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一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法
申请号	CN201710275423.8	申请日	2017-04-25	公开(公告)号	CN107056156A	公开(公告)日	2017-08-18
申请人	东南大学;			发明人	钱春香; 苏依林; 伊海赫;
摘要	本发明公开了一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，该方法包括以下步骤：1)将铜渣、钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料，钢渣用于减少泌水，石灰用于提供钙源；2)在复合胶凝材料倒入搅拌锅中，之后加入微生物菌粉的水溶液、砂并搅拌均匀成浆体，之后振捣成型，得到试件；3)试件脱模后得到试样，之后将试样经养护后得到所述建材。本发明提供的方法以铜渣为主要原料，以微生物矿化为方法，实现了对铜渣等废弃物的有效利用，同时具有制备工艺简单，能耗低，环境友好等优点，同时该方法制备的建材具有一定的力学强度，掺钢渣的建材力学性能较纯铜渣建材有着明显提升。
权利要求	1.一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： 1)将铜渣、钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料； 2)将复合胶凝材料倒入搅拌锅中，之后加入微生物菌粉的水溶液继续搅拌至均匀，随后加入砂并搅拌均匀成浆体，之后将浆体倒入模具中振捣成型，得到试件； 3)将步骤2)得到的试件置于相对湿度为60％±3％、温度为20±2℃的环境中养护脱模得到试样，将试样置于相对湿度为95％以上、温度为20±2℃的标准室中养护，之后再将试样放入压力釜中，经碳养护后得到所述利用微生物矿化处理铜渣制备得建材。 2.如权利要求1所述的一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，其特征在于：所述的铜渣和钢渣的总质量与石灰的质量比为7:3，其中铜渣与钢渣的质量比为1:1～5:1；所述微生物菌粉是指能产碳酸酐酶的微生物菌粉，其掺量为复合胶凝材料质量的1％～2％；所述微生物菌粉的水溶液中水的质量与复合胶凝材料的质量比为0.4～0.6，复合胶凝材料与砂的质量比为1:2～1:3。 3.如权利要求1所述的一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，其特征在于：所述的微生物菌粉为胶质芽孢杆菌。 4.如权利要求1所述的一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，其特征在于：步骤3)所述的养护脱模是指在相对湿度为60％±3％、温度为20±2℃的环境中养护1～2d后脱模，得到试样；所述的在标准室中养护的时长为2～3d。 5.如权利要求1所述的一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，其特征在于：步骤3)所述的碳养护是指在CO2体积分数为15％～50％、环境温度为22℃～25℃、相对湿度 40％～80％的条件下养护1～3d，或者在相对湿度70％±3％、CO2压力为0.1～0.3MPa的条件下养护4～6h。
说明书全文	一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，属于环境材料科学领域。背景技术 [0002] 铜渣主要是在铜精矿造锍熔炼过程产生的，目前世界上主要的炼铜工艺是造锍熔炼技术。该工艺是在1150～1250℃的高温氧化气氛条件下，使铜精矿中的铜尽可能富集到铜锍中，铜精矿中伴生的铁氧化物和脉石富集到炉渣中。因此，铜渣中往往含有高品位的铁，这些铁主要以氧化亚铁的形式存在，含量在25％～30％，铁含量过高使得铜渣往往被用来回收铁等金属；但长期以来，仅仅靠回收铁等金属使得铜渣资源化的程度仍然欠缺，大量的铜渣在渣场堆放，既是一种资源浪费，也势必会对居民生活环境造成许多危害，诸如占用土地，污染空气和水源等。综合分析铜渣，发现其矿物相主要为玻璃态，可以通过一定的碱激发使其中的活性物质激活，但也因为活性不够，通过外掺其他渣粉的方式来进行建材制品的制备，最后通过微生物在特定条件下的矿化作用来提升制品的力学性能。 [0003] 本工艺采用的是从自然界中提取出某种微生物，给予其充分适宜的生存、繁殖和活化的条件，通过给予足量钙源和提升CO2的浓度，其分泌的碳酸酐酶特征性地加快碳化反应过程，使制品更快获得力学性能。 [0004] 该技术是一项利用固废铜渣，并且具有固碳特性的先进技术，是综合利用铜渣等固废的有效方法，不仅为铜渣在建材领域利用提供了一种新的途径，该技术也可在一定程度上吸收并储存温室气体，并且具有处理时间短、工艺简单、环境友好等特点，具备了良好的经济与社会效益。发明内容 [0005] 技术问题：本发明的目的是提供一种利用微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，该方法具有工艺简单、效果显著、能源消耗低、环境友好等优点，为铜渣在建材领域内使用提供了技术支持方法，有效的解决铜渣利用率不足的问题。 [0006] 技术方案：本发明提供了一种微生物矿化处理铜渣制备建材的方法，该方法包括以下步骤： [0007] 1)将铜渣、钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料，其中钢渣用于减少泌水，石灰用于提供钙源； [0008] 2)将复合胶凝材料倒入搅拌锅中，之后加入微生物菌粉的水溶液继续搅拌至均匀，随后加入砂并搅拌均匀成浆体，之后将浆体倒入模具中振捣成型，得到试件； [0009] 3)将步骤2)得到的试件置于相对湿度为60％±3％、温度为20±2℃的环境中养护脱模得到试样，将试样置于相对湿度为95％以上、温度为20±2℃的标准室中养护，之后再将试样放入压力釜中，经碳养护后得到所述利用微生物矿化处理铜渣制备得建材。 [0010] 其中： [0011] 所述的铜渣和钢渣的总质量与石灰的质量比为7:3，其中铜渣与钢渣的质量比为1:1～5:1；所述微生物菌粉是指能产碳酸酐酶的微生物菌粉，其掺量为复合胶凝材料质量的1％～2％；所述微生物菌粉的水溶液中水与复合胶凝材料的质量比为0.4～0.6，复合胶凝材料与砂的质量比为1:2～1:3。 [0012] 所述的微生物菌粉为胶质芽孢杆菌。 [0013] 步骤3)所述的养护脱模是指在相对湿度为60％±3％、温度为20±2℃的环境中养护1～2d后脱模，得到试样；所述的在标准室中养护的时长为2～3d。 [0014] 步骤3)所述的碳养护是指在CO2体积分数为15％～50％、环境温度为22℃～25℃、相对湿度40％～80％的条件下养护1～3d，或者在相对湿度70％±3％、CO2压力为0.1～0.3MPa的条件下养护4～6h。 [0015] 所述试件的尺寸为160mm×40mm×40mm。 [0016] 所述建材制备过程中，加入产碳酸酐酶的微生物菌粉后，通过微生物分泌的碳酸酐酶，能特定地提升制备建材过程中固碳反应的速率，微生物本身的矿化作用能显著提升该建材的力学性能；另一方面，相关研究表明微生物矿化能固结废渣中游离态的重金属。 [0017] 所述在一定CO2压力下养护过程中，碳酸酶杆菌能够吸收、转化CO2为碳酸根，与复2+ 合胶凝材料体系中的Ca 生成CaCO3，填充该建材的孔隙，优化孔隙结构，使建材的力学性能得到明显提升。 [0018] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0019] 1、本发明以冶炼废渣铜渣、钢渣等固废为主要原料制备新型建材制品，变废为宝，有效的实现了对固体废弃物的有效利用，减少土地占用和环境污染问题，为铜渣的使用提供了新的思路，增加了铜冶产业链的下游产业，具有很好的经济、生态和环境效益，效果显著。 [0020] 2、本发明中采用的铜渣与钢渣复合的方法，主要是利用钢渣容易水化，且水化溶液为碱性，可以很好的为铜渣中玻璃体的溶解提供碱性环境；此外使用石灰是为了补充钙源，使制品中有足够的钙离子经微生物矿化后生成碳酸钙，密实制品孔隙，能源消耗低。 [0021] 3、本发明采用的微生物矿化方法，具有简单、高效的特点；一方面不需要苛刻的碳化条件，节能环保；另一方面，能显著加速碳化反应过程，缩短产品周期，产生更为良好的经济性。同时，制备过程增加了对二氧化碳的有效捕获，减缓温室效应。附图说明 [0022] 图1铜渣矿物成分分析； [0023] 图2生产流程图； [0024] 图3不同配比、不同矿化条件下制品的力学性能对比图，其中SC表示普通碳化，h表示小时，d表示天，M对应于MPa。具体实施方式 [0025] 本发明所采用的微生物菌种胶质芽孢杆菌来源于中国工业微生物菌种保藏中心，该菌种在平台编号为20666。 [0026] 本发明利用微生物矿化作用制备铜渣碳化制品的方法，方法步骤如下： [0027] (1)对铜渣进行矿物成分分析，将铜渣、钢渣和石灰按一定比例混合成复合胶凝材料。 [0028] (2)试件成型：将一定量铜渣、钢渣与石灰的混合物倒入搅拌锅中，将菌粉溶于需加入的水并加入搅拌锅中，搅拌至均匀，加入砂后继续搅拌均匀，将浆体倒入模具中振捣成型，得到试件模具如附图2所示。 [0029] (3)将试件置于相对湿度60％±3％、温度20±2℃的环境中养护1～2d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度95％以上、温度20±2℃的标准室中养护2～3d；随后在不同碳养护条件下进行碳氧化矿化。借助于在特定CO2压力养护条件下，碳酸酶杆菌能够吸收、转化CO2为碳酸根，与复合胶凝材料体系中的Ca2+成CaCO3，填充建材的孔隙，优化孔隙结构，在不同碳化条件下不同配比建材的力学性能对比如附图3所示，如图可知建材力学性能随着钢渣掺量增加而逐渐增加，同时加压矿化达到相同力学性能所需的矿化时间较普通碳化少。总的来说，此方法具有成本低、工艺流程简单、效果显著、环境友好的优点。 [0030] 实例1： [0031] (1)将铜渣、钢渣和石灰按表1中B1编号的比例混合成复合胶凝体系，固定胶砂比为1:2，水胶比为0.5，微生物菌粉掺量为1.5％； [0032] (2)将450g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入225g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀，随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中振捣成型，得到试件。 [0033] (3)将试件置于相对湿度57％，温度18℃的环境中养护，1d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度95％，温度18℃的标准室中养护3天，随后在普通碳化环境(CO2体积分数为15％、环境温度为25℃、相对湿度40％)常压下碳养护1d，得到所述利用微生物矿化处理铜渣制备得建材。 [0034] (4)使用微生物矿化来制备铜渣碳化制品的强度在下已经接近10MPa，同时发现其具有淡绿色的特征，可以用来制备彩色建材制品。此方法能够有效地处理铜渣等废弃物，同时具有制备工艺简单，生产周期短，能耗低，环境友好等优点。 [0035] 表1铜渣-钢渣复配制品不同养护制度设计 [0036] [0037] 实施例2： [0038] (1)将铜渣、钢渣和石灰按表1中C1编号的比例混合成复合胶凝体系，固定胶砂比为1:3，水胶比为0.5，微生物菌粉掺量为1％； [0039] (2)将450g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入225g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀。随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中振捣成型，得到试件。 [0040] (3)将试件置于相对湿度60，温度20℃的环境中养护，2d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度96％，温度20℃的标准室中养护2天，随后在高压碳化环境(在湿度为67％，CO2压力为0.1MPa条件下)碳养护6h，得到所述利用微生物矿化处理铜渣制备得建材。 [0041] 实施例3： [0042] (1)将铜渣、钢渣和石灰按表1中B2的比例混合成复合胶凝体系，其中铜渣：钢渣的质量比为5:1，即铜渣262.5g，钢渣52.5g，固定胶砂比为1:3，水胶比为0.4，微生物菌粉掺量为2％； [0043] (2)将450g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入180g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀。随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中振捣成型，得到试件。 [0044] (3)将试件置于相对湿度63％，温度22℃的环境中养护，1.5d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度98％，温度20℃的标准室中养护1.5天，随后在普通碳化环境(CO2体积分数50％、环境温度为22℃、相对湿度80％、常压)碳养护2d，得到所述利用微生物矿化处理铜渣制备得建材。 [0045] 实施例4： [0046] (1)将铜渣、钢渣和石灰按表1中C2的比例混合成复合胶凝体系，固定胶砂比为1:3，水胶比为0.4，微生物菌粉掺量为1.5％； [0047] (2)将450g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入180g水中搅拌均匀之后，导入搅拌锅中并搅拌均匀。随后加入砂并持续搅拌均匀，将浆体倒入模具中振捣成型，得到试件。 [0048] (3)将试件置于相对湿度63％，温度22℃的环境中养护，1d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度99％，温度22℃的标准室中养护3天，随后在高压碳化环境(在湿度为73％，CO2压力为0.3MPa条件下)碳养护4h，得到所述利用微生物矿化处理铜渣制备得建材。

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