【文章內(nèi)容簡介】 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(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)所需的主要 儀器及 設(shè)備 見下表： 表 實(shí)驗(yàn)用主要儀器設(shè)備 儀器名稱 型號 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(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 射線衍射儀測試樣品的晶體結(jié)構(gòu)， 分析其物相組成。實(shí)驗(yàn)條件為 Cu 靶，電壓 40kV，電流 100mA，掃描速度為 4176。/min， 2θ 范圍 0176。～ 90176。 （ 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。 （ 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 碳粉進(jìn)行熱重 差熱分析，用以確定造孔劑分解溫度。 （ 4）表觀密度 表觀密度指的是質(zhì)量與表觀體積之比，即單位體積的干質(zhì)量，用 ρ表示（單位：g/cm3）。 表觀體積包括實(shí)體體積和閉孔體積。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。C 下 干燥至 恒重，其質(zhì)量為 m（單位： g）。 ② 將干燥后的輕質(zhì)礦物多孔材料在水中浸泡 1h。 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，讓試樣在毛巾上來回滾動 8~10 次，以此擦拭其表面水分。 ④ 將試樣倒入李氏比重瓶中，讀出水面刻度 V（單位： cm3）。 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)。測試步驟如下： ① 將輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 干燥箱 100176。C 下 干燥至恒重，其干質(zhì)量為 m1（單位： g）。 ② 將烘干后的輕質(zhì)礦物多孔材料浸沒入水中，浸泡 1h。 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）。 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。 ① 輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 干燥箱 100176。C 下 干燥至恒重，其質(zhì)量為 m1（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。在室溫下靜置 30min。 ③ 傾倒出鹽酸，反復(fù)洗滌樣品直至洗凈水為中性。 ④ 將洗凈的樣品在 干燥箱 100176。C 下 干燥至恒重，其質(zhì)量為 m2（單位： g）。 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）。 其中（ 4） ~（ 6）項(xiàng)測試過程均參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水處理用人工陶粒濾料》（ GJ/T 299— 2020） [20]。 輕質(zhì)礦物多孔材料水處理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn) 采用 的 模擬 曝氣反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖見圖 。 實(shí)驗(yàn)裝置由反應(yīng)池、填料、曝氣盤和氣泵組成。其中反應(yīng)池的容量 為 600ml，曝氣盤 位 于 其底部 ， 與氣泵相連。河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 14 填料在氣泵的氣流沖擊作用下可在水中做懸浮狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，與污水充分混合接觸。 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)確稱量后與 5L 自來水混合均勻，調(diào)節(jié)其 pH 在 。 （ 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。 （ 6）重復(fù)步驟（ 4）直至 COD 數(shù)值穩(wěn)定。 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（以下簡稱凹土）的化學(xué)成分如表 所示。 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(dá)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┩猓€應(yīng)滿足以下兩個(gè)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(shí)產(chǎn)生足夠的氣體。而決定材料膨脹性的主要因素是原料的種類和用量，這對制備的輕質(zhì)礦物多孔材料的性能有著至關(guān)重要的影響。 輕質(zhì)礦物多孔材各原料的作用如下 [22~23]： （ 1） 高硅鐵尾礦。 實(shí)驗(yàn)所選用的高硅鐵尾礦中 SiO2的含量為 %，是 輕質(zhì)礦物 多孔材料中硅成分的主要來源及 基本組分，在焙燒過程中起支撐骨架作用，其決定材料強(qiáng)度的大小。 （ 2） 凹土。 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。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。 凹土屬粘土類礦物，在輕質(zhì)礦物多孔材料的制備過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。 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。 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。 （ 4） 碳粉。 在輕質(zhì)礦物多孔材料的煅燒過程中，當(dāng)溫度較高時(shí)碳粉會燃燒，生成 CO2或 CO氣體，此時(shí)材料中便可產(chǎn)生孔隙，使材料在后續(xù)升溫過程中易于膨脹。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)。所以碳粉在原料中起到了造孔劑和燃料的作用。 （ 5） 碳酸鈣。 碳酸鈣在高溫分解生成 CaO 和 CO2氣體，起到造孔劑的作用。生成 CaO 是熔劑組分，可以降低原料的熔點(diǎn)，起到 助熔的作用。 樣品配方及編號 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，陶粒會具有良好的燒脹性，能形成孔隙率較高，質(zhì)量較輕的材料。并提出了用三元法表示原料化學(xué)成分的 Riley 三角形。 具有良好燒脹性能 的原料化學(xué)成分范圍如圖 中陰影 所示。 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)。由此可以制得高溫下具有良好膨脹性的材料。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)。 為獲得最佳原料配比，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì) 10 組配方（見表 ） 。 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。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。陶粒的粒徑一般為 5~20mm 范圍內(nèi) [24]。因此本實(shí)驗(yàn)制備的輕質(zhì)礦物多孔材 料采用圖 所示工藝流程。 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(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。球磨時(shí)間為 ，轉(zhuǎn)速為 1200r/min。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。 （ 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。 （ 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。 （ 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。 （ 5）成型后的球狀物料在自然條件下晾干 4h，然后在電熱恒溫干燥箱 100176。C 下干燥 。 （ 6）碳粉的同步熱分析結(jié)果如圖 所示。由圖可知，碳粉在 400176。C ~600℃ 出現(xiàn)明顯失重，最大失重速率對應(yīng)的溫度約為 550℃ 。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。因此，本實(shí)驗(yàn)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?xì)怏w，充分造孔。預(yù)燒后高溫焙燒，之后隨爐冷卻。 圖 碳粉的熱重分析圖 本實(shí)驗(yàn)采用的焙燒制度如表 所示。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 19 表 試樣焙燒制度 樣品編號 焙燒溫度（ ℃ ） 保溫時(shí)間（ min） 2 1000 30 2 1050 30 2 1100 30 2 1150 30 3~6 1100 30 3~6 1115 30 3~6 1130 30 3~6 1145 30 3 1130 15 3 1130 30 3 1130 45 3 1130 60 輕質(zhì)礦物多孔材料的性能 輕質(zhì)礦物多孔材料的礦物組成 制備的輕質(zhì)礦物多孔材料（ 9 號樣品）的礦物組成如 圖 所示 。 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。焙燒后生成的新物相斜