一种铁尾矿基土壤改良材料及其制备方法

本发明涉及固废资源化利用与农业，具体涉及一种铁尾矿基土壤改良材料及其制备方法。

背景技术：

1、在降雨或者灌溉时，土壤团粒结构易破坏，不能及时下渗雨水，导致过量的水分使田间持水量达到饱和，使细小的土壤粘粒沉积在地表。随着水分蒸发，细小的土壤颗粒由于水的表面张力、范德华力以及氢键的综合作用粘结在一起，在土壤颗粒-水-静电力体系下斥力和引力达到平衡，形成牢固的土壤粘聚力造成土壤板结。土壤板结属于严重的土壤性质的恶化，板结后土壤容重会显著增加，土壤孔隙会减少，这使得土壤的透气透水性降低，土壤容易出现局部缺氧的状况，同时土壤大团聚体的比例、团粒水稳性也显著降低。通过利用铁尾矿制备透气保水土壤改良材料施入土壤中，可以缓解土壤板结问题。

2、铁尾矿主要来自于铁矿石精选出金属铁后的固体废弃物。当前，铁尾矿堆存量在各类尾矿总量中占比最大，由于其具有种类繁多、性质不一、粒度小等特点，导致综合利用率较低。铁尾矿的成分主要由sio2、fe2o3及al2o3构成，可以将其应用于多孔材料的制备。多孔材料是一种由大量不规则的多面体空洞在空间上聚集形成的三维结构材料，具有密度低、吸附性高、吸声性好、吸水、保水及透气性能佳等特点，因此应用广泛，例如在催化领域，可以为催化剂提供大量吸附位点；在隔热保温领域，借助其低导热的多孔结构可以有效地进行隔热保温；在吸水保水领域，由于其孔径较小具有毛细管结构，可以利用毛细作用有效地将水分锁在材料内部并应用于沙漠改造、防风固沙、水土保持、抗旱保苗、增产增收等农林业方面。因此，为了进一步提高铁尾矿的综合利用率，已有许多研究将铁尾矿作为主要原料制备多孔材料。

3、cn 106977225a公开了一种铁尾矿烧结多孔材料及其制备方法，该方法以铁尾矿粉(30～40％)、稻壳粉(10～35％)、粘结剂(5～35％)、助熔剂(5～15％)、加固剂(5～30％)为原料进行制备，其中稻壳粉和粘结剂占比偏高，导致原料成本较高；铁尾矿和稻壳粉需要进一步破碎至所需粒径范围且还需要在5～10mpa的压力下进行压样，导致工艺流程复杂；所需的烘干温度为100～110℃，时间为20～26h，烧结温度在900～1100℃，工艺能耗较高；所制备的铁尾矿多孔材料吸水率最高仅为56.37％，处于较低水平。因此该发明中的工艺存在所需要的添加剂量大，工艺复杂，能耗高以及性能差的缺陷而难以推广应用。

4、cn 103980001a公开了一种铁尾矿多孔陶瓷材料及其制备方法，该工艺中铁尾矿粉体需搅拌60～90min后过筛，然后加入添加剂和水混料后在120℃干燥2～4h，接着搅拌20～30min进行压块成型，最后在1200～1300℃下进行烧结得到多孔陶瓷，该工艺同样存在工艺流程复杂、时间跨度大、能耗较高的不足。

5、cn 110079039a公开了一种矿物/有机物吸水保水复合材料，主要原理为向丙烯酸铵反应溶液中，加入矿物填料、丙烯酰胺和交联剂n～n亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合均匀超声分散均匀，得到分散液，在25～80℃进行成胶反应，得到凝胶状产物，最后进行干燥以及烧结。该工艺制备的保水吸水材料性能优异，但是添加剂种类繁多，反应条件要求苛刻，不利于铁尾矿这种存量较大的固废的规模处置。

6、因此，针对现有技术的不足，需要提供一种添加剂占比低、工艺简单、能耗低、时间短、吸水性以及透气保水性好的制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铁尾矿基土壤改良材料及其制备方法，通过将造孔剂与发泡剂混合使用，利用添加造孔剂法与发泡法的耦合工艺进行制备，制得的铁尾矿基土壤改良材料具有孔径分布宽、吸水率高、保水效果好和透气效果佳的特点。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种铁尾矿基土壤改良材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、(1)混合铁尾矿粉、造孔剂、发泡剂、粘结剂、助烧剂以及溶剂，得到混合浆料；

5、(2)步骤(1)所得混合浆料经干燥处理，得到生坯；对所得生坯进行烧结处理，得到所述铁尾矿基土壤改良材料。

6、本发明提供的铁尾矿基土壤改良材料的制备方法，采用添加造孔剂法和混合发泡法复合造孔工艺，发泡剂的引入可以对颗粒粉体表面进行疏水化修饰降低气-液表面张力进而制备得到球形孔，造孔剂的引入可在烧失后原位造孔，同时将球形孔进行串联，构建出多取向的“糖葫芦”状复杂孔隙系统。这样的孔隙系统使制得的铁尾矿基土壤改良材料具有孔径分布宽、吸水率高、保水效果好和透气效果佳的特点，较好地平衡了吸水材料内部的水气矛盾，与现有发明制备出的材料相比具有功能数量多的优势。

7、优选地，以质量百分含量计，步骤(1)所述铁尾矿粉包括sio2 40-75％，fe2o3 10-20％，mgo 4-7％，cao 1-3％，al2o3 1-3％。

8、所述铁尾矿粉中sio2的质量百分含量为40-75％，例如可以是40％、45％、50％、60％或75％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

9、所述铁尾矿粉中fe2o3的质量百分含量为10-20％，例如可以是10％、12％、15％、18％或20％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

10、所述铁尾矿粉中mgo的质量百分含量为4-7％，例如可以是4％、5％、6％或7％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

11、所述铁尾矿粉中cao的质量百分含量为1-3％，例如可以是1％、1.5％、2％或3％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

12、所述铁尾矿粉中al2o3的质量百分含量为1-3％，例如可以是1％、1.5％、2％或3％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

13、优选地，以质量百分含量计，步骤(1)所述混合的固态原料中铁尾矿粉为70-90％，造孔剂为1-10％，发泡剂为0.01-1％，粘结剂为0.5-5％，助烧剂为1-10％；所述溶剂为30-100％。

14、所述混合的固态原料中铁尾矿粉的质量百分含量为70-90％，例如可以是70％、75％、80％、85％或90％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为90％。

15、所述混合的固态原料中造孔剂的质量百分含量为1-10％，例如可以是1％、2％、4％、7％或10％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为4％。

16、所述混合的固态原料中发泡剂的质量百分含量为0.01-1％，例如可以是0.01％、0.04％、0.1％、0.5％或1％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

17、所述混合的固态原料中粘结剂的质量百分含量为0.5-5％，例如可以是0.5％、1％、2％、4％或5％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为2％。

18、所述混合的固态原料中助烧剂的质量百分含量为1-10％，例如可以是1％、2％、3.5％、7％或10％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为3.5％。

19、所述混合的固态原料中溶剂的质量百分含量为30-100％，例如可以是30％、50％、70％、90％或100％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为90％。

20、优选地，步骤(1)所述造孔剂包括秸秆纤维、稻杆纤维、锯末或椰棕纤维中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括秸秆纤维与稻杆纤维的组合，稻杆纤维、锯末与椰棕纤维的组合，或秸秆纤维、稻杆纤维、锯末与椰棕纤维的组合，优选为稻杆纤维。

21、优选地，步骤(1)所述造孔剂的长宽比为(50-300):1，例如可以是50:1、60:1、100:1、180:1或300:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为(60-180):1。

22、优选地，步骤(1)所述发泡剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、松香酸钠或松香酸钾中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括十二烷基硫酸钠与十二烷基苯磺酸钠的组合，十二烷基磺酸钠与十六烷基三甲基溴化铵的组合，或十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、松香酸钠与松香酸钾的组合，优选为十二烷基硫酸钠。

23、优选地，步骤(1)所述粘结剂包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、磷石膏、膨润土或明胶中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括甲基纤维素与膨润土的组合，羧甲基纤维素、磷石膏与明胶的组合，或甲基纤维素、羧甲基纤维素、磷石膏、膨润土与明胶的组合，优选为甲基纤维素与膨润土的组合。

24、优选地，所述甲基纤维素与膨润土的质量比为1:1。

25、优选地，步骤(1)所述助烧剂包括硼泥和/或废玻璃渣，优选为硼泥。

26、优选地，步骤(1)所述溶剂包括水。

27、优选地，步骤(1)所述混合的转速为300-400rpm，例如可以是300rpm、320rpm、350rpm、380rpm或400rpm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为350rpm。

28、优选地，步骤(1)所述混合的时间为6-120min，例如可以是6min、30min、60min、90min或120min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为30min。

29、优选地，步骤(2)所述干燥处理之前还包括将步骤(1)所得混合浆料注入模具的步骤。

30、优选地，所述模具为直径46mm、高度59mm的圆柱形硅胶模具。

31、优选地，步骤(2)所述干燥处理的温度为40-60℃，例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为50℃。

32、优选地，步骤(2)所述干燥处理的时间为1-3h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h或3h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为2h。

33、优选地，步骤(2)所述烧结处理的升温速率为3-5℃/min，例如可以是3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min或5℃/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为4℃/min。

34、优选地，步骤(2)所述烧结处理的升温终点为600-900℃，例如可以是600℃、700℃、800℃、850℃或900℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为800℃。

35、优选地，步骤(2)所述烧结处理的保温时间为2-4h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h或4h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为3h。

36、优选地，步骤(2)所述烧结处理之后自然冷却。

37、作为本发明所述的制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

38、(1)在转速300-400rpm下混合铁尾矿粉、造孔剂、发泡剂、粘结剂、助烧剂以及溶剂6-120min，得到混合浆料；

39、以质量百分含量计，所述铁尾矿粉包括sio2 40-75％，fe2o3 10-20％，mgo4-7％，cao 1-3％，al2o3 1-3％；以质量百分含量计，所述混合的固态原料中铁尾矿粉为70-90％，造孔剂为1-10％，发泡剂为0.01-1％，粘结剂为0.5-5％，助烧剂为1-10％；所述溶剂为30-100％；所述造孔剂的长宽比为(50-300):1；

40、(2)步骤(1)所得混合浆料经40-60℃干燥处理1-3h，得到生坯；对所得生坯以升温速率3-5℃/min升温至600-900℃，烧结处理2-4h，自然冷却得到所述铁尾矿基土壤改良材料。

41、第二方面，本发明提供了一种铁尾矿基土壤改良材料，所述铁尾矿基土壤改良材料通过第一方面所述的制备方法制备得到。

42、本发明提供的铁尾矿基土壤改良材料，具有高开孔率、宽孔径分布，开孔率可达74.72％，密度在0.56g/cm3，常压吸水率可达102.54％，在鼓风干燥箱40℃下完全失水时间长达5h，气体通量在2460m3/(m2·h)，因此具有吸水、保水以及透气的功能，能够满足作为土壤改良材料的高性能要求。

43、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

44、(1)本发明提供的铁尾矿基土壤改良材料的制备方法，采用添加造孔剂法和混合发泡法复合造孔工艺，结合限定的原料比例与制备工艺参数，制得的铁尾矿基土壤改良材料具有开孔率高、吸水性好、保水效果好和透气性佳的特点，开孔率可达74.72％，常压吸水率可达102.54％，与现有技术相比常压吸水率提高了30-50％；在鼓风干燥箱40℃下完全失水时间长达5h，气体通量在2460m3/(m2·h)，能够满足作为土壤改良材料的高性能要求，能够极大推动铁尾矿的规模处置，提高其综合利用率；

45、(2)本发明采用的铁尾矿粉体和造孔剂无需进一步破碎，可直接使用，节省了时间和能耗，且铁尾矿粉体的用量相比现有技术大幅提高；

46、(3)本发明采用的添加剂总量仅为所有原料总质量的8.5-10.5％，与现有技术相比减少了约50-60％，极大地降低了原料成本；

47、(4)本发明提供的制备方法所需时长约为7-9h，与现有技术相比减少约10-15h，节省了大量的时间成本，具有较高的生产效率。