一种利用微生物矿化作用制备不锈钢渣碳化制品的方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201710275424.2 | 申请日 | 2017-04-25 | 公开(公告)号 | CN107244871A | 公开(公告)日 | 2017-10-13 |
| 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 矿化作用制备不锈 钢 渣 碳 化制品的方法，该方法包括以下步骤：1)将 不锈钢 渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料；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不锈钢渣碳化制品。该方法在微生物矿化作用下，能将不锈钢渣和石灰的水化物转变成碳酸 钙 ，材料强度有明显提升，同时实现了废弃物再利用和固碳等环保效益，同时通过毒性 浸出 实验，表明不锈钢渣的重金属浸出量远低于危险废弃物级别，可以使用在实际工程中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用微生物矿化作用制备不锈钢渣碳化制品的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 一种利用微生物矿化作用制备不锈钢渣碳化制品的方法技术领域背景技术[0002] 冶炼废渣是指金属制造行业冶金过程中伴随金属矿物冶炼而产生的各种固体废弃物，近几年来，随着中国冶金行业快速发展，金属产量稳居世界第一，其伴随产生的冶炼废渣等固体废弃物逐年增长累积，如果不采取紧急措施对这些固体废弃物进行综合利用，不仅仅是浪费资源，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。不锈钢渣是生产不锈钢过程中排出的固体废弃物，包括初炼电弧炉(EAF)渣和精炼氩氧脱碳炉(AOD)渣，一般每生产3t不锈钢就会产生1t废渣。长期以来，对不锈钢渣的认知较少，使其在渣场堆放，既是一种资源浪费，又势必造成环境污染，因此，不锈钢渣的资源化十分迫切。综合分析不锈钢渣，其具有大量的水硬性矿物C2S等，与水泥组分相近，且其毒性浸出实验也表明，其在模拟地下水环境下，依据《固体废物浸出毒性浸出方法－水平振荡法》(HJ577-2010)所得毒性低于国家对于危险废弃的规定限制。但由于使用NaOH等强碱激发可能会导致重金属更加倾向于游离态，所以利用碳化的方法将不锈钢渣制备成建材制品无疑是最为合适的选择。但是，普通碳化的速度极慢，采用高温高压碳化虽然能取得良好效果，但是对制备条件有一定要求，且浪费资源。 [0003] 近十年来，微生物矿化技术越来越受到重视，受到自然界中某些微生物能从自然界中固定CO2并矿化成矿物的过程启发，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，并且显著提升其抗水性能和其他耐久性。 [0004] 该技术是一项利用固废不锈钢渣、固碳和节约能源的先进技术，是综合利用不锈钢渣等固废的有效方法，不仅为不锈钢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缓解由CO2引起的温室效应等问题，并且具有处理时间短，并且具有工艺简单，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作用制备不锈钢渣碳化制品的方法，此方法具有工艺简单、效果显著、能源消耗低、环境友好等优点，为不锈钢渣在建材领域内使用提供了技术支持，有效的解决不锈钢渣利用率不足的问题。 [0006] 技术方案：本发明提供了一种利用微生物矿化作用制备不锈钢渣碳化制品的方法，该方法包括以下步骤： [0007] 1)将不锈钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料； [0008] 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)得到的试件脱模后得到试样，之后将试样置于相对湿度为95％以上、温度为20±2℃的条件下养护2～3d，再将试样放入压力釜中，在相对湿度为70％±3％，CO2压力为0.1～0.3MPa下养护4～6小时，得到不锈钢渣碳化制品。 [0010] 其中： [0011] 所述的不锈钢渣与石灰的质量比为6:4～7:3，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0.4～0.5，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] 所述的将步骤2)得到的试件脱模后得到试样是指将试件置于相对湿度为60％±3％、温度为20±2℃的环境中养护1～2d后脱模得到试样。 [0014] 所述试件的长×宽×高为160mm×40mm×40mm。 [0015] 所述不锈钢渣碳化制品制备过程中，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，能特定地提升该制品制备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制品的力学性能，且其矿化产物能很好地填充该制品的孔隙，使得不锈钢渣碳化制品的抗渗透性能也得到提升；同时微生物矿化作用还可以加速该制品制备过程中的碳化过程，特别是在较高压力作用下微生物矿化作用对于制品的强度提升最为明显。 [0016] 所述的不锈钢渣碳化制品的强度为15～16.7MPa。 [0017] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0018] 1、本发明以冶炼废渣不锈钢渣为主要原料制备新型建材制品，将废弃的不锈钢渣变废为宝，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，为不锈钢渣的使用提供了新的思路，增加了不锈钢产业链的下游产业，具有很好的经济、生态和环境效益； [0019] 2、本发明中采用的微生物矿化作用加速碳化技术，碳酸酐酶菌分泌的碳酸酐酶能特定加速制品制备过程中CO2的吸收并向碳酸根转化的过程，与复合胶凝材料中的Ca2+等离子反应生成CaCO3，填充制品的孔隙，优化孔隙结构，密实结构，提升制品强度。 [0020] 3、本发明采用的微生物矿化方法，具有工艺简单、效果显著、能源消耗低、环境友好的特点；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，形成的矿物化学特性稳定、没有激活不锈钢渣中的重金属离子，耐久性强，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 [0021] 图1为不锈钢渣矿物成分分析； [0022] 图2为实验方案设计； [0023] 图3为微生物矿化加速碳化制品与普通碳化制品力学性能对比图，图中sc表示标准碳化、h表示小时、d表示天、M对应于MPa； [0024] 图4为微生物矿化作用下制品的矿物成分分析； [0025] 图5为微生物矿化作用下制品的孔隙结构变化。 具体实施方式[0026] 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。 [0027] 在对不锈钢渣进行矿物分析和毒性浸出测试，矿物成分分析选用X射线衍射分析(XRD)，不锈钢渣粉毒性检测根据《固体废物浸出毒性浸出方法－水平振荡法》(HJ577-2010)中水平振荡浸出方法进行检测，利用ICP(电感耦合等离子体发射光谱仪)进行离子成分含量分析，结果如附图1和表1所示，可见不锈钢渣虽然具有一定水硬活性，但活性远远不够，需要外加钙源；此外毒性浸出表明，在雨水冲刷和地下水环境下，毒性危害较少。 [0028] 表1不锈钢渣粉浸出液中重金属含量 [0029] [0030] 本发明涉及一种利用微生物矿化作用制备不锈钢渣碳化制品的方法，方法步骤如下： [0031] 1)将不锈钢渣和石灰混合搅拌均匀得到复合胶凝材料； [0032] 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； [0033] 3)将步骤2)得到的试件脱模后得到试样，之后将试样置于相对湿度为95％以上、温度为20±2℃的条件下养护3～4天，再将试样放入压力釜中，在相对湿度为70％±3％，CO2压力为0.1～0.3MPa下养护4～6h，得到不锈钢渣碳化制品。 [0034] 在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，填充制品的孔隙，优化孔隙结构，在不同碳化条件下加菌制备的制品与不加菌制备的制品的力学性能对比如附图3所示，如图加菌碳化制品较不加菌制品的力学性能有明显提升，这种提升效果在0.3MPa加压矿化条件下表现的最为明显。 [0035] 为定性和定量表征矿化产物，通过XRD衍射图谱分析，通过微生物矿化作用加速碳化后制品的主要产物是碳酸钙。对微生物矿化不锈钢渣钢碳化制品的孔结构分析表明在微生物矿化作用下，制品内部的密实程度明显提高，对于材料的强度与耐久性有明显的提升。同时，并没有激活重金属，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。 [0036] 实施例1： [0037] (1)将不锈钢渣和石灰按表2的比例混合成复合胶凝材料，固定胶砂质量比为1:3，水胶质量比为0.5，微生物菌粉掺量为复合胶凝材料质量的1.5％； [0038] (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。 [0039] 表2.微生物矿化不锈钢渣碳化制品原材料配比/g [0040]不锈钢渣 石灰 砂 水 菌粉 315 135 1350 225 6.75 [0041] (3)成型后，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％以上，温度18℃的标准室中养护3天，随后放入压力釜中，在湿度67％，CO2压力为0.3MPa条件下养护6h，得到不锈钢渣碳化制品，其抗压强度能到达15MPa。 [0042] 实施例2： [0043] (1)将不锈钢渣和石灰按表3的比例混合成复合胶凝材料，固定胶砂质量比为1:2，水胶质量比为0.5，微生物菌粉掺量为复合胶凝材料质量的1％； [0044] (2)将675g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入337.5g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。 [0045] 表3.微生物矿化不锈钢渣碳化制品原材料配比/g [0046]不锈钢渣 石灰 砂 水 菌粉 472.5 202.5 1350 337.5 6.75 [0047] (3)成型后，将试件置于相对湿度为60％，温度为20℃的环境中养护，1d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度96％以上，温度20℃的标准室中养护2天，随后放入压力釜中，在湿度70％、CO2压力为0.1MPa条件下养护4h，得到不锈钢渣碳化制品，其抗压强度能到达16.7MPa。 [0048] 实施例3： [0049] (1)将不锈钢渣和石灰按表4的比例混合成复合胶凝材料，固定胶砂质量比为1:2，水胶质量比为0.4，微生物菌粉掺量为复合胶凝材料质量的1％； [0050] (2)将675g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入270g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。 [0051] 表4.微生物矿化不锈钢渣碳化制品原材料配比/g [0052]不锈钢渣 石灰 砂 水 菌粉 472.5 202.5 1350 270 6.75 [0053] (3)成型后，将试件置于相对湿度63％、温度22℃的环境中养护，2d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度98％、温度22℃的标准室中养护2.5天，随后放入压力釜中，在湿度73％、CO2压力为0.2MPa条件下养护5h，得到不锈钢渣碳化制品，其抗压强度能到达 15.2MPa。 [0054] 实施例4： [0055] (1)将不锈钢渣和石灰按表5的比例混合成复合胶凝材料，固定胶砂质量比为1:2，水胶质量比为0.4，微生物菌粉掺量为复合胶凝材料质量的2％； [0056] (2)将675g复合胶凝材料倒入搅拌锅中搅拌均匀后，将菌粉加入270g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。 [0057] 表5.微生物矿化不锈钢渣碳化制品原材料配比/g [0058]不锈钢渣 石灰 砂 水 菌粉 450 225 1350 270 13.5 [0059] (3)成型后，将试件置于相对湿度62％、温度21℃的环境中养护，1.5d后脱模得到试样，将试样置于相对湿度99％、温度21℃的标准室中养护3天，随后放入压力釜中，在湿度72％、CO2压力为0.2MPa条件下养护6h，得到不锈钢渣碳化制品，其抗压强度能到达 16.2MPa。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈