【正文】 多孔金屬材料和泡沫塑料等 [13]。 礦物多孔材料的制備方法 目前礦物多孔材料的制備主要采用如下方法 [2,14,16]： （ 1）添加造孔劑法 該工藝是在配料中加入造孔劑后占據(jù)坯體空間，高溫下通過揮發(fā)、燃盡或分解作用而在原位處留下孔隙。 （ 3）有機泡沫浸漬法 該工藝是用有機泡沫浸漬漿料，利用有機泡沫體的開孔三維網(wǎng)狀的特殊結(jié)構(gòu)，將料漿均勻地涂覆在有機泡沫網(wǎng)狀體上 , 干燥后燒掉有機泡沫體從而獲得多孔材料。 （ 5）發(fā)泡法 該工藝是向原料中添加有機或無機發(fā)泡劑，在加熱過程中產(chǎn)生可揮發(fā)的氣體，從而制備泡沫材料。 Liu Yangsheng[18]等采用添加造孔劑法制備了輕質(zhì)礦物多孔材料，其制備工藝是：以高硅鐵尾礦為主要原料，市政污水污泥和粉煤灰作為添加劑，鐵尾礦與粉煤灰比例為 45:55，焙燒溫度為 1150176。將制備的材料用于曝氣實驗，污水中CODCr 、 NH4+N、 TP 去除率分別為 92%、 62%、 63%，具有優(yōu)良的凈水作用。 當(dāng)木質(zhì)素和水玻璃作為粘結(jié)劑燒制陶粒時，不僅陶粒散落減少， COD 的去除率和吸附容量都有所增加， COD 去除率達到了 %，從而達到了“以廢治廢”的目的。本研究目的在于提高高硅鐵尾礦的加入量，并且使輕質(zhì)礦物多孔材料同時具有較輕的質(zhì)量以及較高的強度，使該材料具有良好的綜合性能，為其在工業(yè)有機廢水處理的廣泛應(yīng)用提供理論和實驗依據(jù)，在資源再利用、修復(fù)環(huán)境、工 業(yè)廢水處理等領(lǐng)域中具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 11 2 實驗 實驗原料 本實驗所用原料見下表 ： 表 實驗用原料 名稱 規(guī)格 來源 鐵尾礦 100 目 河北承德 凹土 100 目 江蘇 碳酸鈣 工業(yè)級 天津大學(xué)科威公司 水玻璃 工業(yè)級 天津大學(xué)科威公司 碳粉 工業(yè)級 天津大學(xué)科威公司 鹽酸 分析純 天津大學(xué)科威公司 活性污泥 工業(yè)級 天津市某污水處理 廠 水處理多孔材料 工業(yè)級 金峰凈水 實驗儀器 本實驗所需的主要 儀器及 設(shè)備 見下表： 表 實驗用主要儀器設(shè)備 儀器名稱 型號 生產(chǎn)廠家 微粒球磨機 WLIA 天津軍晟電器設(shè)備有限公司 標(biāo)準(zhǔn)篩 100 目 浙江省上虞市沙篩廠 電子天平 BS224S 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司 電熱恒溫干燥箱 DL201BS 天津市中環(huán)試驗電爐有限公司 馬弗爐 SXG12163 天津市中環(huán)試驗電爐有限公司 李氏比重瓶 250ml 天津大學(xué)科威公司 微機控制電子萬能拉力實驗機 CMT610 深圳市新三思計量技術(shù)有限公司 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 12 X 射線衍射儀 Rigaku Dmax2500Pc 日本理學(xué) Rigaku 掃描電子顯微鏡 Hitachi S4800 日本日立公司 熱重 差熱聯(lián)用儀 DIAMOD TG/DTA 美國 PerkinElmer 公司 溶氧量測試儀 AZ8403 臺灣衡欣儀器廠 實驗方法 （ 1） XRD 分析 采 用 日本理學(xué) Rigaku 公司生產(chǎn)的 Rigaku Dmax2500Pc 型 X 射線衍射儀測試樣品的晶體結(jié)構(gòu)， 分析其物相組成。 （ 2） SEM 分析 采 用日本 Hitachi（日立）公司生產(chǎn)的 HitachS4800 型掃描電鏡 觀察多孔材料 的 微觀 相貌。其測試步驟如下： ① 將 輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 燥箱中 100176。 ④ 將試樣倒入李氏比重瓶中，讀出水面刻度 V（單位： cm3）。 ② 將烘干后的輕質(zhì)礦物多孔材料浸沒入水中，浸泡 1h。C 下 干燥至恒重，其質(zhì)量為 m1（單位： g）。 ④ 將洗凈的樣品在 干燥箱 100176。 輕質(zhì)礦物多孔材料水處理實驗 實驗裝置 本實驗 采用 的 模擬 曝氣反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖見圖 。 圖 模擬 生物曝氣 反應(yīng)器結(jié)構(gòu) 示意圖 水處理實驗 （ 1）本實驗所用污水配方如表 所示，將各種藥品準(zhǔn)確稱量后與 5L 自來水混合均勻，調(diào)節(jié)其 pH 在 。 表 鐵尾礦及凹土化學(xué)成分（ %） 原料 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O 鐵尾礦 凹土 原料組分及作用 材料在制備過程中若要達到較好的膨化效果，形成輕質(zhì)多孔材料，除了加入適當(dāng)?shù)脑炜讋┩?，還應(yīng)滿足以下兩個條件 [21]：一是在膨脹溫度下能產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼扯群捅砻鎻埩?；二是與此同時產(chǎn)生足夠的氣體。 （ 2） 凹土。 組分名稱 淀粉 葡萄糖 (NH4)2CO3 K2HPO4 自來水 質(zhì)量（ g） 36 22 5 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 16 （ 3） 水玻璃。另一方面，碳粉在燃燒過程中還能提供熱能，使其他原料在燃燒過程中變成溶質(zhì)。生成 CaO 是熔劑組分，可以降低原料的熔點，起到 助熔的作用。 圖 Riley 相圖中 具有良好燒脹性能 的原料化學(xué)成分范 圍 如圖可知，具有良好燒脹性能的原料化學(xué)范圍是： SiO2和 Al2O3的總和，及硅鋁組分含量應(yīng)處于 60%~87%范圍內(nèi)。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 17 表 各組配方編號及原料成分質(zhì)量（ g） 輕質(zhì)礦物多孔材料的制備工藝 輕質(zhì)礦物多孔材料多為陶粒。 圖 輕質(zhì)礦物多孔材料制備工藝流程圖 上圖的制備的工藝流程是： 樣品編號 鐵尾礦 碳酸鈣 碳粉 凹土 水玻璃 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 18 （ 1）用電子天平稱取高硅鐵尾礦若干，放入球磨機內(nèi)的磨罐中，磨球材質(zhì)為剛玉，球與料質(zhì)量比為 2:1，大球與小球質(zhì)量比為 1:2，放入磨球 400g、鐵尾礦 200g。 （ 3）向混合均勻的粉料中加入適量水（約占粉料總質(zhì)量的 20%~30%），用玻璃棒攪拌使物料與水分混合均勻。 （ 6）碳粉的同步熱分析結(jié)果如圖 所示。因此，本實驗的工藝制度為用馬 弗爐在 550℃ 預(yù)燒15min，使碳粉充分燃燒，盡可能完全轉(zhuǎn)化為二氧化碳氣體，充分造孔。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 20 圖 輕質(zhì)礦物多孔材料 XRD 圖譜 由圖 可知，輕質(zhì)礦物多孔材料的主要礦物組成是石英、斜方錳石和輝石。由圖 （ a）可見，輕質(zhì)礦物多孔材料的部分孔延伸至表面，與外界相通，由圖 （ a）、（ b）可知，材料內(nèi)部部分孔呈封閉的橢圓形，部分孔相互連通形成孔道。由圖 5（ a） ~（ c）可知，輕質(zhì)礦物多孔材料的空洞在材料內(nèi)部分布比較均勻，孔徑分布較廣，以介孔和大孔為主。其表觀密度與水的密度接近并且略重與水，粒徑大小適中，在曝氣過程中可在氣體沖擊作用下在水中運動，與水均勻充分接觸，吸水率適中，水分可進入材料內(nèi)部，增大與材料的接觸面積，利于提高水處理效果。 圖 不同粘結(jié)劑材料的表觀密度關(guān)系曲線 圖 不同粘結(jié)劑材料的壓碎力關(guān)系曲線 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 24 圖 不同粘結(jié)劑材料的吸水率和鹽酸可溶率關(guān)系關(guān)系曲線 由圖 可知， 在 不 同 溫 度 下 焙 燒 時 ， 1 號 樣 品 的 表 觀 密 度 為~， 2 號樣品的表觀密度為 ~，即隨著焙燒溫度的增加其二樣品的表觀密度都呈上升趨勢，且 1 號樣品的表觀密度高于 2 號樣品，相同焙燒溫度下差值約為 ，兩樣品表觀密度的差異是由于粘結(jié)劑種類的不同造成的，凹土相對于水玻璃來說，本身密度更小、質(zhì)量輕且有較大的比表面積，制得的輕質(zhì)礦物多孔材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，孔洞較為發(fā)達，因此 表觀密度較低。在相同被燒溫度下 2 號樣品比 1 號樣品吸水率高的原因是由于 2 號樣品內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)發(fā)達，易于水分進入導(dǎo)致的 。由此可知，以兩種粘結(jié)劑均可制得鹽酸可溶率符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的輕質(zhì)礦物多孔材料。 輕質(zhì)礦物多孔材料的表觀密度越小，說明結(jié)構(gòu)越疏松，內(nèi)部孔道越發(fā)達，實體部分，即孔壁所占體積比例就越小，因此載荷承載能力就越低，強度就越低，相應(yīng)的壓碎力數(shù)值就會越小。 焙燒溫度對輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 將 3 號樣品在 1100℃ 、 1115℃ 、 1130℃ 、 1145℃ 焙燒 30min，制得的輕質(zhì)礦物多孔材料的性能測試結(jié)果如圖 ~ 所示。分析其變化原是因為當(dāng)溫度高于 1100℃時樣品開始出現(xiàn)液相，并且液相量逐漸增加，表面粘度逐漸減小，因此有更多的氣體可以在材料內(nèi)部形成氣孔，材料氣孔率增加，表觀密度下降，強度也隨之下降。 由以上分析可知，在 111℃和 1130℃焙燒的樣品表觀密度較低，吸水率和鹽酸可溶率均達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是 1130℃焙燒的樣品壓碎力數(shù)值大于 1115℃焙燒的樣品，因此選擇 1130℃為最佳焙燒溫度。保溫時間繼續(xù)延長，液相含量繼續(xù)增加，材料內(nèi)部產(chǎn)生更多氣孔，此時一些小氣孔會合并成大氣孔，使材料體積進一步膨脹，引起表觀密度的繼續(xù)下降。保溫時間由 15min 延長至 60min 過程中，樣品的吸水率由 %~%河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 30 范圍內(nèi)變化，鹽酸可溶率在 %~%范圍內(nèi)變化，數(shù)值較小，說明材料在不同保溫時間均具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。表觀密度變化趨勢如圖 ~ 所示，在造孔劑由 10%增加至 40%過程中，表觀密度由。 綜上所述，輕質(zhì)礦物多孔材料的最佳制備工藝為：各原料按鐵尾礦：凹土：碳粉：碳酸鈣 =5::: 的比例混合，成型干燥后，經(jīng)預(yù)熱，然后在 1130℃焙燒 30min，可制得表觀密度為 、壓碎力 、吸水率為 %、鹽酸溶解率為%的輕質(zhì)礦物多孔材料。 將制備的輕質(zhì)礦物多孔材料 和市售水處理用多孔材料 放入 相同的 裝有配制污水的 模擬曝氣反應(yīng)器 中 20 天，其材料與水作用不同天數(shù) COD 去除率如圖 所 示。 10 天之后 COD 去除率增長逐漸緩和，到 18 天時，COD 去除率達到 87%，之后維持穩(wěn)定，說明掛膜完成。由此可見，所制輕質(zhì)礦物多孔材料的結(jié)構(gòu)適宜生物掛膜，并且具有良好的水處理效果。 （ 2） 根據(jù)圖 （ a） ~（ c）的 SEM 形貌圖分析可知，首先該礦物 多孔材料內(nèi)部孔隙分布均勻，孔徑分布較廣，有利于多種微生物掛膜。 （ 4） 輕質(zhì)礦物多孔材料的壓碎力為 ，可經(jīng)受較長時間的摩擦與碰撞仍保 持結(jié)構(gòu)的完整，可保證水處理效果的持續(xù)性與穩(wěn)定性。因此，實驗中期 COD 去除率快速增長。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 35 結(jié) 論 本論文以高硅鐵尾礦為主要原料，凹凸棒土為粘結(jié)劑，碳粉為造孔劑，碳酸鈣為助熔劑，制備輕質(zhì)礦物多孔材料。 （ 2）所得輕質(zhì)礦 物多孔材料表觀密度為 ，壓碎力 ，吸水率為 %，鹽酸溶解率為 %。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 36 參 考 文 獻 [1] 胡濤，朱斌 . 曝氣生物濾池中濾料的應(yīng)用研究 [J]. 化 工環(huán)保， 2020，28(6):509513. 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