公布日：2023.08.08

申請日：2023.05.11

分類號：C04B28/00(2006.01)I;C04B14/02(2006.01)I;C04B14/06(2006.01)I;B33Y10/00(2015.01)I;B33Y70/00(2020.01)I;C02F11/12(2019.01)I;C02F11/10(2006.01)I;C02F11

/00(2006.01)I

摘要

本發(fā)明公開了一種納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及制備方法,該水泥材料主要組分為污泥炭、納米二氧化硅、沸石、水泥基材料等，其制備方法為先將市政污泥進行調(diào)理改型，經(jīng)高干脫水、破碎、干燥、熱解得到污泥炭；分別對污泥炭、沸石進行清洗、烘干、研磨并篩分；對納米二氧化硅、除雜沸石和除雜污泥炭進行球磨，再添加到懸浮液中進行磁力攪拌，分離處出經(jīng)納米二氧化硅和沸石浸漬的污泥炭，干燥得到污泥炭原料；將經(jīng)粘土處理的污泥炭原料進行熱解、研磨，并摻入水泥基材料內(nèi)，制得納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。本發(fā)明通過改變水泥的理化性質(zhì)，以增強水泥的固碳能力，增加其保溫效果，提升水泥對室內(nèi)有毒有害氣體的吸附和提升其抗壓強度等。

權(quán)利要求書

1.一種納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料，其特征在于，包括以下組分：水泥基材料；以及由除雜污泥炭、納米二氧化硅、除雜沸石為原料制成的納米二氧化硅改性污泥炭材料；其中，納米二氧化硅與除雜污泥炭的質(zhì)量比為1:5；除雜污泥炭的質(zhì)量占納米二氧化硅改性污泥炭材料質(zhì)量的80%；除雜沸石的質(zhì)量占納米二氧化硅改性污泥炭材料質(zhì)量的3%；水泥基材料與納米二氧化硅改性污泥炭材料的質(zhì)量比為（30-40）：1。

2.一種如權(quán)利要求1所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1）先將市政污泥進行調(diào)理改型，再高干脫水成為脫水泥餅，然后將脫水泥餅破碎成市政污泥顆粒，再對市政污泥顆粒依次進行干燥、熱解，產(chǎn)生污泥炭，最后將污泥炭自然放置冷卻至室溫；步驟2）將冷卻后的污泥炭用去離子水進行清洗，清洗至洗滌液為中性后進行固液分離，所得固相經(jīng)烘干后，得到除雜污泥炭，再對除雜污泥炭進行研磨并篩分；步驟3）將沸石用去離子水進行清洗，清洗至洗滌液為中性后進行固液分離，所得固相經(jīng)烘干后，得到除雜沸石，再對除雜沸石進行研磨并篩分；步驟4）在球磨機中研磨納米二氧化硅、除雜沸石和除雜污泥炭，再將研磨后的混合物添加到懸浮液中，并進行磁力攪拌，然后從中分離處出經(jīng)納米二氧化硅和沸石浸漬的污泥炭，并干燥，得到污泥炭原料；步驟5）將經(jīng)粘土處理的污泥炭原料置于管式爐內(nèi)的石英管中，在惰性氣體氛圍下進行熱解，制得納米二氧化硅改性污泥炭材料，并進行研磨；步驟6）將經(jīng)研磨的納米二氧化硅改性污泥炭材料摻入水泥基材料內(nèi)，制得納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，步驟1）中，在對市政污泥進行調(diào)理改性時，添加的藥劑為無機混凝劑、有機混凝劑、添加劑中的一種或幾種。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，步驟1）中，高干脫水后的脫水泥餅的含水率≤60%，所述脫水泥餅經(jīng)破碎機粉碎后的市政污泥顆粒的粒徑大小≤50mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，步驟4）中，納米二氧化硅與除雜污泥炭的質(zhì)量比為1:5，納米二氧化硅的粒徑為5-50nm，除雜污泥炭的質(zhì)量占納米二氧化硅改性污泥炭材料總質(zhì)量的80%，除雜沸石占納米二氧化硅改性污泥炭材料總質(zhì)量的3%。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，步驟4）中，所述懸浮液是由蒙脫石或高嶺土粉末中的一種或兩種加入到去離子水中后，用超聲波發(fā)生器超聲處理后制得，蒙脫石和/或高嶺土粉末的質(zhì)量是納米二氧化硅改性污泥炭材料總質(zhì)量的20%。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，步驟5）中，熱解經(jīng)粘土處理的泥炭原料的條件為，在惰性氣體N2氛圍，熱解溫度600-800℃下，緩慢熱解1h。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，步驟6）中，所述納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，納米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，其特征在于，步驟6）中，所述水泥基材料選用摻入水灰比為0.3-0.5的水泥。

10.一種如權(quán)利要求1所述的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的應(yīng)用，其特征在于，所述納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料作為3D打印建筑材料，用于建筑物的3D打印建造。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有水泥生產(chǎn)和使用存在二氧化碳排放過多、抗壓強度較低、不隔熱等問題，本發(fā)明提供了一種納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料及其制備方法和應(yīng)用，通過改變水泥的理化性質(zhì)，以增強水泥的固碳能力，增加其保溫效果，提升水泥對室內(nèi)有毒有害氣體的吸附和提升其抗壓強度等。

為解決上述技術(shù)問題，實現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料，包括以下組分：

水泥基材料；

以及由除雜污泥炭、納米二氧化硅、除雜沸石為原料制成的納米二氧化硅改性污泥炭材料；

其中，

納米二氧化硅與除雜污泥炭的質(zhì)量比為1:5；

除雜污泥炭的質(zhì)量約占納米二氧化硅改性污泥炭材料質(zhì)量的80%；

除雜沸石的質(zhì)量占納米二氧化硅改性污泥炭材料質(zhì)量的3%；

水泥基材料與納米二氧化硅改性污泥炭材料的質(zhì)量比為（30-40）：1。

除雜污泥炭是由市政污泥進行調(diào)理改性、高干脫水、破碎、干燥、熱解得到污泥炭后，再經(jīng)清洗、烘干、研磨并篩分后獲得；

除雜沸石是由將沸石進行清洗、烘干、、研磨并篩分后獲得；

納米二氧化硅改性污泥炭材料是由納米二氧化硅、除雜沸石和除雜污泥炭進行球磨，再添加到懸浮液中進行磁力攪拌，分離出經(jīng)納米二氧化硅和沸石浸漬的污泥炭，干燥得到污泥炭原料后，再置于管式爐內(nèi)的石英管中，在惰性氣體氛圍下進行熱解、研磨后獲得；

納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料是由納米二氧化硅改性污泥炭材料摻入水泥基材料內(nèi)獲得。

一種納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟1）先將市政污泥進行調(diào)理改型，再高干脫水成為脫水泥餅，然后將脫水泥餅破碎成市政污泥顆粒，再對市政污泥顆粒依次進行干燥、熱解，產(chǎn)生污泥炭，最后將污泥炭自然放置冷卻至室溫；

步驟2）將冷卻后的污泥炭用去離子水進行清洗，清洗至洗滌液為中性后進行固液分離，所得固相經(jīng)烘干后，得到除雜污泥炭，再對除雜污泥炭進行研磨并篩分；

步驟3）將沸石用去離子水進行清洗，清洗至洗滌液為中性后進行固液分離，所得固相經(jīng)烘干后，得到除雜沸石，再對除雜沸石進行研磨并篩分；

步驟4）在球磨機中研磨納米二氧化硅、除雜沸石和除雜污泥炭，再將研磨后的混合物添加到懸浮液中，并進行磁力攪拌，然后從中分離處出經(jīng)納米二氧化硅和沸石浸漬的污泥炭，并干燥，得到污泥炭原料；

步驟5）將經(jīng)粘土處理的污泥炭原料置于管式爐內(nèi)的石英管中，在惰性氣體氛圍下進行熱解，制得納米二氧化硅改性污泥炭材料，并進行研磨；

步驟6）將經(jīng)研磨的納米二氧化硅改性污泥炭材料摻入水泥基材料內(nèi)，制得納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料。

水泥基材料表層通過復(fù)合材料的固碳特性和多孔結(jié)構(gòu)，提高了對CO2的吸收能力，通過納米二氧化硅的加速水化特性加，速了水泥基材料表層的碳化作用，在表面形成碳酸鈣保護層，提高了耐久性能；同時，水泥基材料內(nèi)部通過復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)與“小尺寸效應(yīng)”的保水性和親水性對水分的逐漸釋放，發(fā)生二次水化作用，填充孔隙，細化水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得水泥基材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性。

進一步的，步驟1）中，在對市政污泥進行調(diào)理改性時，添加的藥劑為無機混凝劑、有機混凝劑、添加劑中的一種或幾種。

進一步的，步驟1）中，高干脫水后的脫水泥餅的含水率≤60%，所述脫水泥餅經(jīng)破碎機粉碎后的市政污泥顆粒的粒徑大小≤50mm。

進一步的，步驟1）中，在對市政污泥顆粒進行干燥、熱解時，先將市政污泥顆粒送入干化爐內(nèi)，在120℃下干燥60min，之后通過馬弗爐對市政污泥顆粒進行熱解，熱解溫度為600℃，氮氣流速為0.5L/min，升溫速率為10℃/min，在惰性N2氣氛下熱解2-3h。

進一步的，所述干化爐為內(nèi)熱式干化爐，溫度范圍為120℃，停留時間60min。

進一步的，步驟2）中，在對污泥炭進行清洗時，加入去離子水目的是去除污泥炭中多余的無機鹽雜質(zhì)離子，然后通過超聲、加熱、攪拌相結(jié)合的方式對污泥炭進行清洗，超聲時間優(yōu)選為30-90min，并加以攪拌；加熱溫度優(yōu)選為40-80℃，同時加以攪拌。

進一步的，步驟2）中，在對除雜污泥炭進行研磨和篩分時，使用機械研磨機對除雜污泥炭進行研磨，然后通過0.6mm篩網(wǎng)進行篩分。

進一步的，步驟3）中，在對沸石進行清洗時，加入去離子水的目的是去除沸石中包括碳酸鹽、有機物在內(nèi)的雜質(zhì)。

進一步的，步驟3）中，在對除雜沸石進行研磨和篩分時，使用機械研磨機對除雜沸石進行研磨，然后通過0.6mm篩網(wǎng)進行篩分。

進一步的，步驟4）中，在研磨納米二氧化硅、除雜沸石和除雜污泥炭時，球磨機的轉(zhuǎn)速為800rpm，研磨時間為20min，并且納米二氧化硅與除雜污泥炭的質(zhì)量比為1:5，納米二氧化硅的粒徑為5-50nm，除雜污泥炭的質(zhì)量占納米二氧化硅改性污泥炭材料總質(zhì)量的80%，除雜沸石占納米二氧化硅改性污泥炭材料總質(zhì)量的的3%。

進一步的，步驟4）中，所述懸浮液是由蒙脫石或高嶺土粉末中的一種或兩種加入到去離子水中后，用超聲波發(fā)生器超聲處理后制得，蒙脫石和/或高嶺土粉末的質(zhì)量是納米二氧化硅改性污泥炭材料總質(zhì)量的20%。

進一步的，步驟4）中，球磨后的納米二氧化硅、除雜沸石和除雜污泥炭混合物的質(zhì)量為10g；所述懸浮液是由2g蒙脫石或高嶺土粉末加入到500mL去離子水中后用超聲波發(fā)生器超聲處理30min后制得；用磁力攪拌器攪拌3小時。

進一步的，步驟4）中，干燥經(jīng)納米二氧化硅和沸石浸漬的污泥炭的溫度為80℃。

進一步的，步驟5）中，熱解經(jīng)粘土處理的泥炭原料的條件為，在惰性氣體N2氛圍，熱解溫度600-800℃下，緩慢熱解1h。

進一步的，步驟5）中，將制得的納米二氧化硅改性污泥炭材料在電控研缽杵中研磨30min，之后在渦輪磨砂機50Hz，1000轉(zhuǎn)/min下研磨3h，制得微米級污泥炭；

進一步的，所述微米級污泥炭的粒徑優(yōu)選為1-5μm。

進一步的，步驟6）中，所述納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，納米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%。

進一步的，所述納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料中，納米二氧化硅改性污泥炭材料代替水泥基材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不超過3%。

進一步的，步驟6）中，所述水泥基材料選用摻入水灰比為0.3-0.5的水泥。

進一步的，所述水泥基材料選用摻入水灰比為0.4的水泥。

上述制得的納米二氧化硅改性污泥炭水泥材料可以作為3D打印建筑材料，用于建筑物的3D打印建造。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明將污泥炭材料用于改性水泥基材料，利用污泥炭自身孔隙結(jié)構(gòu)和吸附性能，可以用于固碳和吸收房屋內(nèi)揮發(fā)性有機物質(zhì)；此外，由于污泥炭本身的熱傳導(dǎo)性低、不易燃、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易使水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)腐壞的特點，使其在改性水泥基材料中有積極作用；并且污泥炭還可以提升水泥基材料強度機理，提高密實度，并且污泥炭內(nèi)部吸收的水分可用于水泥水化增強水泥強度。

2、本發(fā)明的納米二氧化硅改性污泥炭摻入量在3%以內(nèi)，可以提高水泥的力學(xué)性能；強度的發(fā)展對3D打印水泥至關(guān)重要，摻入的微米級污泥炭，水泥28d抗壓強度提高提升了10-20%，28d抗彎強度提高了5-10%，56d的自收縮率降低了5-15%；納米二氧化硅改性污泥炭中的硅還可以與水泥體系中的鋁和鈣形成額外的C-S-H鍵，使結(jié)構(gòu)致密化并增強機械性能。

3、發(fā)明特制的污泥炭具有3D多孔和2D片狀結(jié)構(gòu)，并且污泥炭的摻入，使其孔隙可以破壞污泥炭-水泥復(fù)合材料的熱橋，這是復(fù)合材料具有低熱導(dǎo)性和隔熱性能的原因；將5wt%污泥炭摻入水泥，其導(dǎo)熱率降低了15-25%，還改善了污泥炭-水泥復(fù)合材料在200-2000Hz頻率范圍內(nèi)的聲學(xué)性能，有隔熱和隔音的效果。

4、本發(fā)明的污泥炭水泥是一種對氣候有利的粘合劑，可促進水泥水合，從而形成更致密的基質(zhì)，用于封裝PTE和充當(dāng)一種經(jīng)濟高效的揮發(fā)性有機物（VOCs）吸附劑。

5、本發(fā)明的污泥炭水泥與普通水泥相比，在1.56GHz下，摻入0.5wt%生物炭后，電磁屏蔽效能最大能增加200-250%；污泥炭水泥復(fù)合材料的電磁屏蔽性能可通過污泥炭含量來提高，在高于4GHz的頻率下，污泥炭含量變得更加明顯。

6、本發(fā)明的污泥炭水泥建筑材料在3D打印下可以減少30-60%的建筑垃圾，50-80%的勞動力成本和50-70%的勞動時間；納米二氧化硅作為添加劑可以改善3D水泥打印的觸變性和可構(gòu)建性，并且污泥炭的加入還可以降低水泥3D打印的密度，增強可擠壓性和可建造性。

7、本發(fā)明用于制造污泥炭-水泥復(fù)合材料的污泥炭研磨過程的二氧化碳排放量與水泥熟料產(chǎn)生的二氧化碳相比可以忽略不計，并且與普通水泥相比，在水泥中摻入4wt%的污泥炭可以額外儲存0.08kg的CO2,摻入8wt%球磨污泥炭可減少10-20%的CO2。

（發(fā)明人：俞益輝;錢飛躍;丁玲玲;李浩然;盛秉誠）