【正文】 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。 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。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。 （ 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。C 焙燒 30min。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。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，微生物附著在輕質(zhì)礦物多孔材料的表面和孔壁，使材料內(nèi)部孔道變窄，進(jìn)一步增加了輕質(zhì)礦物多孔材料對(duì)污染物的截留能力。 （ 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。本實(shí)驗(yàn)中制得的輕質(zhì)礦物多孔材料在水處理效果評(píng)價(jià)中 18 天 COD 去除率達(dá)到87%，是很好的用于水處理領(lǐng)域的多孔濾料，這是因?yàn)椴牧暇哂腥缦?特征： （ 1） 該礦物多孔材表觀密度僅為 ， 略重于水，這樣在曝氣的沖刷作用下可以達(dá)到良好的 流化 狀態(tài)，使其在水中可以均勻分布，利于生物膜附著。 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。 7 天時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，之后反應(yīng)池中 COD 去除率上升很快，到 10 天迅速增長(zhǎng)至 55%。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。 由以上分析，同時(shí)兼顧較低的表觀密度和較高的壓碎力，選擇 30%為最佳造孔劑添加量。 圖 不同造孔劑含量材料的表觀密度曲線 圖 不同造孔劑含量材料的壓碎力曲線 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 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。 樣品的吸水率和鹽酸可溶率如圖 所示，保溫時(shí)間對(duì)吸水率和鹽酸可溶率影響并不大。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 。隨著溫度升高，燒結(jié)更加完全，樣品的吸水率和鹽酸可溶率均減小并趨于穩(wěn)定。 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 。 由以上分析可知，凹土含量的增加會(huì)引起表觀密度和壓碎力的增加，基于對(duì)輕質(zhì)多孔材料表觀密度的要求，在壓碎力差異不明顯時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮較低的表觀密度，選擇添加 5%的凹土為最佳方案。 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 圖 不同凹土含量材料的壓碎力曲線 圖 不同凹土含量材料的吸水率和鹽酸可溶率曲線 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) 。C 時(shí)， 2 號(hào)樣品也能達(dá)到較低的鹽酸可溶率。 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 23 影響輕質(zhì)礦物多孔材料的性能的因素分析 粘結(jié)劑種類對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 對(duì) 2 號(hào)樣品的性能測(cè)試結(jié)果如圖 ~ 所示。吸水率為 4~10%。其中孔徑 2 nm 的為微孔，孔徑為 2 ～ 50 nm 范圍內(nèi)的為介孔，孔徑 50 nm 的為大孔。 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為開(kāi)孔，不與外界連通的稱為閉孔，在材料內(nèi)部相互聯(lián)通的孔為通孔。 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(hào) 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(hào)樣品）的礦物組成如 圖 所示 。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。C 下干燥 。 （ 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。 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 ） 。 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。 碳酸鈣在高溫分解生成 CaO 和 CO2氣體，起到造孔劑的作用。 在輕質(zhì)礦物多孔材料的煅燒過(guò)程中，當(dāng)溫度較高時(shí)碳粉會(huì)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(guò)程中易于膨脹。 凹土屬粘土類礦物，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。 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(lái)源及 基本組分，在焙燒過(guò)程中起支撐骨架作用，其決定材料強(qiáng)度的大小。 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)稱凹土）的化學(xué)成分如表 所示。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(dòng)，與污水充分混合接觸。 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]。 ③ 傾倒出鹽酸，反復(fù)洗滌樣品直至洗凈水為中性。 ① 輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 干燥箱 100176。C 下 干燥至恒重，其干質(zhì)量為 m1（單位： g）。 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。 表觀體積包括實(shí)體體積和閉孔體積。～ 90176。 （ 3）輕 質(zhì)礦物多孔材料水處理作用機(jī)制探討 通過(guò)水處理時(shí)間、不同天數(shù)水質(zhì) COD 變化，探討輕質(zhì)礦物多孔材料水處理作用機(jī)制 。 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。C 左右燒制的輕質(zhì)礦物多孔材料對(duì)選礦廢水的 COD 吸附效果較好， COD 去除率達(dá)到%。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。首先將金屬尾礦用 HCl 進(jìn)行酸洗，清除雜質(zhì)使其形成多孔結(jié)構(gòu)，然后添加粘土及粘結(jié)劑，以尾礦：爐渣：粉煤灰≤ 5∶ 3∶1的比例，制得粒徑 5～ 30 mm、顆粒密度 ～ g/cm堆積密度 ～ g/cm比表面積 ～ m2 /g、酸可溶率 %、筒壓強(qiáng)度 ～ MPa、吸水率 %～5%的輕質(zhì)礦物多孔材料，質(zhì)量較輕并且比表面積較大，具有生物附著力強(qiáng)、掛膜性能良好、截污能力強(qiáng)、反沖洗容易進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。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。這種工藝得到的制品強(qiáng)度較高，但是氣孔率相對(duì)較低。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)，可稱為輕質(zhì)礦物多孔材料，與其他種類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]。以該輕質(zhì)礦物多孔材料為濾料的曝氣生物濾料對(duì)模擬污水的處理效果良好， CODCr、 NH4+N、TN 的去除率分別為 %、 %和 %。 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。用鐵尾礦、石英砂和粉煤灰的混合物為原料燒制膨脹系數(shù)大于 1 的輕質(zhì)骨料，并分析了各原料配比和燒成制度對(duì)輕質(zhì)骨料性能的影響。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)。 鐵尾礦綜合利用 未經(jīng)處理的鐵尾礦通常呈細(xì)小顆粒狀，其中混有選礦過(guò)程中使用的化學(xué)藥劑，某些 種類的尾礦還伴生有 As、 Pb 等有毒重金屬。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。 曝氣生物濾池 ( BAF )是 20 世紀(jì) 80 年代末至 90 年代初興起的一種以生活污水為主要處理對(duì)象的新興工藝 , 具有處理效率高、工藝簡(jiǎn)單、有機(jī)容積負(fù)荷大、占地面積小、停留時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在歐美和日本等國(guó)已經(jīng)被上千座污水處理廠采用 [1~2]。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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高硅鐵尾礦、凹凸棒土、碳粉和碳酸鈣的比例為 5:::，經(jīng) 550℃ 預(yù)燒 15min、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， 將該材料加入模擬生物曝氣反應(yīng)器中進(jìn)行配制污水處理， 18 天后 COD 去除率高達(dá) 85%并趨于穩(wěn)定，具有良好的水處理效果。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。我國(guó)目前發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)多達(dá) 150 多種，建立了 8 000 多座國(guó)營(yíng)礦山和 11萬(wàn)多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體礦山 , 累計(jì)產(chǎn)生尾礦 億 t，占地 8 萬(wàn)公頃以上，并且每年正在以 億 t 的速度增長(zhǎng)。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。 Chuanmeng Yang[9~10]等人將鐵尾礦與不同比例的粉煤灰混合后在 900176。 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。通過(guò)與普通活性污泥法對(duì)照，發(fā)現(xiàn)加入鐵尾礦后 , 在相同的停留時(shí)間下， COD去除率顯著提高。 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、