【正文】 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 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。鹽酸可溶率小于 1%，表明輕質(zhì)礦物多孔材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，在污水中不易被腐蝕。其表觀密度與水的密度接近并且略重與水，粒徑大小適中，在曝氣過(guò)程中可在氣體沖擊作用下在水中運(yùn)動(dòng)，與水均勻充分接觸，吸水率適中，水分可進(jìn)入材料內(nèi)部，增大與材料的接觸面積，利于提高水處理效果。 輕質(zhì)礦物多孔材料的理化性質(zhì) 對(duì)所得輕質(zhì)礦物多孔材料的理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)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 ~。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。按照孔徑可將多孔材料的孔分為微孔、介孔和大孔。由圖 （ a）可見(jiàn)，輕質(zhì)礦物多孔材料的部分孔延伸至表面，與外界相通，由圖 （ a）、（ b）可知，材料內(nèi)部部分孔呈封閉的橢圓形，部分孔相互連通形成孔道。 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(hào)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。 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。 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。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。C ~600℃ 出現(xiàn)明顯失重，最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度約為 550℃ 。 （ 6）碳粉的同步熱分析結(jié)果如圖 所示。 （ 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。 （ 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。球磨結(jié)束后，將罐中粉末與磨球分離，再將鐵尾礦粉末過(guò) 100 目標(biāo)準(zhǔn)篩，取篩下部分備用。 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。陶粒的粒徑一般為 5~20mm 范圍內(nèi) [24]。 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(hào)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。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)。 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)。并提出了用三元法表示原料化學(xué)成分的 Riley 三角形。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。 （ 5） 碳酸鈣。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)。 （ 4） 碳粉。 組分名稱 淀粉 葡萄糖 (NH4)2CO3 K2HPO4 自來(lái)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。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。 （ 2） 凹土。 輕質(zhì)礦物多孔材各原料的作用如下 [22~23]： （ 1） 高硅鐵尾礦。 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(guò)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┩?，還應(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。 （ 6）重復(fù)步驟（ 4）直至 COD 數(shù)值穩(wěn)定。 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(lái)水混合均勻，調(diào)節(jié)其 pH 在 。其中反應(yīng)池的容量 為 600ml，曝氣盤 位 于 其底部 ， 與氣泵相連。 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(jiàn)圖 。 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）。 ④ 將洗凈的樣品在 干燥箱 100176。在室溫下靜置 30min。C 下 干燥至恒重，其質(zhì)量為 m1（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。 ② 將烘干后的輕質(zhì)礦物多孔材料浸沒(méi)入水中，浸泡 1h。測(cè)試步驟如下： ① 將輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 干燥箱 100176。 ④ 將試樣倒入李氏比重瓶中，讀出水面刻度 V（單位： cm3）。 ② 將干燥后的輕質(zhì)礦物多孔材料在水中浸泡 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。 （ 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）。 （ 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。/min， 2θ 范圍 0176。 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 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 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 射線衍射儀測(cè)試樣品的晶體結(jié)構(gòu)， 分析其物相組成。 （ 2）用作水處理濾料的輕質(zhì)礦物多孔材料結(jié)構(gòu)特征探討 通過(guò)以輕質(zhì)礦物多孔材料為濾料作用于配制廢水后，水質(zhì)指標(biāo) COD 去除率的變化，評(píng)價(jià)其生化水處理效果，探尋多孔材料最佳結(jié)構(gòu)特征。本研究目的在于提高高硅鐵尾礦的加入量，并且使輕質(zhì)礦物多孔材料同時(shí)具有較輕的質(zhì)量以及較高的強(qiáng)度，使該材料具有良好的綜合性能，為其在工業(yè)有機(jī)廢水處理的廣泛應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，在資源再利用、修復(fù)環(huán)境、工 業(yè)廢水處理等領(lǐng)域中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。 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)。 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。結(jié)果表明，在不添加任何添加劑的條件下， 800176。將制備的材料用于曝氣實(shí)驗(yàn)，污水中CODCr 、 NH4+N、 TP 去除率分別為 92%、 62%、 63%，具有優(yōu)良的凈水作用。C min?1的條件下制得的多孔材料密度為 ~ g/cm3，吸水率為 %。 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。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 9 在輕質(zhì)礦物多孔材料制備技術(shù)的研究中，馮秀娟，余育新 [17]等利用表面改性和添加造孔劑法相結(jié)合制備了輕質(zhì)礦物多孔材料。 （ 5）發(fā)泡法 該工藝是向原料中添加有機(jī)或無(wú)機(jī)發(fā)泡劑，在加熱過(guò)程中產(chǎn)生可揮發(fā)的氣體，從而制備泡沫材料。 （ 4）溶膠凝膠法 該工藝是利用凝膠化過(guò)程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理過(guò)程中留下小氣孔，形成可控的多孔材料。 （ 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。 （ 2）顆粒堆積法 骨料顆粒堆積會(huì)形成空隙， 在其中添加與骨料成分相同的微細(xì)顆粒，由于微細(xì)顆粒更加易于燒結(jié)，在高溫下會(huì)形成液相，把骨料顆粒粘結(jié)起來(lái)。 礦物多孔材料的制備方法 目前礦物多孔材料的制備主要采用如下方法 [2,14,16]： （ 1）添加造孔劑法 該工藝是在配料中加入造孔劑后占據(jù)坯體空間，高溫下通過(guò)揮發(fā)、燃盡或分解作用而在原位處留下孔隙。 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