权利要求
1.一种全
固废基电磁波吸收陶粒，其特征在于，按质量百分数计，所述陶粒的原料包括：城市污泥32-46%、
铜冶炼废渣12-32%、
镍冶炼废渣14-24%、炉渣12-28%。
2.如权利要求1所述的电磁波吸收陶粒，其特征在于，所述原料中，城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣及炉渣均为粉末，且其粒径范围为48-75 µm。
3.如权利要求1所述的电磁波吸收陶粒，其特征在于，所述陶粒为经过焙烧处理的多孔膨胀陶粒。
4.如权利要求1所述的电磁波吸收陶粒，其特征在于，所述陶粒呈球形或椭球形颗粒，其粒径为5-10mm。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述全固废基电磁波吸收陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣及炉渣分别进行干燥和粉磨，得到原料粉末;将所述原料粉末按比例混合，并与水混合后进行造球，得到生球;
S2、将步骤S1所得生球依次进行干燥、预热、焙烧和冷却。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述生球的粒径为5-10mm，含水率为28%-33%。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述干燥的条件为：温度105℃，时间6小时。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述预热的条件为：温度550-650℃，时间10-20分钟。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述焙烧具体包括：先以5-10℃/min的升温速率将经预热后的生球加热至1250-1350℃，并在此温度下保温10-60分钟。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述冷却为随炉冷却。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及复合功能环境材料技术领域，尤其涉及一种全固废基电磁波吸收陶粒及其制备方法。
背景技术
[0002]随着电子信息技术的普及，复杂电磁环境下的干扰与泄露问题日益突出，对建筑设施的电磁防护提出了更高要求。将具有电磁波吸收功能的材料与建筑材料复合是有效的解决方案。陶粒作为常用的轻质骨料，若自身具备吸波能力，则可直接用于制备功能型混凝土，应用价值显著。
[0003]然而，现有赋予陶粒吸波功能的技术路径存在明显局限。其一，普遍依赖添加昂贵的功能填料(如高纯纳米四氧化三铁)或化工粘结剂，这大幅增加了成本，且外加组分分散性难以保证。其二，尽管城市污泥、铜镍冶炼废渣等大宗固废富含可形成陶瓷基体和磁性相的组分，但现有技术缺乏能将这些成分、性质各异的固废进行有效协同配伍的方案，难以通过工艺设计使其在烧结中“原位生成”吸波相并形成理想结构。城市污泥作为大宗固废，虽富含硅
铝组分，但其有机物含量、水分及杂质波动大，直接用于烧结易导致产品性能不稳。更关键的是，其单独或与简单物料配伍时，在高温下难以协同形成理想的多孔-功能相复合结构。尽管各类冶炼废渣富含铁、镍等潜在磁性元素，炉渣具备助熔潜力，但现有技术缺乏对“城市污泥-铜镍渣-炉渣”这一特定体系协同作用机制的深刻理解。简单的物料复配无法使各组分功能在时空上精确协同，导致产物或结构疏松强度不足，或致密缺乏有效吸波相，性能远不及预期。
[0004]因此，开发一种能精准协同利用城市污泥、铜镍冶炼废渣及炉渣，不依赖任何外加功能组分，通过内在物化反应原位构筑吸波功能与多孔结构的新体系与新方法，成为突破当前技术瓶颈的关键。
发明内容
[0005]本发明的目的是于克服现有技术的不足，提供一种多元固废基电磁波屏蔽陶粒及其制备方法。该方法利用城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣和炉渣四种固废，通过协同配伍与优化烧结工艺，制备出性能优异的电磁波屏蔽陶粒，实现了固废的高值化利用。
[0006]本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种全固废基电磁波吸收陶粒，按质量百分数计，所述陶粒的原料包括：城市污泥32-46%、铜冶炼废渣12-32%、镍冶炼废渣14-24%、炉渣12-28%。
[0007]在以上技术方案的基础上，优选的，所述原料中，城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣及炉渣均为粉末，且其粒径范围为48-75 µm。
[0008]进一步优选的，所述城市污泥主要含有Al2O3、SiO2、Na2O、CaO等成分，在体系中主要提供硅铝骨架并引入碱金属及碱土金属氧化物;城市污泥所含有机物在预热及焙烧初期分解产生气体，是形成陶粒内部贯通多孔结构的关键造孔剂。该多孔结构是延长电磁波传播路径、实现多重反射与散射(介电损耗)的基础。
[0009]进一步优选的，所述铜冶炼废渣主要含有Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等，所述镍冶炼废渣主要含有CaO、Fe2O3、NiO等，二者共同构成了铁、镍等磁性金属元素的主要来源。所述炉渣主要含有Al2O3、SiO2、CaO，其与城市污泥中的Na2O、CaO等共同作为助熔剂，在炉渣和污泥中碱金属氧化物的助熔作用下，这些氧化物在高温还原性气氛中部分原位转化为具有强亚铁磁性的Fe3O4等物相，成为实现磁损耗的核心。此“原位生成”路径避免了物理掺杂导致的分散不均问题。所述炉渣在烧结关键阶段产生适量液相，该液相不仅包裹、固定原位生成的磁性颗粒，促进其均匀分布，还能有效粘结固体颗粒、强化孔壁，从而在获得丰富孔隙的同时，保障陶粒具有较高的筒压强度。此外，炉渣与污泥中的碱性成分共同作用，有助于固化污泥中的重金属杂质。
[0010]在高温焙烧阶段，原料中的Fe2O3在特定温度与气氛下发生部分还原反应，转化生成具有强亚铁磁性的四氧化三铁相。同时，镍、铜等元素亦可能固溶或形成其他复合铁氧体相。这些原位生成的磁性相均匀分散在由硅铝酸盐玻璃相构成的陶粒基体中。一方面，磁性相本身通过磁损耗机制衰减电磁波能量;另一方面，陶粒内部由造孔剂分解及助熔剂产生的气相所形成的多孔结构，可有效延长电磁波传播路径，增加多次反射与散射，协同增强介电损耗。最终，通过磁性损耗与介电损耗的协同作用，使所得陶粒表现出优异的电磁波吸收性能。
[0011]进一步优选的，所述陶粒为经过焙烧处理的多孔膨胀陶粒。
[0012]进一步优选的，所述陶粒呈球形或椭球形颗粒，其粒径为5-10mm。
[0013]第二方面，本发明提供了第一方面所述的全固废基电磁波吸收陶粒的制备方法，包括以下步骤：
S1、将城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣及炉渣分别进行干燥和粉磨，得到原料粉末;将所述原料粉末按比例混合，并与水混合后进行造球，得到生球;
S2、将步骤S1所得生球依次进行干燥、预热、焙烧和冷却。
[0014]在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S1中，所述生球的粒径为5-10mm，含水率为28%-33%。
[0015]进一步优选的，步骤S2中，所述干燥的条件为：温度105℃，时间6小时。
[0016]进一步优选的，步骤S2中，所述预热的条件为：温度550-650℃，时间10-20分钟。
[0017]进一步优选的，步骤S2中，所述焙烧具体包括：先以5-10℃/min的升温速率将经预热后的生球加热至1250-1350℃，并在此温度下保温10-60分钟。
[0018]更进一步优选的，步骤S2中，所述冷却为随炉冷却。
[0019]本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明首创了“城市污泥-铜冶炼废渣-镍冶炼废渣-炉渣”这一特定全固废协同体系。通过各组分功能的精准设计与匹配(污泥造孔、铜镍渣供磁、炉渣助熔稳构)，在完全不依赖任何外加化工试剂的条件下，实现了从废弃物到高性能吸波材料的一步转化，创新性地解决了城市污泥成分波动大、单独利用难的行业痛点。
[0020](2)本发明揭示了“原位生成磁性相”与“多孔结构”的协同构筑机理。在最优配比与工艺下，原料中的Fe2O3有效转化为Fe3O4，并均匀分散于由污泥造孔形成的多孔基体中。这种结构实现了磁损耗与介电损耗的完美协同，使得本发明陶粒在2~18GHz频段的反射损耗最低可达-44dB，显著优于依赖外加磁性填料的对比例(仅-15dB)。
[0021](3)本发明有效解决了城市污泥与工业废渣堆积带来的土地占用、环境污染等问题，避免了固废处置过程中可能产生的二次污染风险。同时省去了原料采购与固废处理的双重成本，制备工艺流程简单，无需复杂预处理，易于工业化大规模生产，具备显著的经济与社会效益。
[0022](4)本发明通过控制原料粒径为48-75 μm与多段式焙烧工艺，使陶粒形成均匀多孔结构，兼具良好的结构稳定性与功能性。焙烧过程中平稳升温(5-10℃/min)促使内部有机物充分分解产气，优化了孔隙形态，避免了现有技术中吸波组分填充不均、易流失的问题，在保证优异吸波性能的同时，延长了材料的使用寿命。
[0023](5)本发明的一种全固废基电磁波吸收陶粒材料工艺流程简洁、条件温和可控、易于规模化生产。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本发明的全固废基电磁波吸收陶粒材料的制备工艺流程图。
[0026]图2为本发明的全固废基电磁波吸收陶粒材料的原理示意图。
具体实施方式
[0027]下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0028]如图2所示：所述陶粒由氧化铁在高温下反应生成四氧化三铁与氧气，氧气膨胀形成均匀分布的气孔，孔内残留四氧化三铁;电磁波易于入射并在气孔内多次反射，被四氧化三铁吸收损耗，实现吸波性能。
[0029]本发明所用城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣、炉渣均为宁波大地化工环保有限公司提供;其余材料均为市场上购买所得，具体为：高铁赤泥购买自中铝中州铝业有限公司、赤铁精矿购买自宝武资源有限公司、净化
钴锰渣购买自汉中
锌业有限责任公司、碳酸锰购买自国药集团、氢氧化镍购买自国药集团、煤矸石粉末购买自上海建工建材科技集团股份有限公司、四氧化三铁购买自国药集团、石灰乳购买自上海虹翔混凝土有限公司、工业液体硅酸钠购买自嘉善县优瑞耐火材料有限公司。
[0030]实施例1：
S1、将城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣、炉渣分别投入球磨机粉磨，得到粒径范围为48-65 µm;将32g城市污泥粉末、32g铜冶炼废渣、24g镍冶炼废渣、12g炉渣到混料装置混合均匀，然后，使用陶粒造粒机将混合均匀的原料造粒，得到粒径为5-10 mm、含水率为28%的生料球;
S2、将生料球送入烘箱进行烘干，其中，烘干温度为105℃，烘干时间为6h，再送入马弗炉中焙烧，焙烧过程中为保证气体能够均匀释放，先进行预烧，待预烧结束后，再高温焙烧，其中，预烧温度为550℃，预烧时间为10min，预烧过程中升温速率保持5℃/min，焙烧温度为1250℃，焙烧时间为10min，其中，焙烧过程中升温速率保持10℃/min，待焙烧结束后，随炉冷却，制得全固废基电磁波吸收陶粒材料。
[0031]实施例2：
S1、将城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣、炉渣分别投入球磨机粉磨，得到粒径范围为52-75 µm;将46g城市污泥粉末、12g铜冶炼废渣、14g镍冶炼废渣、28g炉渣到混料装置混合均匀，然后，使用陶粒造粒机将混合均匀的原料造粒，得到粒径为5-10 mm、含水率为33%的生料球;
S2、将生料球送入烘箱进行烘干，其中，烘干温度为105℃，烘干时间为6h，再送入马弗炉中焙烧，焙烧过程中为保证气体能够均匀释放，先进行预烧，待预烧结束后，再高温焙烧，其中，预烧温度为650℃，预烧时间为20min，预烧过程中升温速率保持5℃/min，焙烧温度为1350℃，焙烧时间为60min，其中，焙烧过程中升温速率保持10℃/min，待焙烧结束后，随炉冷却，制得全固废基电磁波吸收陶粒材料。
[0032]实施例3：
S1、将城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣、炉渣分别投入球磨机粉磨，得到粒径范围为48-70 µm;将39g城市污泥粉末、16g铜冶炼废渣、20g镍冶炼废渣、25g炉渣到混料装置混合均匀，然后，使用陶粒造粒机将混合均匀的原料造粒，得到粒径为5-10 mm、含水率为31%的生料球;
S2、将生料球送入烘箱进行烘干，其中，烘干温度为105℃，烘干时间为6h，再送入马弗炉中焙烧，焙烧过程中为保证气体能够均匀释放，先进行预烧，待预烧结束后，再高温焙烧，其中，预烧温度为600℃，预烧时间为20min，预烧过程中升温速率保持5℃/min，焙烧温度为1350℃，焙烧时间为20min，其中，焙烧过程中升温速率保持10℃/min，待焙烧结束后，随炉冷却，制得全固废基电磁波吸收陶粒材料。
[0033]实施例4：
S1、将城市污泥、铜冶炼废渣、镍冶炼废渣、炉渣分别投入球磨机粉磨，得到粒径范围为52-75 µm;将34g城市污泥粉末、27g铜冶炼废渣、21g镍冶炼废渣、18g炉渣到混料装置混合均匀，然后，使用陶粒造粒机将混合均匀的原料造粒，得到粒径为5-10 mm、含水率为29%的生料球;
S2、将生料球送入烘箱进行烘干，其中，烘干温度为105℃，烘干时间为6h，再送入马弗炉中焙烧，焙烧过程中为保证气体能够均匀释放，先进行预烧，待预烧结束后，再高温焙烧，其中，预烧温度为620℃，预烧时间为15min，预烧过程中升温速率保持5℃/min，焙烧温度为1300℃，焙烧时间为40min，其中，焙烧过程中升温速率保持10℃/min，待焙烧结束后，随炉冷却，制得全固废基电磁波吸收陶粒材料。
[0034]对比例5：
将本对比例中原料替换为高铁赤泥、赤铁精矿、净化钴锰渣、碳酸锰和氢氧化镍原料。
[0035]S1、将高铁赤泥、赤铁精矿、净化钴锰渣、碳酸锰和氢氧化镍分别粉磨，得到粒径范围为48-70 µm;将39g的高铁赤泥(TFe 30%、TiO2含量7.5%、Na2O含量6.9%)、16g的赤铁精矿(含Fe 67%)、20g的净化钴锰渣(钴、锰、锌三种元素的质量含量为92%，且钴和锰两种元素的质量含量为89%)、25g的碳酸锰和氢氧化镍到混料装置混合均匀，然后，使用陶粒造粒机将混合均匀的原料造粒，得到粒径为5-10 mm、含水率为31%的生料球;
步骤S2同实施例3，这里不再赘述。
[0036]对比例6：
将本对比例中原料替换为煤矸石粉末、四氧化三铁、石灰乳、工业液体硅酸钠。
[0037]S1、将煤矸石投入球磨机粉磨，得到粒径范围为48-70 µm;将39g的煤矸石粉末(含SiO255%、Al2O320%、CaO 5%、Fe2O315%)、16g的四氧化三铁粉末(粒径≤30 nm、纯度不低于99.99%)、20g的石灰乳(pH≥12、含CaO 30%)、25g的工业液体硅酸钠(模数2.30-2.40、Na2O含量12%、SiO2含量29%)加入到混料装置混合均匀，然后，使用陶粒造粒机将混合均匀的原料造粒，得到粒径为5-10 mm、含水率为31%的生料球;
步骤S2同实施例3，这里不再赘述。
[0038]对比例7：
与实施例3不同的是，只采用39g城市污泥粉末、16g铜冶炼废渣;其余步骤与实施例3相同，这里不再赘述。
[0039]对比例8：
与实施例3不同的是，只采用20g镍冶炼废渣、25g炉渣;其余步骤与实施例3相同，这里不再赘述。
[0040]对比例9：
与实施例3不同的是，采用50g城市污泥粉末、8g铜冶炼废渣、10g镍冶炼废渣、32g炉渣;其余步骤与实施例3相同，这里不再赘述。
[0041]对比例10：
与实施例3不同的是，采用30g城市污泥粉末、35g铜冶炼废渣、30g镍冶炼废渣、5g炉渣;其余步骤与实施例3相同，这里不再赘述。
[0042]对比例11：
与实施例3不同的是，不采用城市污泥粉末，其余步骤与实施例3相同，这里不再赘述。
[0043]由于缺少城市污泥，体系同时丧失了关键的造孔剂和重要的硅铝基体来源。导致两种结果：一是烧结体因无法形成多孔结构而变得致密、密度偏高，电磁波吸收性能恶化;二是在炉渣等助熔成分相对过量的情况下，体系共熔点过低，在高温下产生过量液相，导致生球软化、变形甚至熔融塌陷，无法形成具有规则形貌和结构完整性的陶粒。
[0044]表1：实施例与对比例电磁波吸收陶粒材料的吸波与物理性能测试数据
[0045]由表1可知本发明最优实施例制备得到的全固废基电磁波吸收陶粒在2~18GHz内最大反射损耗可达-44dB，吸波性能优异，且在吸波性能最优的情况下，陶粒强度可达6.83MPa、密度为723.4kg/m3，说明本发明制备的电磁波吸收陶粒能够有效兼顾优异的吸波性能与良好的结构力学性能，解决了现有吸波材料在吸波效能与结构稳定性难以协同的技术问题。
[0046]由对比例7-8可知: 陶粒中Al2O3-SiO2-助熔剂体系若偏离膨胀陶粒区间，吸波与力学性能显著下降，制品易出现过熔或不膨胀。
[0047]由对比例9-10可知：陶粒中Al2O3、SiO2与助熔剂充足而Fe2O3不足时，力学性能优良但吸波性能弱;Fe2O3过量则力学性能显著下降。
[0048]以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(2)
声明：
“全固废基电磁波吸收陶粒及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：武汉理工大学
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2026年08月06日 ~ 08日 
