ，否则会 由于 NaNO3 降低原料熔点而导致部分气体提前外 逸，增大陶粒的容重． 最佳的 NaNO3 质量分数为 5. 6% ，即赤泥、废玻璃、膨润土和 NaNO3 质量比为 70. 0∶ 14. 2∶ 10. 2∶ 5. 6，此时陶粒的容重、吸水率和筒 压强度分别为 1. 28 g·cm － 3 、1. 54 % 和 12. 03 MPa． ·1262·

第10期 杨慧芬等：硝酸钠对改善赤泥陶粒性能的影响 ·1263· 3陶粒的表征 低.对于RFB5陶粒，赤泥质量分数及带入的方解 石虽较前两者小，但配入的废玻璃量较前两者大，导 3.1陶粒的内部结构 致了发泡剂—方解石量和Si0,、A1,0,组分含量 图2为编号RFB1、RFB3和RFB5陶粒的SEM 的较佳匹配，因而获得了内部气孔较前两者发达，容 像.可见，RFBI、RFB3和RFB5三种陶粒的气孔均 重较前两者低的陶粒产品。但是，由于微小封闭孔 以封闭孔为主，且有些封闭气孔孔径非常微小.封 所占比例过大，气泡发育不良，要进一步降低陶粒的 闭气孔导致陶粒的吸水率较低，发育不好的气泡使 容重，需外加发泡剂 陶粒具有较高的筒压强度.气孔多少的排顺为 图3为编号RFBN2、RFBN4陶粒的SEM像.可 RFBI<RFB3<RFB5,气孔多则陶粒的容重低，与表 见，外加NaNO,发泡剂后，得到的RFBN2、RFBN4 2容重大小规律一致.对于RFB1陶粒，虽然赤泥的 两种陶粒，其气孔虽然仍以封闭气孔为主，但气孔率 质量分数比较高，带入的发泡剂一方解石量较大， 明显较未加NaNO3的RFB1、RFB3和RFB5陶粒高 但由于未加废玻璃，体系Si02、A山03含量偏低，形 得多.且NaNO3含量增大有助于气孔的发育长大， 成的液相黏度偏小，难以包裹大量的C02气体而使 有利于陶粒容重的降低，这与表3的规律一致.显 RFB1陶粒的容重偏大.对于RFB3陶粒，虽然降低 然，NaNO,质量分数为5.6%的RFBN4陶粒，其内 了赤泥的质量分数，减少了带入的方解石量，但由于 部气孔较NaNO,质量分数为2.8%的RFBN2陶粒 配加废玻璃提高了体系的SiO2、A山，0，含量，进而提 发达，气孔也较均匀，表现为表3中陶粒的容重 高了熔融液相的黏度，使得陶粒的容重不增反而降 较低. 图2编号RFBI、RFB3和RFB5陶粒的SEM像 Fig.2 SEM images of ceramsite No.RFBI,RFB3 and RFB5 图3编号RFBN2和RFBN4陶粒的SEM像 Fig.3 SEM images of ceramsite No.RFBN2 and RFBN4 3.2陶粒的矿物组成 不同.用赤泥、废玻璃和膨润土质量比为74：15：11 图4为赤泥、编号为RFB5、RFBN4陶粒的XRD 所制备的陶粒RFB5,主要晶体矿物为钙黄长石，含 谱.可见，RFB5、RFBN4陶粒的主要晶体矿物与赤 极少量的钙铁榴石：而用赤泥、废玻璃、膨润土和 泥有很大的不同.陶粒的主要晶体矿物为钙黄长石 NaN03质量比为70.0：14.2：10.2：5.6所制备的陶 和钙铁榴石等，而赤泥的主要晶体矿物为方解石以 粒RFBN4,其主要晶体矿物钙黄长石及钙铁榴石的 及少量的钙黄长石、钙铁榴石、水钙榴铝石、赤铁矿 含量均比RFB5陶粒高得多. 和钛酸钙等.原料配比不同，所得陶粒的矿物组成

第 10 期 杨慧芬等: 硝酸钠对改善赤泥陶粒性能的影响 3 陶粒的表征 3. 1 陶粒的内部结构 图 2 为编号 RFB1、RFB3 和 RFB5 陶粒的 SEM 像． 可见，RFB1、RFB3 和 RFB5 三种陶粒的气孔均 以封闭孔为主，且有些封闭气孔孔径非常微小． 封 闭气孔导致陶粒的吸水率较低，发育不好的气泡使 陶粒具有较高的筒压强度． 气孔多少的排顺为 RFB1 ＜ RFB3 ＜ RFB5，气孔多则陶粒的容重低，与表 2 容重大小规律一致． 对于 RFB1 陶粒，虽然赤泥的 质量分数比较高，带入的发泡剂———方解石量较大， 但由于未加废玻璃，体系 SiO2、Al2O3 含量偏低，形 成的液相黏度偏小，难以包裹大量的 CO2 气体而使 RFB1 陶粒的容重偏大． 对于 RFB3 陶粒，虽然降低 了赤泥的质量分数，减少了带入的方解石量，但由于 配加废玻璃提高了体系的 SiO2、Al2O3 含量，进而提 高了熔融液相的黏度，使得陶粒的容重不增反而降 低． 对于 RFB5 陶粒，赤泥质量分数及带入的方解 石虽较前两者小，但配入的废玻璃量较前两者大，导 致了发泡剂———方解石量和 SiO2、A12O3 组分含量 的较佳匹配，因而获得了内部气孔较前两者发达，容 重较前两者低的陶粒产品． 但是，由于微小封闭孔 所占比例过大，气泡发育不良，要进一步降低陶粒的 容重，需外加发泡剂． 图 3 为编号 RFBN2、RFBN4 陶粒的 SEM 像． 可 见，外加 NaNO3 发泡剂后，得到的 RFBN2、RFBN4 两种陶粒，其气孔虽然仍以封闭气孔为主，但气孔率 明显较未加 NaNO3 的 RFB1、RFB3 和 RFB5 陶粒高 得多． 且 NaNO3 含量增大有助于气孔的发育长大， 有利于陶粒容重的降低，这与表 3 的规律一致． 显 然，NaNO3 质量分数为 5. 6% 的 RFBN4 陶粒，其内 部气孔较 NaNO3 质量分数为 2. 8% 的 RFBN2 陶粒 发达，气 孔 也 较 均 匀，表 现 为 表 3 中 陶 粒 的 容 重 较低． 图 2 编号 RFB1、RFB3 和 RFB5 陶粒的 SEM 像 Fig． 2 SEM images of ceramsite No． RFB1，RFB3 and RFB5 图 3 编号 RFBN2 和 RFBN4 陶粒的 SEM 像 Fig． 3 SEM images of ceramsite No． RFBN2 and RFBN4 3. 2 陶粒的矿物组成 图 4 为赤泥、编号为 RFB5、RFBN4 陶粒的 XRD 谱． 可见，RFB5、RFBN4 陶粒的主要晶体矿物与赤 泥有很大的不同． 陶粒的主要晶体矿物为钙黄长石 和钙铁榴石等，而赤泥的主要晶体矿物为方解石以 及少量的钙黄长石、钙铁榴石、水钙榴铝石、赤铁矿 和钛酸钙等． 原料配比不同，所得陶粒的矿物组成 不同． 用赤泥、废玻璃和膨润土质量比为 74∶ 15∶ 11 所制备的陶粒 RFB5，主要晶体矿物为钙黄长石，含 极少量的钙铁榴石; 而用赤泥、废玻璃、膨润土和 NaNO3 质量比为 70. 0∶ 14. 2∶ 10. 2∶ 5. 6 所制备的陶 粒 RFBN4，其主要晶体矿物钙黄长石及钙铁榴石的 含量均比 RFB5 陶粒高得多． ·1263·

·1264· 北京科技大学学报 第33卷 for the utilisation of wastes from metallurgical and allied industries. 2 1.方解石 2.钙黄长石 Resour Conserv Recycl,2006,48(4):301 3.钙铁榴石4，水钙榴铝石 [2]Yin G X,Xing M F,Yu G Y.The study on manufacture of 5.赤铁矿 6.钛酸钙 haydite by using industrial solid wastes.J Henan Polytech Univ Nat Sci,2008,27(2):491 32 3 (尹国勋，邢明飞，余功耀.利用赤泥等工业固体废物制备陶 粒.河南理工大学学报：自然科学版，2008,27(4)：491) RFBN4 B]Wang S B,Ang H M,Tade M O.Novel applications of red mud as coagulant,adsorbent and catalyst for environmentally benign RFB5 processes.Chemasphere,2008,72(11):1621 4]Senff L,Hotza D,Labrincha J A.Effect of red mud addition on 人人 the rheological behaviour and on hardened state characteristics of 赤泥 cement mortars.Constr Build Mater,2011,25(1):163 20 30 40 50 60 70 20W( 5]Liu W C.Yang J K,Xiao B.Application of Bayer red mud for iron recovery and building material production from alumosilicate 图4赤泥、编号为RFB5、RFBN4陶粒的XRD谱 residues.J Hazard Mater,2009,161(1):474 Fig.4 XRD patterns of red mud,ceramsite No.RFB5 and RFBN4 [6]Zhong L,Zhang Y F,Zhang Y.Extraction of alumina and sodium oxide from red mud by a mild hydro-chemical process.J Hazard 4结论 Mater,2009,172(2/3):1629 ] Agatzini-eonardou S,Oustadakis P,Tsakiridis P E,et al.Tita- (1)赤泥本身含有大量的方解石，有自发泡制 nium leaching from red mud by diluted sulfuric acid at atmospheric 备轻质陶粒的可能.在赤泥、废玻璃和膨润土质量 pressure.J Hazard Mater,2008,157(2/3):579 比74：15：11时，利用赤泥的自发泡性能制备得到了 [8]Yang HZ,Chen C P,Pan L J,et al.Preparation of double layer 容重、吸水率和筒压强度分别为1.43g·cm3、 glass ceramic/ceramic tile from bauxite tailings and red mud.J 1.23%和22.14MPa的陶粒. Eur Ceram Soc,2009,29(10):1887 Nadaroglu H,Kalkan E,Demir N.Removal of copper from aque- (2)外加NaNO,发泡剂能明显降低陶粒的容 ⊙ ous solution using red mud.Desalination,2010,251 (13):90 重.在赤泥、废玻璃、膨润土和NaNO3质量比70.O: [10]Tor A,Danaoglu N,Arslan G.Removal of fluoride from water by 14.2:10.2:5.6时，可得到容重、吸水率和筒压强度 using granular red mud:Batch and column studies.J Hazard 分别为1.28gcm-3、1.54%和12.03MPa的陶粒. Mater,2009,164(1):271 (3)以赤泥中方解石或外加NaNO,为发泡剂 [11]Liu Y S,Du F,Yuan L,et al.Production of lightweight ceram- isite from iron ore tailings and its performance investigation in a 制备得到的陶粒，其气孔均以封闭气孔为主：但 biological aerated filter (BAF)reactor.J Hazard Mater,2010. NaNO为发泡剂时所得陶粒的气孔率较大，气孔较 178(13):999 均匀，因而性能更好 [12]Gonzalez-Corrochano B,Alonso-Azcarate J.Rodas M.Produc- (4)陶粒中的主要晶体矿物不同于赤泥.前者 tion of lightweight aggregates from mining and industrial wastes. 以钙黄长石为主，后者以方解石为主.原料配比不 Enriron Manage,2009,90(8)2801 [13]Chen HJ,Wang S Y,Tang C W.Reuse of incineration fly ashes 同，所得陶粒的矿物组成有所不同.以赤泥本身为 and reaction ashes for manufacturing lightweight aggregate.Constr 发泡剂所制备的陶粒，其中钙黄长石、钙铁榴石的含 Build Mater,2010,24(1)46 量明显低于以NaNO3为发泡剂的陶粒 [14]Ducman V,Mirtic B.The applicability of different waste materi- (5)利用赤泥制备陶粒不仅为赤泥利用提供了 als for the production of lightweight aggregates.Waste Manage, 新的途径，也为陶粒生产提供了新的原料方向 2009,29(8):2361 [15]Gunning P J,Hills C D,Carey P J.Production of lightweight ag- 参考文献 gregate from industrial waste and carbon dioxide.Waste Manage, Kumar S,Kumar R,Bandopadhyay A.Innovative methodologies 2009,29(10):2722

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 4 赤泥、编号为 RFB5、RFBN4 陶粒的 XRD 谱 Fig． 4 XRD patterns of red mud，ceramsite No． RFB5 and RFBN4 4 结论 ( 1) 赤泥本身含有大量的方解石，有自发泡制 备轻质陶粒的可能． 在赤泥、废玻璃和膨润土质量 比 74∶ 15∶ 11 时，利用赤泥的自发泡性能制备得到了 容重、吸水率和筒压强度分别为 1. 43 g·cm － 3 、 1. 23% 和 22. 14 MPa 的陶粒． ( 2) 外加 NaNO3 发泡剂能明显降低陶粒的容 重． 在赤泥、废玻璃、膨润土和 NaNO3 质量比 70. 0∶ 14. 2∶ 10. 2∶ 5. 6 时，可得到容重、吸水率和筒压强度 分别为 1. 28 g·cm － 3 、1. 54% 和 12. 03 MPa 的陶粒． ( 3) 以赤泥中方解石或外加 NaNO3 为发泡剂 制备 得 到 的 陶 粒，其气孔均以封闭气孔为主; 但 NaNO3 为发泡剂时所得陶粒的气孔率较大，气孔较 均匀，因而性能更好． ( 4) 陶粒中的主要晶体矿物不同于赤泥． 前者 以钙黄长石为主，后者以方解石为主． 原料配比不 同，所得陶粒的矿物组成有所不同． 以赤泥本身为 发泡剂所制备的陶粒，其中钙黄长石、钙铁榴石的含 量明显低于以 NaNO3 为发泡剂的陶粒． ( 5) 利用赤泥制备陶粒不仅为赤泥利用提供了 新的途径，也为陶粒生产提供了新的原料方向． 参 考 文 献 ［1］ Kumar S，Kumar R，Bandopadhyay A． Innovative methodologies for the utilisation of wastes from metallurgical and allied industries． Resour Conserv Recycl，2006，48( 4) : 301 ［2］ Yin G X，Xing M F，Yu G Y． The study on manufacture of haydite by using industrial solid wastes． J Henan Polytech Univ Nat Sci，2008，27( 2) : 491 ( 尹国勋，邢明飞，余功耀． 利用赤泥等工业固体废物制备陶 粒． 河南理工大学学报: 自然科学版，2008，27( 4) : 491) ［3］ Wang S B，Ang H M，Tadé M O． Novel applications of red mud as coagulant，adsorbent and catalyst for environmentally benign processes． Chemosphere，2008，72( 11) : 1621 ［4］ Senff L，Hotza D，Labrincha J A． Effect of red mud addition on the rheological behaviour and on hardened state characteristics of cement mortars． Constr Build Mater，2011，25( 1) : 163 ［5］ Liu W C，Yang J K，Xiao B． Application of Bayer red mud for iron recovery and building material production from alumosilicate residues． J Hazard Mater，2009，161( 1) : 474 ［6］ Zhong L，Zhang Y F，Zhang Y． Extraction of alumina and sodium oxide from red mud by a mild hydro-chemical process． J Hazard Mater，2009，172( 2 /3) : 1629 ［7］ Agatzini-Leonardou S，Oustadakis P，Tsakiridis P E，et al． Tita￾nium leaching from red mud by diluted sulfuric acid at atmospheric pressure． J Hazard Mater，2008，157( 2 /3) : 579 ［8］ Yang H Z，Chen C P，Pan L J，et al． Preparation of double layer glass ceramic /ceramic tile from bauxite tailings and red mud． J Eur Ceram Soc，2009，29( 10) : 1887 ［9］ Nadaroglu H，Kalkan E，Demir N． Removal of copper from aque￾ous solution using red mud． Desalination，2010，251( 1-3) : 90 ［10］ Tor A，Danaoglu N，Arslan G． Removal of fluoride from water by using granular red mud: Batch and column studies． J Hazard Mater，2009，164( 1) : 271 ［11］ Liu Y S，Du F，Yuan L，et al． Production of lightweight ceram￾isite from iron ore tailings and its performance investigation in a biological aerated filter ( BAF) reactor． J Hazard Mater，2010， 178( 1-3) : 999 ［12］ González-Corrochano B，Alonso-Azcárate J，Rodas M． Produc￾tion of lightweight aggregates from mining and industrial wastes． J Environ Manage，2009，90( 8) : 2801 ［13］ Chen H J，Wang S Y，Tang C W． Reuse of incineration fly ashes and reaction ashes for manufacturing lightweight aggregate． Constr Build Mater，2010，24( 1) : 46 ［14］ Ducman V，Mirticˇ B． The applicability of different waste materi￾als for the production of lightweight aggregates． Waste Manage， 2009，29( 8) : 2361 ［15］ Gunning P J，Hills C D，Carey P J． Production of lightweight ag￾gregate from industrial waste and carbon dioxide． Waste Manage， 2009，29( 10) : 2722 ·1264·