一种改性咖啡渣、其制备方法及使用其的一种透水混凝土与流程

1.本发明涉及建材领域，特别是涉及一种改性咖啡渣、其制备方法及使用其的一种透水混凝土。


背景技术：

2.透水混凝土是一种由粗骨料、水泥和水拌制而成的多孔轻质混凝土，具有透气、透水、重量轻等特点。当采用透水混凝土地面时，能让地表水流入地下，有效保护地下水，缓解城市热岛效应、促进地表水循环。但由于城市中大量汽车燃油的燃烧、机油泄漏、电子垃圾的随意丢弃、工厂和垃圾场等污染，地表水经由地面结构排进污水管道网时，仍有许多重金属污染物富集，对城市周边土壤造成一定的重金属污染，进而造成土地退化、生物多样性减少等环境破坏。目前，吸附法去除重金属离子具有成本低、选材广泛等优点，已成为常用方法之一。
3.专利cn110128076a一种高效净化空气的c20透水混凝土及其制备方法通过在透水混凝土中添加由纳米二氧化钛、活性炭碳纤维、改性硅藻土、苔藓粉末以及tpu树脂组成的吸附剂，主要是对汽车尾气的吸附和净化，且成本较高。
4.咖啡和茶一样同属世界三大饮料之一，作为生产咖啡后的废料咖啡渣，其重量约占咖啡干豆的66％，即每生产1吨速溶咖啡即会排出2吨咖啡渣。目前咖啡渣的处置方法主要是填埋和焚烧。咖啡渣具有一定的孔隙结构，且主要孔隙结构为粗糙的微孔，使得咖啡渣具有良好的吸附能力，同时，咖啡渣中含有较多的极性官能团(醇、醛、酮、酸、酚和醚)，可作为一种多基配体与金属离子发生络和反应，能有效吸附重金属离子。


技术实现要素：

5.为了解决地表水对城市周边土壤造成的重金属污染，本发明提供一种改性咖啡渣及使用其的透水混凝土材料，通过对咖啡渣进行改性，使其适用于透水混凝土中，并利用改性咖啡渣，提高透水混凝土重金属吸附性能力，可降低重金属污染的风险。
6.为弥补上述不足，本发明提供了一种改性咖啡渣，由咖啡渣经过碱性溶液处理至中性后，与混合溶液a反应后沥干得到；所述混合溶液a为naoh和十六烷基三甲基溴化铵混合的水溶液；
7.所述咖啡渣和混合溶液a的质量比为1：10-20，即每1g咖啡渣需要该混合溶液10-20g；
8.所述混合溶液a中naoh的浓度为100g-200g/l，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为20～40g/l。
9.所述碱性溶液选自koh、naoh溶液中的任意一种，所述碱性溶液的浓度为0.01～0.05mol/l。
10.所述改性咖啡渣的具体制备方法为：由咖啡渣经过碱性溶液预处理0.5～1h，然后清洗至中性，以去除咖啡渣中的油分；然后加入naoh和十六烷基三甲基溴化铵的混合水溶
液在磁力搅拌器中反应后沥干，以增加咖啡渣表面的吸附位点；之后将沥干后的固体用去离子水清洗至中性后干燥，经过筛分至粒径小于 0.5mm，得到本发明所述改性咖啡渣。
11.所述磁力搅拌器的转速为200-300rpm，反应时间1～2h。
12.本发明提供了一种包含上述改性咖啡渣的透水混凝土，由以下原料按质量份数组成：
[0013][0014]
所述水泥选自普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的任意一种，优选代号为p.o42.5r普通硅酸盐水泥。
[0015]
所述粗集料采用碎石，细集料采用工业用砂。
[0016]
所述粗集料粒径配比为：
[0017][0018][0019]
所述胶凝剂选自聚乙酸乙烯酯、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中任意一种。
[0020]
所述减水剂选自聚羧酸系减水剂、磺酸系减水剂、木质素系减水剂中任意一种。
[0021]
本发明还提供了所述透水混凝土的制备方法，包括：将上述水泥、水、粗集料、细集料、胶凝剂、减水剂以及改性咖啡渣各组分按比例混合搅拌，并置于模型中采用静压成型工艺，然后先进行蒸汽养护，以提高本发明透水混凝土材料的强度，最后再采用标准养护，直至到28天龄期。
[0022]
上述搅拌的具体操作包括：将搅拌机、工具等接触设备用水湿润，然后将水泥、胶凝剂、减水剂和改性咖啡渣倒入搅拌机中搅拌均匀，再加入水，搅拌3-5 分钟后，再往搅拌机中加入粗集料及细集料，继续搅拌至均匀为止。
[0023]
上述静压成型工艺为：将预先拌和好的混合料装在压模内，试件尺寸 100mm
×
l00mm
×
l00mm，通过压力机加压成型，成型压3～5mpa。
[0024]
上述蒸汽养护10～15小时；标准养护温度控制在(20
±
3)℃，相对湿度95％；养护时，混凝土试件保持30mm-50mm的间距。
[0025]
本发明改性咖啡渣的制备工艺简单，并通过利用改性咖啡渣，提高透水混凝土重金属吸附性能力，可降低重金属污染的风险。本发明使用改性咖啡渣制备透水混凝土成本低，易获取，吸附性能好，且对透水混凝土的强度影响较小。此外，本发明可高效利用固体废弃物，既可提高经济效益，又能减少污染。
附图说明
[0026]
图1为未处理咖啡渣和改性咖啡渣红外光谱图。
具体实施例
[0027]
下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便本领域技术人员更好理解和实施本发明的技术方案，但不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0028]
(一)改性咖啡渣的制备：
[0029]
将50g咖啡渣用0.01mol/l koh碱性溶液预处理60min，然后用去离子水清洗至中性。然后加入到1l的200g/l naoh和30g/l十六烷基三甲基溴化铵的混合溶液进行反应，在磁力搅拌器中以250rpm反应2h，以增加咖啡渣表面的吸附位点。将沥干的固体用去离子水清洗至中性后干燥，过40目筛。
[0030]
将未处理咖啡渣和改性咖啡渣进行红外光谱分析，结果如图1所示。与未处理的咖啡渣相比，改性后的咖啡渣具有以下基团：-oh(3424.03cm-1
)、羧基、酯基或醛基c＝o(1773.88cm-1
和1638.45cm-1
)、酯基的c-o(1020.69cm-1)、芳环中c-h(901.34cm-1、834.27cm-1及783.28cm-1)。很明显，改性咖啡渣极性官能团(酯基、酮基)增多，相应吸附能力增强。
[0031]
(二)透水混凝土的制备：
[0032]
实施例1
[0033]
利用中国建筑科学研究院建材所研制的震击式标准振筛机，型号：zbsx 92a 型，振动次数：221min，摆动行程：25mm，震击次数：147min，电机功率：0.37kw。按照筛孔尺寸(mm)》20(22.2％)、16-20(28.8％)、10(40％)、《5(9％)粗集料级配标准，筛选980g碎石。
[0034]
将搅拌机、工具等接触设备用水湿润，然后将改性咖啡渣(17.5g)、标号为 p.o 42.5的普通硅酸盐水泥(332.5g)、聚乙酸乙烯酯(52.5g)和聚羧酸系减水剂(17.5g)倒入搅拌机中搅拌均匀，再加入水(105g)，搅拌3-5分钟后，再往搅拌机中加入碎石(980g)和工业用砂(420g)，继续搅拌至均匀为止。
[0035]
将所得混合浆料倒入100mm
×
l00mm
×
l00mm模具中，通过压力机加压，成型压3mpa。蒸汽养护10小时，充分水化反应后，在(20
±
3)℃，相对湿度95％下养护28天，脱模后即得最终产品(改性咖啡渣透水混凝土)。
[0036]
实施例2
[0037]
利用中国建筑科学研究院建材所研制的震击式标准振筛机，型号：zbsx 92a 型，振动次数：221min，摆动行程：25mm，震击次数：147min，电机功率：0.37kw。按照筛孔尺寸(mm)》20(22.2％)、16-20(28.8％)、10(40％)、《5(9％)粗集料级配标准，筛选980g碎石。
[0038]
将搅拌机、工具等接触设备用水湿润，然后将改性咖啡渣(35g)、标号为 p.s 42.5的矿渣硅酸盐水泥(315g)、聚氧乙烯(52.5g)和磺酸系减水剂(17.5g) 倒入搅拌机中搅拌
均匀，再加入水(105g)，搅拌3-5分钟后，再往搅拌机中加入碎石(980g)和工业用砂(420g)，继续搅拌至均匀为止。
[0039]
将所得混合浆料倒入100mm
×
l00mm
×
l00mm模具中，通过压力机加压，成型压3mpa。蒸汽养护10小时，充分水化反应后，在(20
±
3)℃，相对湿度95％下养护28天，脱模后即得最终产品(改性咖啡渣透水混凝土)。
[0040]
实施例3
[0041]
利用中国建筑科学研究院建材所研制的震击式标准振筛机，型号：zbsx 92a 型，振动次数：221min，摆动行程：25mm，震击次数：147min，电机功率：0.37kw。按照筛孔尺寸(mm)》20(22.2％)、16-20(28.8％)、10(40％)、《5(9％)粗集料级配标准，筛选980g碎石。
[0042]
将搅拌机、工具等接触设备用水湿润，然后将改性咖啡渣(52.5g)、标号为 p.c 42.5的复合硅酸盐水泥(297.5g)、聚乙烯吡咯烷酮(52.5g)和木质素系减水剂(17.5g)倒入搅拌机中搅拌均匀，再加入水(105g)，搅拌3-5分钟后，再往搅拌机中加入碎石(980g)和工业用砂(420g)，继续搅拌至均匀为止。
[0043]
将所得混合浆料倒入100mm
×
l00mm
×
l00mm模具中，通过压力机加压，成型压3mpa。蒸汽养护10小时，充分水化反应后，在(20
±
3)℃，相对湿度95％下养护28天，脱模后即得最终产品(改性咖啡渣透水混凝土)。
[0044]
对比例1
[0045]
利用中国建筑科学研究院建材所研制的震击式标准振筛机，型号：zbsx 92a 型，振动次数：221min，摆动行程：25mm，震击次数：147min，电机功率：0.37kw。按照筛孔尺寸(mm)》20(22.2％)、16-20(28.8％)、10(40％)、《5(9％)粗集料级配标准，筛选980g碎石。
[0046]
将搅拌机、工具等接触设备用水湿润，然后将标号为p.o 42.5的普通硅酸盐水泥(350g)、聚乙酸乙烯酯(52.5g)和聚羧酸系减水剂(17.5g)倒入搅拌机中搅拌均匀，再加入水(105g)，搅拌3-5分钟后，再往搅拌机中加入碎石(980g) 和工业用砂(420g)，继续搅拌至均匀为止。
[0047]
将所得混合浆料倒入100mm
×
l00mm
×
l00mm模具中，通过压力机加压，成型压3mpa。蒸汽养护10小时，充分水化反应后，在(20
±
3)℃，相对湿度95％下养护28天，脱模后即得最终产品(透水混凝土)。
[0048]
对比例2
[0049]
利用中国建筑科学研究院建材所研制的震击式标准振筛机，型号：zbsx 92a 型，振动次数：221min，摆动行程：25mm，震击次数：147min，电机功率：0.37kw。按照筛孔尺寸(mm)》20(22.2％)、16-20(28.8％)、10(40％)、《5(9％)粗集料级配标准，筛选980g碎石。
[0050]
将搅拌机、工具等接触设备用水湿润，然后将未处理咖啡渣(17.5g)、标号为p.o 42.5的普通硅酸盐水泥(332.5g)、聚乙酸乙烯酯(52.5g)和聚羧酸系减水剂(17.5g)倒入搅拌机中搅拌均匀，再加入水(105g)，搅拌3-5分钟后，再往搅拌机中加入碎石(980g)和工业用砂(420g)，继续搅拌至均匀为止。
[0051]
将所得混合浆料倒入100mm
×
l00mm
×
l00mm模具中，通过压力机加压，成型压3mpa。蒸汽养护10小时，充分水化反应后，在(20
±
3)℃，相对湿度95％下养护28天，脱模后即得最终产品(改性咖啡渣透水混凝土)。
[0052]
性能测试
[0053]
抗压强度检测：将实施例1-3和对照组1-2的透水混凝土进行抗压强度检测，参照t/cstm 00040-2018《透水混凝土试验方法》标准，结果如表1。由表1可知，随着掺入的改性咖啡渣质量的增加，所制得的透水混凝土28天的抗压强度呈小幅度下降。掺入的改性咖啡渣所制得的透水混凝土28天的抗压强度均高于 20mpa，表明掺入改性咖啡渣后对本发明透水混凝土抗压强度影响较小。而实施例1与对比例2测试所获得的结果表明掺入未处理的咖啡渣显著地降低了透水混凝土的强度。
[0054]
表1不同咖啡渣掺量的透水混凝土的抗压强度
[0055][0056]
吸附性能测试：选用硝酸铜分析纯配制cu
2
重金属离子溶液。重金属离子溶液初始浓度为1000mg/l，溶液ph值＝7，温度恒定为25℃。将改性咖啡渣透水混凝土立方体试块置于装有1l重金属离子溶液的烧杯中并覆盖塑料薄膜，吸附持续时间为24h，采用紫外分光光度计测定各吸附时间时溶液中铜离子浓度。改性咖啡渣透水混凝土对重金属离子的吸附量q
t
按下式计算。
[0057][0058]
式中，c0与c1分别为重金属离子溶液初始浓度和吸附24h后的浓度，mg/l；v为重金属离子溶液体积，本发明所采用体积为1l；w为改性咖啡渣的质量，g。结果如表2。由表2可知，未加入改性咖啡渣的透水混凝土由于多孔性可以吸附少量铜离子，当掺入的改性咖啡渣质量分数为15％，吸附量为未掺入改性咖啡渣透水混凝土的8倍，且随着掺入的改性咖啡渣质量分数增加，铜离子吸附量不断提升。此外，掺入未处理咖啡渣的透水混凝土吸附量远低于掺入改性咖啡渣的透水混凝土。综上结果表明改性咖啡渣制备透水混凝土具有更好的吸附性能。
[0059]
表2不同咖啡渣掺量的透水混凝土的吸附量
[0060]