【正文】 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。 圖 不同粘結(jié)劑材料的表觀密度關(guān)系曲線(xiàn) 圖 不同粘結(jié)劑材料的壓碎力關(guān)系曲線(xiàn) 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(xiàn) 由圖 可知， 在 不 同 溫 度 下 焙 燒 時(shí) ， 1 號(hào) 樣 品 的 表 觀 密 度 為~， 2 號(hào)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(shì)，且 1 號(hào)樣品的表觀密度高于 2 號(hào)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(lèi)的不同造成的，凹土相對(duì)于水玻璃來(lái)說(shuō)，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(dá)，因此 表觀密度較低。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。 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。 （ 6）碳粉的同步熱分析結(jié)果如圖 所示。 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(hào) 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(chēng)取高硅鐵尾礦若干，放入球磨機(jī)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。 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)。另一方面，碳粉在燃燒過(guò)程中還能提供熱能，使其他原料在燃燒過(guò)程中變成溶質(zhì)。 （ 2） 凹土。 圖 模擬 生物曝氣 反應(yīng)器結(jié)構(gòu) 示意圖 水處理實(shí)驗(yàn) （ 1）本實(shí)驗(yàn)所用污水配方如表 所示，將各種藥品準(zhǔn)確稱(chēng)量后與 5L 自來(lái)水混合均勻，調(diào)節(jié)其 pH 在 。 ④ 將洗凈的樣品在 干燥箱 100176。 ② 將烘干后的輕質(zhì)礦物多孔材料浸沒(méi)入水中，浸泡 1h。其測(cè)試步驟如下： ① 將 輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 燥箱中 100176。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 11 2 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)原料 本實(shí)驗(yàn)所用原料見(jiàn)下表 ： 表 實(shí)驗(yàn)用原料 名稱(chēng) 規(guī)格 來(lái)源 鐵尾礦 100 目 河北承德 凹土 100 目 江蘇 碳酸鈣 工業(yè)級(jí) 天津大學(xué)科威公司 水玻璃 工業(yè)級(jí) 天津大學(xué)科威公司 碳粉 工業(yè)級(jí) 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(jí) 天津市某污水處理 廠 水處理多孔材料 工業(yè)級(jí) 金峰凈水 實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)所需的主要 儀器及 設(shè)備 見(jiàn)下表： 表 實(shí)驗(yàn)用主要儀器設(shè)備 儀器名稱(chēng) 型號(hào) 生產(chǎn)廠家 微粒球磨機(jī) 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(yàn)電爐有限公司 馬弗爐 SXG12163 天津市中環(huán)試驗(yàn)電爐有限公司 李氏比重瓶 250ml 天津大學(xué)科威公司 微機(jī)控制電子萬(wàn)能拉力實(shí)驗(yàn)機(jī) CMT610 深圳市新三思計(jì)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(xiàn)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(guó) PerkinElmer 公司 溶氧量測(cè)試儀 AZ8403 臺(tái)灣衡欣儀器廠 實(shí)驗(yàn)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(xiàn)衍射儀測(cè)試樣品的晶體結(jié)構(gòu)， 分析其物相組成。 當(dāng)木質(zhì)素和水玻璃作為粘結(jié)劑燒制陶粒時(shí)，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(dá)到了 %，從而達(dá)到了“以廢治廢”的目的。 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。 （ 3）有機(jī)泡沫浸漬法 該工藝是用有機(jī)泡沫浸漬漿料，利用有機(jī)泡沫體的開(kāi)孔三維網(wǎng)狀的特殊結(jié)構(gòu)，將料漿均勻地涂覆在有機(jī)泡沫網(wǎng)狀體上 , 干燥后燒掉有機(jī)泡沫體從而獲得多孔材料。 礦物多孔材料研究進(jìn)展 礦物多孔材料 多孔材料是由相互貫通或封閉孔洞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，主要包括多孔陶瓷材料、多孔金屬材料和泡沫塑料等 [13]。 貴金屬的回收 Liu Bailong[11]等人討論了氰化尾礦的預(yù)處理對(duì)其后期貴金屬回收的影響，并且結(jié)合礦物結(jié)構(gòu)和焙燒原理解釋了金的浸出機(jī)制。因隨意堆置的尾礦所造成的揚(yáng)塵還會(huì)對(duì)區(qū)域環(huán)境和居民身體健康造成傷害，與此同時(shí)其中的有毒有害物質(zhì)還會(huì)進(jìn)入河流及污染地下水，當(dāng)尾礦數(shù)量過(guò)多時(shí)可形成高勢(shì)能的人造泥石流，隨時(shí)危及周邊居民的生河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 7 命財(cái)產(chǎn)安全。近年來(lái)，我國(guó)對(duì) BAF 的流程也展開(kāi)了深入研究并不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)與凈水效果。通過(guò)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，并將輕質(zhì)礦物多孔材料作為曝氣池濾料，評(píng)價(jià) 其水處理效果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 全世界每年所排尾礦及廢石超過(guò) 100 億 t。該瓷磚和傳統(tǒng)瓷磚相比具有高強(qiáng)度和高硬度的優(yōu)點(diǎn)，并且其指標(biāo)符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)。 工業(yè)水處理 劉宏 [6]等將鐵尾礦經(jīng)磁選后篩分，選取粒級(jí)在 ～ mm 范圍內(nèi)的尾礦顆粒作為載體，添加到普通氣池模型中，對(duì) COD 為 400 mg/ L 的模擬生活污水進(jìn)行處理。特別是礦物多孔材料作為生物濾料時(shí)，當(dāng)其密度與水的密度相當(dāng)，可以在曝氣作用下在水中均勻分布 時(shí)，可稱(chēng)為輕質(zhì)礦物多孔材料，與其他種類(lèi)生物濾料相比具有質(zhì)輕、耐沖刷、易掛膜等優(yōu)勢(shì)，因此在生活污水治理及工業(yè)廢水處理中備受人們的重視和青睞 [15]。此工 藝得到的多孔材料孔徑較小，易于控制并且分布均勻，但是生產(chǎn)率較低。之后又分析了添加劑的制孔機(jī)理：原料中的無(wú)機(jī)碳和粉煤灰中的有機(jī)碳在焙燒過(guò)程中燃燒，生成二氧化碳?xì)怏w，在材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，降低材料的密度。 本課題擬用高硅鐵尾礦為主要原料，經(jīng)高溫焙燒、膨化等制備一種輕質(zhì)礦物多孔河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 10 材料，用于曝氣生物濾池中做生物濾料?！?90176。 ③ 將輕質(zhì)礦物多孔材料從水中取出，瀝水后倒在擰干的濕毛巾上，讓試樣在毛巾上來(lái)回滾動(dòng) 8~10 次，以此擦拭其表面水分。 ① 輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 干燥箱 100176。 其中（ 4） ~（ 6）項(xiàng)測(cè)試過(guò)程均參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水處理用人工陶粒濾料》（ GJ/T 299— 2020） [20]。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 15 表 實(shí)驗(yàn)污水配方 3 輕質(zhì)礦物多孔材料的制備及性能 原料的優(yōu)選 實(shí)驗(yàn)所用鐵尾礦及凹凸棒土（以下簡(jiǎn)稱(chēng)凹土）的化學(xué)成分如表 所示。 凹土屬粘土類(lèi)礦物，在輕質(zhì)礦物多孔材料的制備過(guò)程中能夠賦予材料良 好的粘結(jié)性和可塑性，使其易于成型，并且具有一定的初始強(qiáng)度。 碳酸鈣在高溫分解生成 CaO 和 CO2氣體，起到造孔劑的作用。 為獲得最佳原料配比，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì) 10 組配方（見(jiàn)表 ） 。 （ 2）將 100 目的鐵尾礦粉末和凹土、碳粉、碳酸鈣按比例混合，放入球磨罐中，用球磨機(jī)混勻，以 800r/min 的轉(zhuǎn)速運(yùn) 行 15min，然后取出混勻的粉料。因?yàn)樵诖藴囟入A段發(fā)生了碳粉的燃燒，碳粉轉(zhuǎn)變成為二氧化碳?xì)怏w。 圖 輕質(zhì)礦物多孔材料宏觀結(jié)構(gòu)圖 （ a） 外觀 （ b）剖面 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 21 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 22 圖 3. 6 輕質(zhì)礦物多孔材料 SEM 分析圖： （ a） 放大 250 倍 （ b）放大 500 倍 （ b） 放大 10000 倍 （ d）孔壁 多孔材料中與外界連通的孔稱(chēng)為開(kāi)孔，不與外界連通的稱(chēng)為閉孔，在材料內(nèi)部相互聯(lián)通的孔為通孔。吸水率為 4~10%。 分析圖 可知， 1 號(hào)樣品在溫度為 1000~1100℃ 時(shí)其 吸水率由 15%下降至 0，而2 號(hào)樣品在溫度為 1000~1150℃ 時(shí) 的吸水率由 30%下降至 0。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 25 圖 不同凹土含量材料的表觀密度曲線(xiàn) 圖 不同凹土含量材料的壓碎力曲線(xiàn) 圖 不同凹土含量材料的吸水率和鹽酸可溶率曲線(xiàn) 由圖 可知， 凹土含量由 5%增加到 20%時(shí)，輕質(zhì)礦物多孔材料的表觀密度由，增加 凹土成分含量，可起到降低原料燒成溫度的作用，但凹土本身密度較小，比表面較大，所以增加凹土含量，不會(huì)使材料的表觀河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 26 密度有大幅度提高趨勢(shì) 。 由圖 可知，壓碎力與表觀密度變化趨勢(shì)相同，溫度為 1115℃時(shí)，壓碎力最小其值為 ，之后壓碎力隨溫度增加而增加，當(dāng)溫度 升至 1145℃時(shí)，壓碎力數(shù)值為 。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品內(nèi)外的溫度達(dá)到一致，并且在該溫度下液相含量逐漸增多，表面具有一定粘結(jié)性，氣體在材料內(nèi)部形成氣孔，材料體積發(fā)生膨脹，表觀密度下降；保溫 30min 時(shí)，材料表觀密度 為 。 圖 不同造孔劑含量材料的表觀密度曲線(xiàn) 圖 不同造孔劑含量材料的壓碎力曲線(xiàn) 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 31 圖 不同造孔劑含量材料的吸水率、鹽酸可溶率曲線(xiàn) 造孔劑含量增加，高溫時(shí)由于造孔劑燃燒或分解產(chǎn)生的氣體數(shù)量就會(huì)增加，因而會(huì)在材料內(nèi)部留下更多的孔隙，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加疏松，表觀密度隨之降低。市售水處理多孔材料外觀為深灰色，平均粒徑 5cm，表觀密度為 ，用 XRD 分析其礦物組成，其主要礦物組成為石英、磷鋁礦、斜硅石。 加入實(shí)驗(yàn)制備輕質(zhì)礦物多孔材料的反應(yīng)池 僅在 18 天就達(dá)到了高達(dá) 87%并能繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行， 比市售水處理用多孔材料的 COD 去除率多 16%， 說(shuō)明掛膜數(shù)量較多。 （ 3） 由圖 （ d）可看出，輕質(zhì)礦物多孔材料具有粗糙的孔壁，與光滑表面相比，粗糙面可以增加微生物與材料的接觸面積，增大掛膜面積。此時(shí)微生物已經(jīng)大量繁殖，而環(huán)境中的有機(jī)負(fù)荷有限，限制了微生物進(jìn)一步生長(zhǎng)，而輕質(zhì)礦物多孔材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)也對(duì)微生物起到屏蔽保護(hù)作用，因此生物膜生長(zhǎng)穩(wěn)定， COD 去除率也基本維持在定值。 （ 4）制備的輕質(zhì)礦物多孔材料水處理效果佳，是由于材料本身對(duì)污染物的機(jī)械截留和微生物的分解以及絮凝共同作用的結(jié)果。 梁 老師豐厚的學(xué)術(shù)背景，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)使我深受啟迪。 感謝我的父母親人，因?yàn)槟鷤兊臒o(wú)私支持才使我順利完成學(xué)業(yè)。 感謝 在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段， 杜倩倩師姐、呂愛(ài)菊師姐和穆小占師兄認(rèn)真教授操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備的方法， 對(duì)我的 實(shí)驗(yàn) 提出了很多寶貴意見(jiàn)，并在畢業(yè)設(shè)計(jì)和日常生活中 給予了 我很多關(guān)懷與幫助；我的 同學(xué)劉奇、楊小雪和張瑤 等人也對(duì)我的 實(shí)驗(yàn) 給予了支持 和 幫助。從課題開(kāi)始到最后論文的提交，丁老師都給予了我極大的幫助。C 焙燒 30min。一方面，微生物生長(zhǎng)要從污水中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而分解水中部分污染物，另一方 面，新陳代謝產(chǎn)生的胞外聚合物對(duì)水中污染物有絮凝作用，可除去水中的部分污染物，另外，