氧化铝赤泥在陶瓷工业中的应用

Vol.22No.6渊SerialNo.190冤FOSHANCERAMICS

1前言

赤泥亦称红泥袁是在铝土矿生产氧化铝过程中排放

的一种固体废物袁每生产一吨氧化铝大概有0.8~1.5t的赤

泥产生遥我国是氧化铝生产大国袁2009年生产氧化铝2378万吨袁约占世界总产量的30%袁产生的赤泥近3000

万吨遥目前我国赤泥综合利用率仅约4%袁累积堆存量达到2亿吨遥随着我国氧化铝产量的逐年增长和铝土矿品位的

逐渐降低袁赤泥的年产量还将不断增加袁预计到2015年袁

赤泥累计堆存量将达到3.5亿吨遥基于我国赤泥的综合利

用现状及其对铝生产行业可持续发展带来的严重负面影

响袁2010年8月袁工信部和科技部联合编制了叶赤泥综合

利用指导意见曳袁以期提高赤泥综合利用率和综合利用技

术水平袁减少赤泥堆存对环境尧安全造成的影响遥

世界各国大多数氧化铝厂是将赤泥堆积或倾入深

海袁赤泥的存放不仅占用大量土地和农田尧耗费较多的堆

场建设和维护费用袁而且存在于赤泥中的剩余碱液能向

地下渗透袁造成地下水污染遥此外袁晒干的赤泥形成的粉尘到处飞扬袁破坏生态环境袁造成严重污染遥在土地资源

日趋紧张尧环境保护日趋重要的当今社会袁赤泥的综合治

理已成为人们所关注的焦点之一遥

长期以来袁国内外学者对赤泥的综合利用做了大量

的研究工作袁取得了显著进展遥概括起来赤泥有以下几种

用途院赤泥作土壤改良剂要硅肥是继氮尧磷尧钾肥之后的

第四大元素肥料袁它对多种农作物具有较好的营养作用曰

富含铁的赤泥可作为筑路材料曰还可作为一次资源用于

生产水泥尧陶瓷及玻璃曰用赤泥制作优质砖和转型砖曰赤

泥用作塑料填料尧赤泥治理废水尧赤泥治理废气尧赤泥提

取有价金属尧赤泥制作微晶玻璃尧赤泥生产水泥及水泥混

合材料等遥

2赤泥的形成及其化学成分和物相组成

赤泥属强碱性有害残渣袁含水量高尧容重为700~1000kg/m3尧比表面积为0.5~0.8m2/g袁具有胶结多孔架空结

构尧孔隙性强尧紧密度低尧胶结连接尧结晶连接尧孔隙大尧质

轻尧结构稳定尧压缩性低尧渗透性弱等特点袁使赤泥获得良

好的工程应用性能遥其组成和性质复杂袁并随铝土矿成

分尧生产工艺渊烧结法尧混联法和拜耳法冤及脱水尧陈化程王新平1袁胡猛2袁朱峰1袁赵勇2渊1.佛山科学技术学院袁佛山528000曰

2.佛山市三水金鹰无机材料有限公司袁佛山528000冤

本文阐述了赤泥在陶瓷工业中的应用情况袁分析了赤泥利用存在的关键技术问题袁并对企业综合利用赤泥进行了展望遥氧化铝曰赤泥曰综合利用曰应用

王新平，男，汉族，副教授，佛山科学技术学院理学院化学与化工系教师，长期从事《普通化学》和《分析化学》的教学工作，主要研究方向：光谱分析、无机合成等。22

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佛山陶瓷2012年第6期渊第190期冤

表1赤泥的典型化学组成渊wt%冤成分Fe2O3Al2O3SiO2CaONa2OTiO2K2OMgOI.L

烧结法混联法拜耳法9.4~148.1~1210~605.4~7.98~105~2018~22201~23.741~46452~14.92.9~6.22.74~12.22~3.45.11.7~9.40.40.350.039~11.4~1.82.020.1~1.48.5~9.55~158.2~10.4

度有所变化袁其典型化学成分如表1所示[1-5]遥

除此之外袁赤泥中还含有少量的ZrO2尧Sc2O3尧Nb2O5尧

ThO2尧Re2O3等微量组分遥

赤泥主要由细颗粒的泥和粗颗粒的砂组成袁其化学

成分因铝土矿产地和氧化铝生产方法的不同而有所差

异遥与国外相比袁我国铝土矿资源特殊要高铝尧高硅尧低

铁尧一水硬铝石型袁溶出性能较差遥国内赤泥主要矿物组

成是硅酸二钙尧水化石榴石尧一水硬铝石袁其次是水化铝

酸三钙尧含水硅酸钙尧钙霞石尧赤铁矿尧钠长石尧钙铁矿等遥

3赤泥在陶瓷工业中的应用

2007年袁吴建锋等人以烧结法赤泥为主要原料袁制备

了多孔陶瓷滤球袁研究了赤泥添加量尧烧成温度等对样品

的烧成温度范围尧显气孔率尧压碎强度尧耐酸耐碱性尧显微

结构等的影响遥理化性能和显微结构测试表明袁赤泥添加

量和烧成温度是影响样品结构和性能的主要因素袁二者

对样品各项性能均产生影响遥赤泥添加量为50wt%尧烧成

温度为1120益时袁样品的显气孔率为37.29%尧吸水率为19.61%尧体积密度为1.90kg/m3尧压碎强度为24.54MPa尧耐

酸性为84.01%尧耐碱性为98.98%尧气孔分布均匀袁呈三维

连通状袁可以满足用作污水处理过滤介质的要求遥烧结法

赤泥的主要化学成分为CaO和SiO2袁次要化学成分为

A12O3和Fe2O3袁适宜于生产低温快烧的Ca-Al-Si系统陶

瓷遥此外袁烧结法赤泥还具有较高的烧失量袁即存在较多

高温下易分解的水合矿物和碳酸盐矿物袁并释放出水分

或气体袁形成多孔结构遥充分利用烧结法赤泥的这一特性

制备多孔陶瓷滤料可实现赤泥的资源化[20]遥

2008年吴建锋等人以拜耳法赤泥为主要原料袁制备

多孔陶瓷滤料袁研究了赤泥添加量尧烧成温度等对样品的

烧成温度范围尧显气孔率尧压碎强度尧耐酸耐碱性和显微

结构等的影响遥理化性能和显微结构测试表明:赤泥添加

量和烧成温度是影响样品结构和性能的主要因素遥赤泥

添加质量达60%时袁样品烧成温度为1100益袁样品的显气

孔率为31.78%尧吸水率为15.34%尧体积密度为2.07kg/m3尧压碎强度为26.74MPa尧耐酸性为93.54%尧耐碱性为99.27%遥样品的晶相组成为g-Fe2O3尧a-鳞石英尧钠长石及

斜辉石等袁是一种气孔率高且强度高的优质滤料[18]遥

2009年吴建锋等人以烧结法赤泥与拜耳法赤泥两种

赤泥为原料袁制备了多孔陶瓷滤球袁赤泥总添加量达质量

分数50%尧烧结法赤泥(S):拜耳法赤泥(B)(S:B)=1:1.2时袁样

品烧成温度为1100益尧显气孔率为37.58%尧吸水率为20.44%尧体积密度为1.84kg/m3尧压碎强度为26.6MPa尧耐

酸性为89.17%尧耐碱性为99.76%遥两种赤泥添加比例减

小袁则样品的主晶相不同袁气孔呈三维连通状均布于样品

中袁具有优良的过滤性能遥其相组成主要是SiO2尧Fe2O3尧斜

辉石尧透辉石尧钙长石尧钠长石等袁这些成分被大量包裹于

玻璃相中袁保证了滤料具有较高的强度[5]遥

2010年吴建锋等人以白云石尧石墨为成孔剂袁制备赤

泥质多孔陶瓷滤料袁研究了成孔剂的种类尧添加量及烧成

温度等对样品的显气孔率尧压碎强度尧耐酸耐碱性尧显微

结构等的影响遥石墨添加量为10%袁经1100益烧成的样

品袁其气孔率达45.37%尧吸水率为27.95%尧抗压碎强度达9.57MPa尧耐酸性为90.69%尧耐碱性为99.57%遥研究表明袁

气孔分布均匀袁呈三维连通状袁可以满足用作水处理过滤

介质的要求[9]遥

2005年吴建锋等袁利用溶胶-凝胶法在赤泥质多孔陶

瓷滤球表面涂覆TiO2薄膜袁采用TG-DTA尧XRD尧SEM等

现代测试技术测试了样品的成分及微观结构袁并通过测

试其对甲醛和丙酮的分解率研究其光催化性能遥结果表

明袁经500益尧1h热处理后的涂覆TiO2薄膜的赤泥质多孔

陶瓷滤球具有良好的光催化性能袁且膜与赤泥质多孔陶

瓷滤球基体结合牢固[16]遥

2010年李孟等人将质量浓度为0.01g/mL的壳聚糖

负载在烧成温度为1080益的烧结法赤泥基多孔陶瓷材料

上袁应用其去除浓度为15mg/L的铜离子溶液时袁去除率

可达96%[7]遥

1986年刘作霖袁以烧结法赤泥为基本原料袁配加适量

粘土尧硅质材料生产陶瓷釉面砖遥赤泥坯料的最优组成是

在高温下反应形成低温相硅灰石尧钙长石遥赤泥具有熔剂

的特性袁可以采用一次烧成技术袁低温快烧生产釉面砖遥23

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赤泥釉面砖产品成本低于传统法生产釉面砖袁具有较好

的经济效益遥以烧结法赤泥为原料组成的瓷坯袁采用一次

烧成制取的釉面砖袁质量符合德国标准袁容重为1.5g/cm3袁

吸水率为12%尧耐压强度为365kg/cm2尧按照中国GB-

4100-83袁GBn213-83标准测试主要物理机械性能:耐急

冷急热性合格(热稳定标准90%)曰白色陶瓷釉面砖白度为80毅(标准78毅)尧吸水率为19%(标准不大于22%)[19]遥

2007年徐晓虹等人以烧结法赤泥尧拜耳法赤泥两种

固体废弃物为主要原料袁添加改善坏体成形性能及促进

样品烧成的添加剂袁分别采用一次烧成和二次烧成方法袁

制备了高性能的赤泥质陶瓷内墙砖遥按国标测定了样品

的吸水率尧气孔率尧体积密度尧抗折强度及耐急冷急热性袁

并采用XRD尧SEM研究了样品的相组成和显微结构遥结

果表明袁赤泥质陶瓷内墙砖气孔率达20%~35%尧吸水率

达10%~22%尧体积密度达1.2~1.8g/cm3尧抗折强度达20~

35MPa遥内墙砖晶相组成为CaA12Si2O8尧CaMg(SiO3)2尧

Fe2O3尧SiO2袁主晶相晶体呈板条状交织排列袁赋予内墙砖

较高的强度[10]遥

2007年徐晓虹等人研究了以赤泥尧页岩等工业固体

废物为原料袁添加一系列改善坯体制备及样品烧结性能

的添加剂袁采用压制成形方法制备高性能的艺术型清水

砖遥对工业固体废物制备陶瓷清水砖的坯体组成进行优

化调整袁得到较优性能的坯体遥徐晓虹等人探讨了清水砖

的装饰方法袁研究了釉料与坯体的结合机理遥结果表明袁

这种艺术型清水砖表面色彩鲜明尧坯釉结合性能好袁适于

别墅及高档住宅尧建筑墙体材料[11]遥

2007年吴建锋等人以一种富含钙质的废弃物要赤泥

为主要原料袁通过加入添加剂袁采用压制成形技术制备了

富赤泥陶瓷清水砖袁达到了提高赤泥利用率的目的遥采用XRD尧SEM等测试手段测定了样品的理化性能及微观结

构遥结果表明:陶瓷清水砖的吸水率为23.33%~42.33%尧气

孔率为43.45%~70.86%尧体积密度为1.66~2.07g/cm3尧抗折

强度为11.41~23.95MPa遥分析表明袁经合理烧成后的此类

高钙质陶瓷清水砖中最终的物相是石英尧钙黄氏石尧假硅

灰以及少量的刚玉遥另外袁讨论了添加剂及制备工艺对样

品结构与性能的影响[12]遥

2008年蒋述兴等人利用赤泥和高岭土等常用陶瓷原

料袁在无特殊添加剂的条件下袁经压制成形制备建筑陶瓷袁

探索了赤泥陶瓷的最佳配方范围:当赤泥含量为40%尧石

英砂为30%尧高岭土为30%时袁压制成的坯体在1100益下烧

成袁所制得的陶瓷素坯强度最高袁其抗压强度为144.4MPa尧

弯曲强度为29.3MPa遥用扫描电镜和X射线衍射方法分析其成瓷机理遥研究表明袁该陶瓷中的钙长石和玻璃相对

陶瓷的成瓷及其强度的提高都起到了重要作用[14]遥

2008年吴建锋等人利用两种赤泥成功地制备了具有

保温功能的陶瓷砖遥其中烧结法赤泥和拜耳法赤泥的总

掺量达质量分数60%以上袁制备的样品具有较高的抗压

和抗折强度及较低的导热系数遥利用XRD尧SEM等测试

手段分析了样品的理化性能与微观结构遥结果表明院烧结

法赤泥添加量为24%尧拜耳法赤泥添加量为36%尧最佳烧

成温度为1040益时袁气孔率为41.57%尧吸水率为23.13%尧

体积密度为1.80g/cm3尧抗折强度为14.97MPa尧抗压强度

为53.84MPa尧导热系数为0.88W/(m窑K)遥样品的晶相组成