【正文】 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支持。在此，向丁老師表達(dá)最誠摯的感謝和由衷的敬意。其內(nèi)部孔隙豐富，孔徑分布廣，孔壁粗糙。此時(shí)，微生物對污染物的分解和絮凝占主導(dǎo)作用。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。 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。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。 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。 保溫時(shí)間對輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 3 號樣品在 1130℃ 焙燒，分別保溫 1 4 60min 后得到輕質(zhì)礦物多孔材料，對其性能測試結(jié)果如圖 ~ 所示。 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。 由以上分析可知， 2 號樣品比 1 號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 號樣品性能較優(yōu)，所以選擇凹土為最佳粘結(jié)劑。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 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。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。由圖可知，碳粉在 400176。球磨時(shí)間為 ，轉(zhuǎn)速為 1200r/min。由此可以制得高溫下具有良好膨脹性的材料。所以碳粉在原料中起到了造孔劑和燃料的作用。 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。 （ 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。C 下 干燥至恒重，其質(zhì)量為 m2（單位： g）。 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）。C 下 干燥至 恒重，其質(zhì)量為 m（單位： g）。實(shí)驗(yàn)條件為 Cu 靶，電壓 40kV，電流 100mA，掃描速度為 4176。 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。C ，保溫時(shí)間 80min，升溫速率是 176。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。通?？衫锰?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]。最終在焙燒溫度為 750176。因此國內(nèi)外對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。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]。河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 1 河 北 工 業(yè) 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 作 者： 劉晨 學(xué) 號： 111962 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 系 (專業(yè) )： 功能材料 題 目： 輕質(zhì)礦物多孔材料的制備及性能研究 指導(dǎo)者： 丁燕 教授 (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 評閱者： (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 2020 年 6 月 12 日 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要 輕質(zhì)礦物多孔材料的制備及性能研究 摘要： 根據(jù)我國鐵尾礦資源的性質(zhì)和特點(diǎn)，本論文提出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。 鐵尾礦即將原鐵礦石破碎、篩分、研磨、分級、再經(jīng)重選、浮選或氰化等工藝流程，選出鐵等有用金屬后的剩余部分 [5]。C 下燒結(jié)而得到地板用瓷磚和墻面磚。C 、保溫時(shí)間、還原劑添加量為 6%的條件下，使金的回收率達(dá)到了 %。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 8 礦物多孔材料由于其內(nèi)部存在均勻分布并且相互貫通的微孔或孔洞 , 因此具有高孔隙率、低體積密度、較大比表面積以及十分獨(dú)特的物理表面特性 , 此外礦物材料還具有耐高溫、抗腐蝕、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使得礦物多孔材料被廣泛應(yīng)用于流體過濾、分離、化工催化載體、吸聲減震、高級保溫材料、生物濾料等諸多領(lǐng)域 [3]。 （ 4）溶膠凝膠法 該工藝是利用凝膠化過程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理過程中留下小氣孔，形成可控的多孔材料。C min?1的條件下制得的多孔材料密度為 ~ g/cm3，吸水率為 %。 高硅鐵尾礦由于其中 SiO2 含 量較高，因此可作為制備礦物多孔材料中的骨料代替石英類原料，與粘結(jié)劑、造孔劑或發(fā)泡劑按比例混合后，即可制得輕質(zhì)礦物多孔材料，利用該多孔材料作生物濾料與傳統(tǒng)生物濾料相比，具有成本低、易掛膜、凈水效果好等優(yōu)點(diǎn)。/min， 2θ 范圍 0176。 ② 將干燥后的輕質(zhì)礦物多孔材料在水中浸泡 1h。 ④ 吸水率計(jì)算：輕質(zhì)礦物多孔材料的吸水率 W（單位： %）按如下公式計(jì)算： 1001 12 ??? m mmW % （ ） （ 6）鹽酸可溶率 鹽酸可溶率是材料在鹽酸中溶出物的質(zhì)量百分率，用 C（單位： %）表示。 ⑤ 結(jié)果計(jì)算：鹽酸可溶率按下式計(jì)算： 1001 21 ??? mmmC % （ ） （ 7）壓碎力 壓碎力即物料被壓碎破壞所能承受的最大壓力，是反應(yīng)物料抵抗破壞 的性能指標(biāo)，用 F 表示（單位： kN）。 （ 6）重復(fù)步驟（ 4）直至 COD 數(shù)值穩(wěn)定。同時(shí)凹土中還含有較多的 MgO、 K2O、 CaO 等熔劑組分，這類組分可起到調(diào)節(jié)原料熔點(diǎn)的作用，以降低材料的燒成溫度，減少能耗，還可使燒成帶變寬，提高成品率。 （ 5） 碳酸鈣。本實(shí)驗(yàn)中的原料配比使原料化學(xué)成分均在上述范圍內(nèi)。球磨結(jié)束后，將罐中粉末與磨球分離，再將鐵尾礦粉末過 100 目標(biāo)準(zhǔn)篩，取篩下部分備用。C ~600℃ 出現(xiàn)明顯失重，最大失重速率對應(yīng)的溫度約為 550℃ 。 輕質(zhì)礦物多孔材料的宏觀及微觀形貌 由輕質(zhì)礦物多孔材料（ 9 號樣品）的外觀（圖 ）和微觀形貌（圖 ）可分析其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu) 及孔分布。 輕質(zhì)礦物多孔材料的理化性質(zhì) 對所得輕質(zhì)礦物多孔材料的理化性質(zhì)進(jìn)行測試，結(jié)果如表 所示： 表 輕質(zhì)礦物多孔材料的基本性質(zhì) 測試項(xiàng)目 粒徑 （ mm） 顏色 表觀密度 （ g/cm3） 壓碎力 （ kN） 鹽酸可溶率 （ %） 吸水率 （ %） 測試結(jié)果 3~8 深灰色 ~ ~ 4~10 由表 可知，輕質(zhì)礦物多孔材料的粒徑為 3~8mm，表觀密度為 ~。 在圖 中，焙燒溫度為 1000~1100℃時(shí)， 1 號樣品的壓碎力均高于 2 號樣品，但當(dāng)溫度升至 1150℃時(shí)，二樣品的壓碎力趨于相等，說明兩種粘結(jié)劑均能賦予材料較好的粘結(jié)性與可塑性，使材料具有一定的強(qiáng)度。 粘結(jié)劑加入量對輕質(zhì)礦物多 孔材料性能的影響 對 3~6 號樣品的性能測試結(jié)果如圖 ~ 所示。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至 1145℃時(shí)，樣品的表觀密度又由 。 圖 表觀密度與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 29 圖 壓力與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線 圖 吸水率、鹽酸可溶率與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線 參見圖 可知， 當(dāng)保溫時(shí)間為 15min 時(shí)，由于保溫時(shí)間較短，樣品內(nèi)部與表面的焙燒并不完全。 造孔劑對輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 7~10 號樣品在 1130℃ 焙燒，保溫 30min 后冷卻，對其性能測試，結(jié)果如圖~ 所示。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 32 4 輕質(zhì)礦物多孔材料的水處理性能研究 多孔材料水處理效果評價(jià) 本實(shí)驗(yàn)將市售水處理用多孔材料與實(shí)驗(yàn)制備的輕質(zhì)礦物多孔材料在相同條件下進(jìn)行水處理實(shí)驗(yàn)，以此對比二者的水處理效果。二者在實(shí)驗(yàn)初期 COD 去除率差異并不明顯， 7 天之后，隨著各自 COD 去除率的迅速增加差異逐漸增大， 加入市售水處理用多孔材料的 反應(yīng)池 7 天時(shí) COD去除率為 %， 18 天時(shí)掛膜完成， COD 去除率為 71%并趨于穩(wěn)定。另外，材料內(nèi)部的孔洞對已附著的細(xì)菌起屏蔽保護(hù)的作用，使其免受水力的沖刷作用，增加生物膜的穩(wěn)定性。 隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)一步增加， COD 去除率逐漸穩(wěn)定。 （ 3） 利用所制備的輕質(zhì)礦物多孔材料進(jìn)行水處理實(shí)驗(yàn)， 18 天時(shí)微生物掛膜完成，COD 去除率為 87%，這表明該礦物多孔材料結(jié)構(gòu)適于微生物掛膜，且具有優(yōu)良的水處理效果。 感謝 梁金生老師 的大力支持與幫助。 感謝材料學(xué)院功能材料系實(shí)驗(yàn)室為我們提供了各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，感謝河北工業(yè)大學(xué)給我提供了一個(gè)寬 闊的學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓我不斷的吸取真知，充實(shí)自己。真心感謝 各位 的熱情幫助。丁老師創(chuàng)造性的思維和平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)，并使我受益終生。 （ 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 %。因此，實(shí)驗(yàn)中期 COD 去除率快速增長。 （ 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。 10 天之后 COD 去除率增長逐漸緩和，到 18 天時(shí)，COD 去除率達(dá)到 87%，之后維持穩(wěn)定，說明掛膜完成。 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。保溫時(shí)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(shí)間均具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。 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(dá)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。 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。由此可知，以兩種