公布日：2023.08.08
申请日：2023.05.11
分类号：C04B28/00(2006.01)I;C04B14/02(2006.01)I;C04B14/06(2006.01)I;B33Y10/00(2015.01)I;B33Y70/00(2020.01)I;C02F11/12(2019.01)I;C02F11/10(2006.01)I;C02F11
/00(2006.01)I
摘要
本发明公开了一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制备方法,该水泥材料主要组分为污泥炭、纳米二氧化硅、沸石、水泥基材料等，其制备方法为先将市政污泥进行调理改型，经高干脱水、破碎、干燥、热解得到污泥炭；分别对污泥炭、沸石进行清洗、烘干、研磨并筛分；对纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭进行球磨，再添加到悬浮液中进行磁力搅拌，分离处出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，干燥得到污泥炭原料；将经粘土处理的污泥炭原料进行热解、研磨，并掺入水泥基材料内，制得纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。本发明通过改变水泥的理化性质，以增强水泥的固碳能力，增加其保温效果，提升水泥对室内有毒有害气体的吸附和提升其抗压强度等。
权利要求书
1.一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料，其特征在于，包括以下组分：水泥基材料；以及由除杂污泥炭、纳米二氧化硅、除杂沸石为原料制成的纳米二氧化硅改性污泥炭材料；其中，纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5；除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的80%；除杂沸石的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的3%；水泥基材料与纳米二氧化硅改性污泥炭材料的质量比为（30-40）：1。
2.一种如权利要求1所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1）先将市政污泥进行调理改型，再高干脱水成为脱水泥饼，然后将脱水泥饼破碎成市政污泥颗粒，再对市政污泥颗粒依次进行干燥、热解，产生污泥炭，最后将污泥炭自然放置冷却至室温；步骤2）将冷却后的污泥炭用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂污泥炭，再对除杂污泥炭进行研磨并筛分；步骤3）将沸石用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂沸石，再对除杂沸石进行研磨并筛分；步骤4）在球磨机中研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭，再将研磨后的混合物添加到悬浮液中，并进行磁力搅拌，然后从中分离处出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并干燥，得到污泥炭原料；步骤5）将经粘土处理的污泥炭原料置于管式炉内的石英管中，在惰性气体氛围下进行热解，制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料，并进行研磨；步骤6）将经研磨的纳米二氧化硅改性污泥炭材料掺入水泥基材料内，制得纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。
3.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，在对市政污泥进行调理改性时，添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，高干脱水后的脱水泥饼的含水率≤60%，所述脱水泥饼经破碎机粉碎后的市政污泥颗粒的粒径大小≤50mm。
5.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤4）中，纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5，纳米二氧化硅的粒径为5-50nm，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的80%，除杂沸石占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的3%。
6.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述悬浮液是由蒙脱石或高岭土粉末中的一种或两种加入到去离子水中后，用超声波发生器超声处理后制得，蒙脱石和/或高岭土粉末的质量是纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的20%。7.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤5）中，热解经粘土处理的泥炭原料的条件为，在惰性气体N2氛围，热解温度600-800℃下，缓慢热解1h。
8.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤6）中，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，纳米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的质量分数不超过5%。
9.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤6）中，所述水泥基材料选用掺入水灰比为0.3-0.5的水泥。
10.一种如权利要求1所述的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的应用，其特征在于，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料作为3D打印建筑材料，用于建筑物的3D打印建造。
发明内容
针对现有水泥生产和使用存在二氧化碳排放过多、抗压强度较低、不隔热等问题，本发明提供了一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及其制备方法和应用，通过改变水泥的理化性质，以增强水泥的固碳能力，增加其保温效果，提升水泥对室内有毒有害气体的吸附和提升其抗压强度等。
为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料，包括以下组分：
水泥基材料；
以及由除杂污泥炭、纳米二氧化硅、除杂沸石为原料制成的纳米二氧化硅改性污泥炭材料；
其中，
纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5；
除杂污泥炭的质量约占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的80%；
除杂沸石的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料质量的3%；
水泥基材料与纳米二氧化硅改性污泥炭材料的质量比为（30-40）：1。
除杂污泥炭是由市政污泥进行调理改性、高干脱水、破碎、干燥、热解得到污泥炭后，再经清洗、烘干、研磨并筛分后获得；
除杂沸石是由将沸石进行清洗、烘干、、研磨并筛分后获得；
纳米二氧化硅改性污泥炭材料是由纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭进行球磨，再添加到悬浮液中进行磁力搅拌，分离出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，干燥得到污泥炭原料后，再置于管式炉内的石英管中，在惰性气体氛围下进行热解、研磨后获得；
纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料是由纳米二氧化硅改性污泥炭材料掺入水泥基材料内获得。
一种纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1）先将市政污泥进行调理改型，再高干脱水成为脱水泥饼，然后将脱水泥饼破碎成市政污泥颗粒，再对市政污泥颗粒依次进行干燥、热解，产生污泥炭，最后将污泥炭自然放置冷却至室温；
步骤2）将冷却后的污泥炭用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂污泥炭，再对除杂污泥炭进行研磨并筛分；
步骤3）将沸石用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂沸石，再对除杂沸石进行研磨并筛分；
步骤4）在球磨机中研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭，再将研磨后的混合物添加到悬浮液中，并进行磁力搅拌，然后从中分离处出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并干燥，得到污泥炭原料；
步骤5）将经粘土处理的污泥炭原料置于管式炉内的石英管中，在惰性气体氛围下进行热解，制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料，并进行研磨；
步骤6）将经研磨的纳米二氧化硅改性污泥炭材料掺入水泥基材料内，制得纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。
水泥基材料表层通过复合材料的固碳特性和多孔结构，提高了对CO2的吸收能力，通过纳米二氧化硅的加速水化特性加，速了水泥基材料表层的碳化作用，在表面形成碳酸钙保护层，提高了耐久性能；同时，水泥基材料内部通过复合材料的多孔结构与“小尺寸效应”的保水性和亲水性对水分的逐渐释放，发生二次水化作用，填充孔隙，细化水泥基材料内部结构，使得水泥基材料具有优异的力学性能和耐久性。
进一步的，步骤1）中，在对市政污泥进行调理改性时，添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂中的一种或几种。
进一步的，步骤1）中，高干脱水后的脱水泥饼的含水率≤60%，所述脱水泥饼经破碎机粉碎后的市政污泥颗粒的粒径大小≤50mm。
进一步的，步骤1）中，在对市政污泥颗粒进行干燥、热解时，先将市政污泥颗粒送入干化炉内，在120℃下干燥60min，之后通过马弗炉对市政污泥颗粒进行热解，热解温度为600℃，氮气流速为0.5L/min，升温速率为10℃/min，在惰性N2气氛下热解2-3h。
进一步的，所述干化炉为内热式干化炉，温度范围为120℃，停留时间60min。
进一步的，步骤2）中，在对污泥炭进行清洗时，加入去离子水目的是去除污泥炭中多余的无机盐杂质离子，然后通过超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌。
进一步的，步骤2）中，在对除杂污泥炭进行研磨和筛分时，使用机械研磨机对除杂污泥炭进行研磨，然后通过0.6mm筛网进行筛分。
进一步的，步骤3）中，在对沸石进行清洗时，加入去离子水的目的是去除沸石中包括碳酸盐、有机物在内的杂质。
进一步的，步骤3）中，在对除杂沸石进行研磨和筛分时，使用机械研磨机对除杂沸石进行研磨，然后通过0.6mm筛网进行筛分。
进一步的，步骤4）中，在研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭时，球磨机的转速为800rpm，研磨时间为20min，并且纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5，纳米二氧化硅的粒径为5-50nm，除杂污泥炭的质量占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的80%，除杂沸石占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的的3%。
进一步的，步骤4）中，所述悬浮液是由蒙脱石或高岭土粉末中的一种或两种加入到去离子水中后，用超声波发生器超声处理后制得，蒙脱石和/或高岭土粉末的质量是纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的20%。
进一步的，步骤4）中，球磨后的纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物的质量为10g；所述悬浮液是由2g蒙脱石或高岭土粉末加入到500mL去离子水中后用超声波发生器超声处理30min后制得；用磁力搅拌器搅拌3小时。
进一步的，步骤4）中，干燥经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭的温度为80℃。
进一步的，步骤5）中，热解经粘土处理的泥炭原料的条件为，在惰性气体N2氛围，热解温度600-800℃下，缓慢热解1h。
进一步的，步骤5）中，将制得的纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz，1000转/min下研磨3h，制得微米级污泥炭；
进一步的，所述微米级污泥炭的粒径优选为1-5μm。
进一步的，步骤6）中，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，纳米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的质量分数不超过5%。
进一步的，所述纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，纳米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的质量分数在不超过3%。
进一步的，步骤6）中，所述水泥基材料选用掺入水灰比为0.3-0.5的水泥。
进一步的，所述水泥基材料选用掺入水灰比为0.4的水泥。
上述制得的纳米二氧化硅改性污泥炭水泥材料可以作为3D打印建筑材料，用于建筑物的3D打印建造。
本发明的有益效果为：
1、本发明将污泥炭材料用于改性水泥基材料，利用污泥炭自身孔隙结构和吸附性能，可以用于固碳和吸收房屋内挥发性有机物质；此外，由于污泥炭本身的热传导性低、不易燃、化学性质稳定、不易使水泥内部结构发生化学腐坏的特点，使其在改性水泥基材料中有积极作用；并且污泥炭还可以提升水泥基材料强度机理，提高密实度，并且污泥炭内部吸收的水分可用于水泥水化增强水泥强度。
2、本发明的纳米二氧化硅改性污泥炭掺入量在3%以内，可以提高水泥的力学性能；强度的发展对3D打印水泥至关重要，掺入的微米级污泥炭，水泥28d抗压强度提高提升了10-20%，28d抗弯强度提高了5-10%，56d的自收缩率降低了5-15%；纳米二氧化硅改性污泥炭中的硅还可以与水泥体系中的铝和钙形成额外的C-S-H键，使结构致密化并增强机械性能。
3、发明特制的污泥炭具有3D多孔和2D片状结构，并且污泥炭的掺入，使其孔隙可以破坏污泥炭-水泥复合材料的热桥，这是复合材料具有低热导性和隔热性能的原因；将5wt%污泥炭掺入水泥，其导热率降低了15-25%，还改善了污泥炭-水泥复合材料在200-2000Hz频率范围内的声学性能，有隔热和隔音的效果。
4、本发明的污泥炭水泥是一种对气候有利的粘合剂，可促进水泥水合，从而形成更致密的基质，用于封装PTE和充当一种经济高效的挥发性有机物（VOCs）吸附剂。
5、本发明的污泥炭水泥与普通水泥相比，在1.56GHz下，掺入0.5wt%生物炭后，电磁屏蔽效能最大能增加200-250%；污泥炭水泥复合材料的电磁屏蔽性能可通过污泥炭含量来提高，在高于4GHz的频率下，污泥炭含量变得更加明显。
6、本发明的污泥炭水泥建筑材料在3D打印下可以减少30-60%的建筑垃圾，50-80%的劳动力成本和50-70%的劳动时间；纳米二氧化硅作为添加剂可以改善3D水泥打印的触变性和可构建性，并且污泥炭的加入还可以降低水泥3D打印的密度，增强可挤压性和可建造性。
7、本发明用于制造污泥炭-水泥复合材料的污泥炭研磨过程的二氧化碳排放量与水泥熟料产生的二氧化碳相比可以忽略不计，并且与普通水泥相比，在水泥中掺入4wt%的污泥炭可以额外储存0.08kg的CO2,掺入8wt%球磨污泥炭可减少10-20%的CO2。
（发明人：俞益辉;钱飞跃;丁玲玲;李浩然;盛秉诚）
