【正文】 對(duì)輕質(zhì)礦物多孔 材料性能的影響 .................................................. 30 4 輕質(zhì)礦物多孔材料的水處理性能研究 .......................................................................... 32 多孔材料水處理效果評(píng)價(jià) .................................................................................... 32 適于水處理的多孔材料特征 ................................................................................ 33 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 5 多孔材料水處理作用機(jī)制分析 ............................................................................ 33 結(jié) 論 .................................................................................................................................. 35 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................................................................................ 36 致 謝 .................................................................................................................................. 38 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 6 1 緒論 引言 輕質(zhì)礦物多孔材料因其特殊的孔道結(jié)構(gòu)和形態(tài)而具有孔道效應(yīng)和表面荷電效應(yīng)，因此它的過濾、吸附、離子交換、功能載體等物理化學(xué)性能可廣泛應(yīng)用于工業(yè)水處理、空氣凈化、抗菌除菌、建筑節(jié)能材料等諸多領(lǐng)域。而 BAF中至關(guān)重要的是可使水中有機(jī)物棲息的生物濾料，因?yàn)闉V料決定生存的微生物種類、數(shù)量和活性 [3~4]。其中鐵尾礦數(shù)量最多，占全部尾礦堆存總量的 1/3 左右 [6~7]。因此國內(nèi)外對(duì)尾礦資源的回收再利用主要集中在以下幾方面： 生產(chǎn)建筑材料 . Das[8]等將鐵尾礦經(jīng)濕磨、過篩、干燥、成型后在 1060– 1200176。C 到 1000176。最終在焙燒溫度為 750176。 王德民 ,宋均平 [12]等以低硅鐵尾礦為主要原料，按照鐵尾礦 77%、黏土 5%、煤粉 3%、石灰石粉 6%、 KD（ SiO2補(bǔ)充劑） 9%，用水 量為原料總量的 20%的原料配比，經(jīng)造粒、干燥、焙燒后制得輕質(zhì)礦物多孔材料，孔徑范圍從幾微米到幾百微米，平均孔徑為 19. 80 μ m。通常可利用天 然礦物的結(jié)構(gòu)特征或成分特點(diǎn)選取不同礦物作為多孔材料的原料，采用適當(dāng)工藝即可制得高孔隙率和大比表面積的礦物多孔材料 [14]。該工藝通過調(diào)節(jié)造孔劑種類和粒徑可以控制多孔材料的孔隙率和孔徑，一般孔隙率低于 50%，且孔的分布均勻性差。所得制品氣孔率高，相互貫通且強(qiáng)度較高，不過所得制品孔徑較大且密度不易控制。得到的材料強(qiáng)度較高，氣孔率高且封閉氣孔比例較大，但是對(duì)原料要求較為嚴(yán)苛，工藝較難達(dá)到。C ，保溫時(shí)間 80min，升溫速率是 176。 汪順才、袁榮灼 [19]等以鉛鋅礦浮選尾礦為原料，水玻璃和木質(zhì)素作為添加劑，經(jīng)造粒、干燥、焙燒、冷卻制備出用于污水處理的輕質(zhì)礦物多孔材 料，并用其對(duì)選礦廢水進(jìn)行了吸附處理實(shí)驗(yàn)研究。 研究內(nèi)容及意義 目前利用高硅鐵尾礦制備輕質(zhì)礦物多孔材料存在的問題是尾礦加入量低，以及增加強(qiáng)度也會(huì)伴隨著密度的增加，影響其使用壽命。本論文的主要研究內(nèi)容是： （ 1）最佳制備工藝的確定 通過優(yōu)選原料、合理配比、改善性能，確定輕質(zhì)礦物多孔材料的最佳原料配比，通過分析粘結(jié)劑及造孔劑含量、焙燒溫度及保溫時(shí)間等因素對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料表觀密度、壓碎力、吸水率及鹽酸溶解率等性能的影響，探尋輕質(zhì)礦物多孔材料的最佳制備工藝。實(shí)驗(yàn)條件為 Cu 靶，電壓 40kV，電流 100mA，掃描速度為 4176。 （ 3）熱重 差熱分析 采用美國 PerkinElmer 公司生產(chǎn)的 DIAMOD 熱重 差熱聯(lián)用儀對(duì) 碳粉進(jìn)行熱重 差熱分析，用以確定造孔劑分解溫度。C 下 干燥至 恒重，其質(zhì)量為 m（單位： g）。 ⑤ 結(jié)果計(jì)算：表觀密度按下試計(jì)算： Vmρ? （ ） （ 5）吸水率 吸水率是表示物體在正常大氣壓下吸收水分程度的物理量，用百分率來表示，是河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 13 衡量水處理用陶粒性能的 重要指標(biāo)。 ③ 取出浸泡后的輕質(zhì)礦物多孔材料，用毛巾擦拭其表面的水分，立刻稱重，濕質(zhì)量為 m2（單位： g）。 ② 用 1+1 鹽酸（ 1 體積分析純鹽酸和 1 體積水混合）將樣品浸漬。C 下 干燥至恒重，其質(zhì)量為 m2（單位： g）。 實(shí)驗(yàn)裝置由反應(yīng)池、填料、曝氣盤和氣泵組成。 （ 2）將輕質(zhì)礦物多孔材料置于 105℃ 恒溫干燥箱中干燥至恒重，稱取 100g 加入到模擬曝氣反應(yīng)器中，同時(shí)加入 20g 活性污泥和 500ml 稀釋 6 倍的實(shí)驗(yàn)污水，在不曝氣的條件下悶曝 3 天； （ 3） 3 天后將反應(yīng)器中的污水與污泥倒掉，向反應(yīng)池中加入新的稀釋 6 倍的污水； （ 4）打開氣泵，調(diào)節(jié)氣泵氣閥，使水中的溶氧量維持在 8mg/L 左右，水中溶氧量采用溶氧測試儀測試； （ 5）將實(shí)驗(yàn)裝置在 1625℃ 的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，每 隔 12h 更換一次污水， 24h 后采用 COD 測試裝置測試反應(yīng)池中 COD 數(shù)值并計(jì)算 COD 去除率。而決定材料膨脹性的主要因素是原料的種類和用量，這對(duì)制備的輕質(zhì)礦物多孔材料的性能有著至關(guān)重要的影響。 實(shí)驗(yàn)所選用 的凹土中含有 % SiO2和 % Al2O3， 也 是提高材料 強(qiáng)度的重要組成成分之一。 水玻璃即硅酸鈉，又稱泡花堿，在輕質(zhì)礦物多孔材料中起粘結(jié)劑作用。所以碳粉在原料中起到了造孔劑和燃料的作用。 樣品配方及編號(hào) Riley 提出，當(dāng)陶粒原料的成分處于特定范圍內(nèi)時(shí)，在合適的溫度下，陶粒會(huì)具有良好的燒脹性，能形成孔隙率較高，質(zhì)量較輕的材料。由此可以制得高溫下具有良好膨脹性的材料。陶粒外觀大部分為圓形或橢圓形球體，其表面是一層陶質(zhì)或釉質(zhì)的較為堅(jiān)硬的外殼，起到隔水保氣作用，并使陶粒具有較高的強(qiáng)度。球磨時(shí)間為 ，轉(zhuǎn)速為 1200r/min。 （ 4）將具有粘結(jié)性與可塑性的泥料制成粒徑為 5~8mm 的小球。由圖可知，碳粉在 400176。預(yù)燒后高溫焙燒，之后隨爐冷卻。焙燒后生成的新物相斜方錳石和輝石使輕質(zhì)礦物多孔材料具有一定的強(qiáng)度。因此，輕質(zhì)礦物多孔材料中孔類型多樣，包括開孔、閉孔和通孔，且開孔與 通孔所占比例大于 50%。由圖 5（ d）可知，輕質(zhì)礦物多孔材料的孔壁很粗糙，有大面積的結(jié)晶凸起，且孔內(nèi)填充大量細(xì)小顆粒。輕質(zhì)礦物多孔材料具有~ 的壓碎力，可以保證在曝氣池內(nèi)彼此碰撞和摩擦過程中具有一定強(qiáng)度，減少磨損和破損，提高使用壽命。所以以凹土為粘結(jié)劑可制得質(zhì)量更輕的多孔礦物材料。 由圖 中的鹽酸可溶率曲線可以看出， 在不同溫度下焙燒時(shí)， 1 號(hào)樣品鹽酸可溶率勻小于 %。 由以上分析可知， 2 號(hào)樣品比 1 號(hào)樣品具有更低的表觀密度，而壓碎力、吸水率和鹽酸可溶率均可通過調(diào)節(jié)焙燒溫度得到調(diào)整，因此，表觀密度較低的 2 號(hào)樣品性能較優(yōu)，所以選擇凹土為最佳粘結(jié)劑。在圖 中，當(dāng)凹土含量 由 5%增加到 15%時(shí)，壓碎力數(shù)值變化較小，緩慢增加，當(dāng)凹土含量增加至 20%時(shí)，壓碎力增長較快，達(dá)到 ，說明此時(shí)燒結(jié)完全。 圖 不同 焙燒溫度 材料的表觀密度曲線 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 27 圖 不同 焙燒 溫度 材料的壓碎力曲線 圖 不同 焙燒溫度 材料的吸水率、鹽酸可溶率曲線 圖 表明， 溫度由 1100℃升高至 1115℃時(shí)，樣品的表觀密度由 下降至 ，在溫度由 1115℃升高至 1130℃過程中，樣品表觀密度基本不變。但當(dāng)溫度繼續(xù)升高后，液相含量增加較快，粘度下降，使部分氣體逸出，難以再在材料內(nèi)部形成氣孔，且在低溫階段河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 28 由造孔劑產(chǎn)生的氣孔會(huì)隨著焙燒溫度的升高而閉合，因此樣品的表觀密度又再次上升。 保溫時(shí)間對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 3 號(hào)樣品在 1130℃ 焙燒，分別保溫 1 4 60min 后得到輕質(zhì)礦物多孔材料，對(duì)其性能測試結(jié)果如圖 ~ 所示。 壓碎力的變化趨勢如圖 所示，與表觀密度變化趨勢基本一致。 由以上分析可知，不同保溫時(shí)間的樣品吸水率和鹽酸可溶率相差不大，而保溫30min 的樣品具有較低的表觀密度和較高的壓碎力，選擇 30min 為最佳保溫時(shí)間。材料內(nèi)部空隙的增多會(huì)伴隨強(qiáng)度的下降，因此壓碎力由 下降至 。所得輕質(zhì)礦物多孔材料孔隙 率較高，孔徑分布廣，孔壁粗糙。 圖 不同天數(shù) COD 去除率曲線 由圖 可以看出， 加入實(shí)驗(yàn)制備輕質(zhì)礦物多孔材料的反應(yīng)池 COD 去除率隨時(shí)間的延長成上升趨勢。 加入市售水處理用多孔材料的 反應(yīng)池 中， COD 去除率與 加入實(shí)驗(yàn)制備輕質(zhì)礦物多孔材料的反應(yīng)池 COD 去除率 的變 化趨勢一致，均經(jīng)歷了緩慢增長 快速增長 平穩(wěn)河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 33 的變化過程。 適于水處 理的多孔材料特征 由于占地小效率高等優(yōu)點(diǎn)，曝氣生物濾池被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)水處理領(lǐng)域中。其次在該材料中，開孔和通孔占有較大比例，使材料內(nèi)部形成相互聯(lián)通的孔道，有利于水分進(jìn)入，并且使水分在材料中有較長的停留時(shí)間，既有利于微生物掛膜又利于水處理。 多孔材料水處理作用機(jī)制分析 分析上述 COD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化的原因： 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的初期 COD 去除率較低，且增長緩慢是因?yàn)槲⑸锷性诃h(huán)境適應(yīng)期，掛膜數(shù)量較少，此時(shí)水處理的主導(dǎo)作用是輕質(zhì)礦物多孔材料的吸附作用以及內(nèi)部孔道河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 34 對(duì)污染物的攔截作用。此時(shí)，微生物對(duì)污染物的分解和絮凝占主導(dǎo)作用。通過粘結(jié)劑及造孔劑含量、焙燒溫度和保溫時(shí)間對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料表觀密度、壓碎力、吸水率及鹽酸溶解率等性能的影響，探討最佳原料配比和生產(chǎn)工藝，將輕質(zhì)礦物多孔材料作為曝氣池濾料，評(píng)價(jià)其水處理效果，得到以下結(jié)論： （ 1）輕質(zhì)礦物多孔材料的最佳原料配比與為：鐵尾礦：凹土：碳粉：碳酸鈣=5:::04，最佳制備工藝為在 550176。其內(nèi)部孔隙豐富，孔徑分布廣，孔壁粗糙。金屬尾礦制備生物陶粒的研究 [J].中國資源綜合利用 .2020,26(2):911. [18] Liu Yangsheng， Du Fang， Yuan Li， et al． Production of lightweight ceramisite from iron ore tailings and its performance investigation in a biological aerated filter ( BAF) reactor [J] .Hazardous Materials， 2020， 178: 9991006 [19] 汪順才 ,袁榮灼等 .鉛鋅礦尾礦制備陶粒處理選礦廢水 [J].環(huán)境工程學(xué)報(bào) ,2020 (5) : 17791784. [20]黃金屏 . CJ／ T2292020 水處理用人工陶粒濾料 [J]. 水務(wù)世界 , 2020, (2):55. [21] Mehmet Gesoglu, Turan 214。在此，向丁老師表達(dá)最誠摯的感謝和由衷的敬意。梁老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和豐富的知識(shí)給了我很大的啟發(fā)。 感謝材料學(xué)院檢測中心的各位老師在 掃描電鏡，物相檢測等方面提供的大力