一种新型蓄水环境功能材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及环境功能材料技术领域，尤其是涉及一种新型蓄水环境功能材料及其制备方法。


背景技术：

2.油基钻井液在用于水平井与定向井钻井作业的过程中，会产生大量油基岩屑。经现场初步处理后，仍有相当部分的油泥附着在颗粒状的油基岩屑上，致使该固体废物中含有大量的苯系物、酚类、蒽、芘等有机物、以及铜、锌、铬、汞等重金属。目前，该类油基岩屑已被纳入国家危险废弃物名录。目前国内常见的无害化处理方式就是焚烧法，即将油基岩屑与煤粉混匀后输送至锅炉中燃烧。但这种粗放的处理方式可能由于油基岩屑具有较大黏性而造成混匀不充分或堵塞设备，进而造成环境风险，而且焚烧后的灰渣需按环保要求进行填埋处理，更增加的处理成本。
3.另一方面，净水
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蓄水生态陶土是一种由粘土，页岩或工业固体废物制成的人造多孔材料，可用于净水
‑
蓄水、水资源涵养、生态修复等多种环境功能领域。常规陶粒的制备过程，是在烧结陶粒中加入发泡剂或者可燃组分。烧成后一般强度较大，而一般气孔均匀性较差、气孔率较低、且多为闭气孔道结构，不能满足蓄水材料的多孔通孔要求。目前生态环保陶粒的制备主要集中于高温烧胀造孔技术或化学发泡造孔技术，对原料、热源提供以及制备细节等都提出了很高的要求。
4.油基岩屑的主要成分为sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo以及重晶石等，其主要组分为页岩，是陶粒制备的主要原料之一；除此之外，油基岩屑中的含油率可达5
‑
10％，可为陶粒的焙烧过程热源的补充；而且，油基岩屑的颗粒粒径通常在毫米以下，在无需预处理的情况下即可作为陶粒生料制备的原料。但油基岩屑作为蓄水陶粒的原料仍面临黏度高、成分不合理、重金属超标风险等不利因素。
5.因此，通过合理、有效地配方及烧制工艺的设计，充分利用油基岩屑中的热能与物质组分，以及其高温条件下的产气过程，制备出符合具有连通孔隙的新型蓄水功能材料，无论是从环境保护以及资源循环利用的角度来看，都具有重要的意义。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，提供了一种新型蓄水环境功能材料及其制备方法，基于油基岩屑的资源化处理制备了新型环境蓄水功能材料，有效降低了固体废物处理处置的环境风险，同时获得了蓄水陶粒用于水资源涵养，有利于环境保护。
7.本发明提供的一种新型蓄水环境功能材料及其制备方法，包括：河湖淤泥40
‑
75％，油基岩屑10
‑
45％，有机纤维5
‑
25％，物相调整复配剂0
‑
20％，增塑剂0.2
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2％和发泡剂0.3
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2％。
8.其中，河湖淤泥中的有机质含量为5
‑
30％，经过干磨或者湿磨后气粒径低于1mm，粒径太大对烧制陶粒高温焙烧阶段的物相反应不利，影响陶粒结构强度。
9.优选地，有机纤维包括涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、高性能纤维、芳纶、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维中的一种或多种，其中，纤维截面直径或者其当量直径为0.05
‑
2mm，纤维长度为0.2
‑
3cm。
10.优选地，物相调整复配剂是以玻璃粉、水玻璃、偏铝酸钠、石英和赤泥中的一种或多种物质与粉煤灰的复配而成，其颗粒粒径低于1mm。
11.优选地，增塑剂包含聚乙烯吡啶盐、聚丙烯酰胺、eva乳胶中的一种或多种。
12.优选地，发泡剂为硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸钙、碳酸钙和碳酸钠中的一种或多种物质的复配；发泡剂的颗粒过200目筛，即其粒径低于75μm。
13.一种上述任一所述新型蓄水环境功能材料的制备方法，包括如下步骤：将油基岩屑与增塑剂按比例混合后加入河湖淤泥原料、有机纤维、物相调整复配剂和发泡剂，充分搅拌混匀后，置于成球机中压制成型为粒径1
‑
4cm的颗粒，随后烘干、烧结、冷却成型得到环保高性能环境蓄水材料。
14.优选地，烧结工艺流程为：
15.步骤1：控制炉膛温度为100℃
‑
180℃，烘焙10min
‑
200min用以除去生料球中的自由水，以保证生料球的含水率低于20％；
16.步骤2：随后升高炉膛温度至250℃
‑
400℃，烘焙10
‑
40min，以去除生料球中的结合水；
17.步骤3：继续升高炉膛温度至550
‑
650℃，保温5
‑
30min，以去除料球中的绝大部分有机质；
18.步骤4：快速升高炉膛温度(升温速率控制不低于30℃/min)至800℃
‑
1000℃，焙烧5
‑
30min；
19.步骤5：焙烧完成后快速降温至650℃以下(降温速率控制不低于30℃/min)后，可自然降温至室温，即得到烧成的环境蓄水陶粒。
20.本发明中，河湖淤泥、油基岩屑构成陶粒的基本物质本体，需基本满足焙烧后sio2占总质量比为53
‑
78％，al2o3占比为10
‑
25％，而通过各种物质组分的添加控制cao、mgo、k2o、na2o、fe
x
o
y
等助熔成分之和占比为13
‑
27％。
21.陶粒的烧制升温程序的控制原理：
22.①
在400摄氏度以下时，尚未达到有机物的燃点，可去除陶粒生料中的自由水和结合水，防止高温时水分蒸发导致的球体炸裂；
23.②
快速升温至500
‑
650摄氏度，以烧掉并除去陶粒中有机物，包括淤泥、油基岩屑、有机纤维中的有机质，留出孔道；在此温度区间，陶粒中的无机物均以固态的形式存在，且发泡剂未达到发泡温度，未发泡；
24.③
快速升温至800
‑
1000℃，在助溶剂以及淤泥及油基岩屑本身的cao、mgo等助熔成分的作用下，会显著降低sio2、al2o3等主要成分的熔融温度，使得在高温焙烧时料球(陶粒)呈半固态(未在此温度区间完全液化)，且在此温度区间，发泡剂热分解发泡产生气体，会顶托在球体内部(也存在部分溢出)，但可使得陶粒保持较好的球体形态，不至于坍塌，且能保留陶粒较好的内部孔道结构；并且，在此高温过程中，si、al等组分与cao、mgo、k2o、na2o、fe
x
o
y
等助熔成分形成矿物质，并能将含量较低的重金属固定在矿物结构中，完成重金属的固化稳定化。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.(1)解决了油基岩屑粘度高的问题：当油基岩屑黏度较高时，是不易直接与淤泥等主要组分充分混合的；本发明在油基岩屑中添加增塑剂、有机纤维后会对高黏度的油基岩屑有所改善，而具有较小黏度的油基岩屑与淤泥混合后又有利于陶粒生料的成型与结构的稳定；
27.(2)解决了成分不合理问题：油基岩屑的成分中虽然包括了制备陶粒所需的sio2、al2o3以及ca、fe等助熔成分，但其sio2在20
‑
30％，al2o3在5％
‑
20％，助溶剂的成分10
‑
30％，且重晶石含量较高；而制备陶粒所需的物质比为：sio2占总质量比为53
‑
78％，al2o3占比为10
‑
25％，cao、mgo等助熔成分之和占比为13
‑
27％。油基岩屑的物质组分与陶粒制备的所需的组分存在较大差异，通过合理的复配改善物料配比情况；
28.(3)解决了重金属超标的问题：油基岩屑中含有cr、zn、pb等重金属，无序堆放存在重金属超标风险，通过高温焙烧形成矿物相将重金属固化，避免了重金属向环境中释放；
29.本发明基于油基岩屑的资源化处理制备了新型环境蓄水功能材料，有效降低了固体废物处理处置的环境风险，同时获得了蓄水陶粒用于水资源涵养，有利于环境保护。
具体实施方式
30.实施例1
31.本实施例提供的一种新型蓄水环境功能材料，其所制备的原材料由以下各组分的材料组成，按重量百分比包括：河湖淤泥70％，油基岩屑15％，有机纤维20％，物相调整复配剂8％，增塑剂1％和发泡剂1％。
32.其中，河湖淤泥中的有机质含量为15％，经过干磨或者湿磨后气粒径低于1mm。有机纤维包括涤纶、腈纶、聚乙烯纤维和聚氯乙烯纤维，其纤维截面直径或者其当量直径在0.05
‑
2mm之间，纤维长度为0.2
‑
3cm之间即可。物相调整复配剂是偏铝酸钠、石英和赤泥与粉煤灰的复配而成，且其颗粒粒径低于1mm。增塑剂包含聚乙烯吡啶盐和eva乳胶。发泡剂为硫酸铁、碳酸钙和碳酸钠的复配；发泡剂的颗粒过200目筛，即其粒径低于75μm。
33.上述的新型蓄水环境功能材料的制备方法，包括如下步骤：将油基岩屑与增塑剂按比例混合后加入河湖淤泥原料、有机纤维、物相调整复配剂和发泡剂，充分搅拌混匀后，置于成球机中压制成型为粒径1
‑
4cm的颗粒，随后烘干、烧结、冷却成型得到环保高性能环境蓄水材料。
34.其中，烧结工艺流程为：
35.步骤1：控制炉膛温度为120℃
‑
150℃，烘焙100min用以除去生料球中的自由水，以保证生料球的含水率低于20％；
36.步骤2：随后升高炉膛温度至350℃
‑
400℃，烘焙25min，以去除生料球中的结合水；
37.步骤3：继续升高炉膛温度至550
‑
600℃，保温10min，以去除料球中的绝大部分有机质；
38.步骤4：快速升高炉膛温度(升温速率控制不低于30℃/min)至800℃
‑
1000℃，焙烧20min；
39.步骤5：焙烧完成后快速降温至650℃以下(降温速率控制不低于30℃/min)后，或者可以自然降温至室温，即得到质量蓄水系数(吸水质量/陶粒质量)为0.76、抗压强度为
1.1mpa的环境功能蓄水陶粒。
40.实施例2
41.本实施例提供的一种新型蓄水环境功能材料，其所制备的原材料由以下各组分的材料组成，按重量百分比包括：河湖淤泥40％，油基岩屑35％，有机纤维7％，物相调整复配剂3.7％，增塑剂0.8％和发泡剂1.5％。
42.其中，河湖淤泥中的有机质含量为20％，经过干磨或者湿磨后气粒径低于1mm。有机纤维包括锦纶、丙纶、高性能纤维和聚乙烯纤维种，其纤维截面直径或者其当量直径为0.05
‑
2mm之间，纤维长度为0.2
‑
3cm之间即可。物相调整复配剂是以玻璃粉、水玻璃和赤泥中与粉煤灰的复配而成，其颗粒粒径低于1mm。增塑剂包含聚丙烯酰胺。发泡剂为硫酸亚铁和硫酸钙的复配，发泡剂的颗粒过200目筛，即其粒径低于75μm。
43.上述的新型蓄水环境功能材料的制备方法，包括如下步骤：将油基岩屑与增塑剂按比例混合后加入河湖淤泥原料、有机纤维、物相调整复配剂和发泡剂，充分搅拌混匀后，置于成球机中压制成型为粒径1
‑
4cm的颗粒，随后烘干、烧结、冷却成型得到环保高性能环境蓄水材料。
44.其中，烧结工艺流程为：
45.步骤1：控制炉膛温度为150℃
‑
180℃，烘焙68min用以除去生料球中的自由水，以保证生料球的含水率低于20％；
46.步骤2：随后升高炉膛温度至250℃
‑
300℃，烘焙40min，以去除生料球中的结合水；
47.步骤3：继续升高炉膛温度至550
‑
650℃，保温25min，以去除料球中的绝大部分有机质；
48.步骤4：快速升高炉膛温度(升温速率控制不低于30℃/min)至800℃
‑
1000℃，焙烧15min；
49.步骤5：焙烧完成后快速降温至650℃以下(降温速率控制不低于30℃/min)后，或者可以自然降温至室温，即得到质量蓄水系数为0.87、抗压强度1.3mpa的环境蓄水陶粒。
50.实施例3
51.本实施例提供的一种新型蓄水环境功能材料，其所制备的原材料由以下各组分的材料组成，按重量百分比包括：河湖淤泥53％，油基岩屑20％，有机纤维15％，物相调整复配剂15％，增塑剂1.5％和发泡剂0.5％。
52.其中，河湖淤泥中的有机质含量为5％，经过干磨或者湿磨后气粒径低于1mm。有机纤维包括涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、高性能纤维、芳纶、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维，其纤维截面直径或者其当量直径为0.05
‑
2mm之间，纤维长度在1
‑
3cm之间即可。物相调整复配剂是以玻璃粉、水玻璃、偏铝酸钠、石英和赤泥多种物质与粉煤灰的复配而成，其颗粒粒径低于1mm。增塑剂包含聚乙烯吡啶盐、聚丙烯酰胺及eva乳胶。发泡剂为硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸钙、碳酸钙和碳酸钠多种物质的复配；发泡剂的颗粒过200目筛，即其粒径低于75μm。
53.上述的新型蓄水环境功能材料的制备方法，包括如下步骤：将油基岩屑与增塑剂按比例混合后加入河湖淤泥原料、有机纤维、物相调整复配剂和发泡剂，充分搅拌混匀后，置于成球机中压制成型为粒径1
‑
4cm的颗粒，随后烘干、烧结、冷却成型得到环保高性能环境蓄水材料。
54.其中，烧结工艺流程为：
55.步骤1：控制炉膛温度为100℃
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120℃，烘焙200min用以除去生料球中的自由水，以保证生料球的含水率低于20％；
56.步骤2：随后升高炉膛温度至300℃
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350℃，烘焙10min，以去除生料球中的结合水；
57.步骤3：继续升高炉膛温度至550
‑
650℃，保温8min，以去除料球中的绝大部分有机质；
58.步骤4：快速升高炉膛温度(升温速率控制不低于30℃/min)至800℃
‑
1000℃，焙烧8min；
59.步骤5：焙烧完成后快速降温至650℃以下(降温速率控制不低于30℃/min)后，可自然降温至室温，即得到质量蓄水系数为0.91、抗压强度为0.87mpa的环境蓄水陶粒。
60.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。