可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖及其制作方法

1.本发明涉及固体废物资源化技术领域，特别是指一种可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖及其制作方法。


背景技术：

2.目前，路面铺设用砖多为花岗岩、水泥和柏油等不透水的材质，降雨时道路积水严重，影响人们生活。同时，雨水无法下渗造成水资源的浪费，也给城市排水系统造成了极大的负担。因此，建设海绵城市迫在眉睫，透水砖的研制更是重中之重。
3.城市道路建设中，人行道用砖需求量大。而当前制砖工艺多采用高温烧结，能耗巨大，不利于实现减少化石能源使用以及减少二氧化碳排放的绿色节能减排目标。因此，研制免烧结砖至关重要。
4.近年来我国尾矿、冶炼渣、工业副产石膏等七类大宗工业固体废弃物的产量巨大，累积堆存量以每7-8年翻一翻的速度增长。传统的农业生产采用焚烧处理农林废弃物秸秆、椰果壳等，产生的粉尘等污染物是农村空气污染的主要来源。因此，必须找到以上固体废弃物的环保化回收和资源化利用方式。
5.随着我国经济建设快速发展和城市化进程加快，人们的物质生活水平不断提高，汽车的拥有量也在不断增多，汽车尾气排放引发的生态环境污染问题已经刻不容缓。
6.此外，我国照明耗电量极大，造成了严重的能源浪费。据统计，我国路灯总盏数将近一千万盏，道路照明年总经费达52亿元，年用电量约占中国总发电量的4％至5％。在当今能源紧缺的大背景下，寻找减少这部分耗电的方法迫在眉睫。
7.目前已有的废料透水砖存在功能单一，废料利用率低，制作能耗大等缺点；已有的尾气清洁砖，存在净化效率低，制作工艺复杂等缺点。为解决以上问题，本发明制造了一种可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖，具有废料利用率高，尾气净化效率高，功能多样，原料易获得，制造简单成本低等优点。


技术实现要素：

8.本发明为解决目前尾矿废石、高炉矿渣等工业固体废弃物和农林废弃物产量大，但清洁回收利用率低，以及制砖成本高能耗大、汽车尾气污染环境和城市照明耗电量大的问题，促进海绵城市的建设，提供一种可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖及其制作方法，该多功能砖兼具透水、降噪功能，且白天催化降解汽车尾气，夜晚反光照明。
9.该多功能砖包括覆盖层和透水基层；覆盖层下部为透水基层，透水基层由尾矿废石、工业副产品石膏、高炉矿渣配制而成的地质聚合物组成；覆盖层由透水基层材料再掺杂负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭和废旧玻璃组成；覆盖层表面留有防堵凹槽，导水管贯穿覆盖层和透水基层，砖体孔隙率为25％～30％。
10.该多功能砖98.5％以上的制砖原料为固体废物，其中，尾矿废石平均粒径为5～8mm、工业副产品石膏平均粒径为80～150um、高炉矿渣平均粒径为5～7mm、废旧玻璃颗粒平
均粒径为1～3mm、椰果壳活性炭平均粒径为1～2mm、改性纳米级二氧化钛粒径为5～10nm。
11.该多功能砖中，覆盖层为光催化氧化与夜光层，高度为10～14cm，光催化材料改性纳米级二氧化钛降解汽车尾气，净化空气。
12.透水基层高度为46～52cm。
13.覆盖层内表面不规则废玻璃颗粒漫反射光线，夜光照明。
14.防堵凹槽在覆盖层表面互相垂直布置，相邻防堵凹槽间距80～120mm，防堵凹槽宽度为8～15mm，深度为5～10mm。
15.导水管直径为3～5mm，相邻两排导水管间距为70～80mm，相邻两列导水管间距为70～80mm。
16.该可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖的制备方法，包括步骤如下：
17.s1：椰果壳活性炭的制备：以在550～650℃炭化50～70min处理后的椰果壳炭化料为原料，粉碎筛分至粒径160～200mm，利用质量分数40～60％的koh溶液作为活化剂，二者混合进行活化反应后，在350～500℃下热解110～130min得到椰果壳活性炭；具体重量配比范围为：以100重量份的椰果壳炭化料为基准，koh溶液为50～80重量份；
18.s2：改性纳米级二氧化钛的制备：将完全取代的n-三烷基聚糖季铵盐、乳酸混合，并加入总重量4～6倍的水后在80～90℃加热搅拌均匀至季铵盐完全溶解，再加入海藻酸钠、二氧化钛颗粒在85～95℃充分搅拌均匀，冷却、超声干燥即得改性纳米级二氧化钛，具体重量配比范围为：以100重量份的二氧化钛颗粒为基准，n-三烷基聚糖季铵盐为10～20重量份，乳酸为15～25重量份，海藻酸钠为30～35重量份；
19.s3：负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭的制备：将椰果壳活性炭与改性纳米级二氧化钛粉末在乙醇溶液中均匀混合、经干燥、煅烧，使改性纳米级二氧化钛负载于椰果壳活性炭上，具体配比范围为：以100重量份的椰果壳活性炭为基准，改性纳米级二氧化钛为15～25重量份；
20.s4：地质聚合物的制备：先由九水硅酸钠与氢氧化钠溶液配制成模数为1～1.5的水玻璃，再与高炉矿渣和水混合，搅拌制成地质聚合物；具体配比范围为：以100重量份的高炉矿渣为基准，水玻璃为15～25重量份，水为20～30重量份；
21.s5：透水基层的配制：将尾矿废石、工业副产品石膏与地质聚合物混合均匀，倒入模具下层4/5的位置；具体配比范围为：以100重量份的尾矿废石为基准，工业副产品石膏为10～15重量份，地质聚合物为10～15重量份；
22.s6：覆盖层的配制：在透水基层配料的基础上，再加负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭和废旧玻璃并搅拌均匀，倒入s5中模具上层1/5的位置；具体配比范围为：以100重量份的尾矿废石为基准，工业副产品石膏为10～15重量份，地质聚合物为10～15重量份，负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭为2～5重量份，废旧玻璃为5～10重量份；
23.s7：压制成型：模具内设有用于压制导水管和防堵凹槽的机械结构；待s6中覆盖层材料倒入模具后，启动制砖机压制成型；
24.s8：养护：将s7中制备好的砖块脱膜后，放入温度为50～80℃，湿度＞95％的养护箱中养护10～14h，取出后在自然环境下养护2周，即得多功能砖。
25.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
26.(1)本发明在制备原料上进行创新，利用尾矿废石、冶金废渣、碎玻璃等代替传统
材料水泥、沙石，制备了一种兼具透水、降噪功能，且白天催化降解汽车尾气，夜晚反光照明的多功能免烧砖，除使用极少量的硅酸钠和改性纳米级二氧化钛外，重量98.5％以上的制砖原料均为固体废物，符合国家资源循环利用、建设“无废城市”的战略需求。
27.(2)本发明创新性地采用冶金废渣——高炉矿渣制得的地质聚合物作为胶结剂，不用高温烧结即可制得机械强度满足相关标准的免烧砖，有效提高大宗工业固体废物清洁回收利用率，并显著减少制砖能耗。
28.(3)本发明利用不规则的废玻璃颗粒可以反射光线的原理来达到夜光照明的效果，增加夜间出行的便利性和安全性，并可减少路灯的设置，以节省能耗，符合国家“2030碳达峰，2060碳中和”的战略目标。
29.(4)本发明创新性地采用椰果壳炭化成多孔活性炭，用于负载光催化材料改性纳米级二氧化钛，可使吸附的水生成羟基自由基、超氧离子自由基以及水自由基，具有很强的氧化、分解能力，将各种有机物分解为水、二氧化碳，氮氧化物生成氮气，达到催化降解汽车尾气的效果，实现了净化空气和大宗固体废弃物资源化利用的目的。
30.(5)本发明使用了内含导水管，表面设防堵凹槽的设计，加之砖体孔隙率较大，可实现透水、防堵塞的功能，符合国家建设“海绵城市”的需求。
附图说明
31.图1为本发明的可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖结构示意图。
32.其中：1-覆盖层；2-透水基层；3-负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭和废旧玻璃颗粒；4-防堵凹槽；5-导水管。
具体实施方式
33.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
34.本发明提供一种可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖及其制作方法。
35.如图1所示，该多功能砖包括覆盖层1和透水基层2；覆盖层1下部为透水基层2，透水基层2由尾矿废石、工业副产品石膏、高炉矿渣配制而成的地质聚合物组成；覆盖层1由透水基层材料再掺杂负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭和废旧玻璃颗粒3组成；覆盖层1表面留有防堵凹槽4，导水管5贯穿覆盖层1和透水基层2，砖体孔隙率为25％～30％。
36.其中，覆盖层1为光催化氧化与夜光层，高度为10～14cm。
37.透水基层2高度为46～52cm。
38.防堵凹槽4在覆盖层1表面互相垂直布置，相邻防堵凹槽间距80～120mm，防堵凹槽宽度为8～15mm，深度为5～10mm。
39.导水管5直径为3～5mm，相邻两排导水管间距为70～80mm，相邻两列导水管间距为70～80mm。
40.该多功能砖98.5％以上的制砖原料为固体废物，一般的，尾矿废石平均粒径为5～8mm、工业副产品石膏平均粒径为80～150um、高炉矿渣平均粒径为5～7mm、废旧玻璃颗粒平均粒径为1～3mm、椰果壳活性炭平均粒径为1～2mm、改性纳米级二氧化钛粒径为5～10nm。
41.该可催化降解汽车尾气的夜光透水多功能砖的制备方法，包括步骤如下：
42.s1：椰果壳活性炭的制备：以在550～650℃炭化50～70min处理后的椰果壳炭化料为原料，粉碎筛分至粒径160～200mm，利用质量分数40～60％的koh溶液作为活化剂，二者混合进行活化反应后，在350～500℃下热解110～130min得到椰果壳活性炭，具体重量配比范围为：以100重量份的椰果壳炭化料为基准，koh溶液为50～80重量份；
43.s2：改性纳米级二氧化钛的制备：将完全取代的n-三烷基聚糖季铵盐、乳酸混合，并加入总重量4～6倍的水后在80～90℃加热搅拌均匀至季铵盐完全溶解，再加入海藻酸钠、二氧化钛颗粒在85～95℃充分搅拌均匀，冷却、超声干燥即得改性纳米级二氧化钛，具体重量配比范围为：以100重量份的二氧化钛颗粒为基准，n-三烷基聚糖季铵盐为10～20重量份，乳酸为15～25重量份，海藻酸钠为30～35重量份；
44.s3：负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭的制备：将椰果壳活性炭与改性纳米级二氧化钛粉末在乙醇溶液中均匀混合、经干燥、煅烧，使改性纳米级二氧化钛负载于椰果壳活性炭上，具体配比范围为：以100重量份的椰果壳活性炭为基准，改性纳米级二氧化钛为15～25重量份；
45.s4：地质聚合物的制备：先由九水硅酸钠与氢氧化钠溶液配制成模数为1～1.5的水玻璃，再与高炉矿渣和水混合，搅拌制成地质聚合物；具体配比范围为：以100重量份的高炉矿渣为基准，水玻璃为15～25重量份，水为20～30重量份；
46.s5：透水基层的配制：将尾矿废石、工业副产品石膏与地质聚合物混合均匀，倒入模具下层4/5的位置；具体配比范围为：以100重量份的尾矿废石为基准，工业副产品石膏为10～15重量份，地质聚合物为10～15重量份；
47.s6：覆盖层的配制：在透水基层配料的基础上，再加负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭和废旧玻璃并搅拌均匀，倒入s5中模具上层1/5的位置；具体配比范围为：以100重量份的尾矿废石为基准，工业副产品石膏为10～15重量份，地质聚合物为10～15重量份，负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭为2～5重量份，废旧玻璃为5～10重量份；
48.s7：压制成型：模具内设有用于压制导水管和防堵凹槽的机械结构；待s6中覆盖层材料倒入模具后，启动制砖机压制成型；
49.s8：养护：将s7中制备好的砖块脱膜后，放入温度为50～80℃，湿度＞95％的养护箱中养护10～14h，取出后在自然环境下养护2周，即得多功能砖。
50.下面结合具体实施例予以说明。
51.实施例1
52.1)椰果壳活性炭的制备：以在600℃炭化60min处理后的椰果壳炭化料为原料，粉碎筛分至粒径180mm，利用质量分数50％的koh溶液作为活化剂，二者混合进行活化反应后，在450℃下热解120min得到椰果壳活性炭，具体重量配比范围为：以100重量份的椰果壳炭化料为基准，koh溶液为60重量份；由于处于熔融状态的金属钾具有极强的供电子能力，当扩散至微孔当中时会与含碳物质反应生成络合盐，在高温下该络合盐分解成钾和碳。所制得的椰果壳活性炭的比表面积为2809m2/g，总孔容积为1.798cm3/g。
53.2)改性纳米级二氧化钛的制备：将完全取代的n-三烷基聚糖季铵盐、乳酸混合，并加入总重量5倍的水后在80℃加热搅拌均匀至季铵盐完全溶解，再接入海藻酸钠、二氧化钛颗粒在90℃充分搅拌均匀，冷却、超声干燥即得，具体重量配比范围为：以100重量份的二氧化钛颗粒为基准，n-三烷基聚糖季铵盐为15重量份，乳酸为20重量份，海藻酸钠为30重量
份；
54.3)负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭的制备：将椰果壳活性炭与改性纳米级二氧化钛粉末在乙醇溶液中均匀混合、经干燥、煅烧，使改性纳米级二氧化钛负载于椰果壳活性炭上，具体配比范围为：以100重量份的椰果壳活性炭为基准，改性纳米级二氧化钛为20重量份。
55.4)地质聚合物的制备：先由九水硅酸钠(分析纯)与氢氧化钠溶液配制成模数为1.0的水玻璃，再与矿渣粉和水混合，搅拌制成地质聚合物。具体质量为：100g矿渣粉，20g水玻璃，25g水。
56.5)透水基层的配制：将尾矿废石、工业副产品石膏与地质聚合物搅拌均匀，将此混合物倒入模具下层4/5的位置。具体质量为：640g尾矿废石、68g工业副产品石膏、80g地质聚合物。
57.6)覆盖层的配制：在透水基层配料的基础上，再加负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭和废旧玻璃并搅拌均匀，将此混合物倒入模具上层1/5的位置。具体质量为：160g尾矿废石、17g工业副产品石膏、20g地质聚合物，14g钝化废弃玻璃颗粒和8g负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭。
58.7)压制成型：模具内设有用于压制导水管、防堵凹槽的特殊机械结构；将调制好的两种物料按透水基层和覆盖层体积为4：1的比例，依次放入制砖机的进料口，启动制砖机压制成型。
59.6)养护：制备好的砖块脱膜后，放入温度为55℃，湿度＞95％的恒温恒湿箱中养护12h，取出后在自然环境下养护2周，得到废料砖。测试其性能指标均达到中华人民共和国建材行业透水砖标准(jct945-2005)的要求，且具有催化降解汽车尾气、夜间照明、降噪等功能(见表1)。
60.实施例2
61.采用与实施例1相同的步骤和原材料。水玻璃模数为1.0，配置透水基层，具体质量为：720g尾矿废石、90g工业副产物石膏、80g地质聚合物。配置覆盖层，具体质量为：180g尾矿废石、22.5g工业副产物石膏、20g地质聚合物中的废旧玻璃颗粒为13.5g，负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭为6.3g。压制成型，脱模，养护得废料砖。测试其性能指标均达到中华人民共和国建材行业透水砖标准(jct945-2005)的要求，且具有催化降解汽车尾气、夜间照明、降噪等功能(见表1)。
62.实施例3
63.采用与实施例1相同的步骤和原材料。水玻璃模数为1.0，配置透水基层，具体质量为：560g尾矿废石、80g工业副产物石膏、80g地质聚合物。配置覆盖层，具体质量为：140g尾矿废石、20g工业副产物石膏、20g地质聚合物中的废旧玻璃颗粒为10.5g，负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭为4.9g。压制成型，脱模，养护得废料砖。测试其性能指标均达到中华人民共和国建材行业透水砖标准(jct945-2005)的要求，且具有催化降解汽车尾气、夜间照明、降噪等功能(见表1)。
64.实施例4
65.采用与实施例1相同的步骤和原材料。水玻璃模数为1.0，配置透水基层，具体质量为：640g尾矿废石、68g工业副产物石膏、80g地质聚合物。配置覆盖层，具体质量为：160g尾
矿废石、17g工业副产物石膏、20g地质聚合物中的废旧玻璃颗粒为16g，负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭为8g。压制成型，脱模，养护得废料砖。测试其性能指标均达到中华人民共和国建材行业透水砖标准(jct945-2005)的要求，且具有催化降解汽车尾气、夜间照明、降噪等功能(见表1)。
66.实施例5
67.采用与实施例1相同的步骤和原材料。水玻璃模数为1.0，配置透水基层，具体质量为：720g尾矿废石、56g工业副产物石膏、80g地质聚合物。配置覆盖层，具体质量为：180g尾矿废石、14g工业副产物石膏、20g地质聚合物中的废旧玻璃颗粒为10g，负载改性纳米级二氧化钛的椰果壳活性炭为8g。压制成型，脱模，养护得废料砖。测试其性能指标均达到中华人民共和国建材行业透水砖标准(jct945-2005)的要求，且具有催化降解汽车尾气、夜间照明、降噪等功能(见表1)。
68.表1各实施例所制得透水多功能砖的性能比较
[0069][0070]
根据以上实施例可知：本发明所述方案，通过透水基层与覆盖层的配合，既赋予覆盖层白天光催化氧化、晚上夜光照明的能力，又赋予基体层透水、降噪的性能；本发明的多固废大掺量免烧砖显著提高了砖的透水性，且有效地降低了制砖所需能耗，减少废物排放，提高固体废物资源化利用率。
[0071]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。