【正文】 ............................................................... 17 輕質(zhì)礦物多孔材料的性能 .................................................................................... 19 輕質(zhì)礦物多孔材料的礦物組成 ................................................................... 19 輕質(zhì)礦物多孔材料的宏觀及微觀形貌 ....................................................... 20 輕質(zhì)礦物多孔材料的理化性質(zhì) ................................................................... 22 影響輕質(zhì)礦物多孔材料的性能的因素分析 ........................................................ 23 粘結(jié)劑種類(lèi)對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 .......................................... 23 粘結(jié)劑加入量對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 ...................................... 24 焙燒溫度對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 .............................................. 26 保溫時(shí)間對(duì)輕質(zhì)礦物多孔材料性能的影響 .............................................. 28 造孔劑對(duì)輕質(zhì)礦物多孔 材料性能的影響 .................................................. 30 4 輕質(zhì)礦物多孔材料的水處理性能研究 .......................................................................... 32 多孔材料水處理效果評(píng)價(jià) .................................................................................... 32 適于水處理的多孔材料特征 ................................................................................ 33 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 5 多孔材料水處理作用機(jī)制分析 ............................................................................ 33 結(jié) 論 .................................................................................................................................. 35 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................................................................................ 36 致 謝 .................................................................................................................................. 38 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)論文 6 1 緒論 引言 輕質(zhì)礦物多孔材料因其特殊的孔道結(jié)構(gòu)和形態(tài)而具有孔道效應(yīng)和表面荷電效應(yīng)，因此它的過(guò)濾、吸附、離子交換、功能載體等物理化學(xué)性能可廣泛應(yīng)用于工業(yè)水處理、空氣凈化、抗菌除菌、建筑節(jié)能材料等諸多領(lǐng)域。 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]。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(lèi)、數(shù)量和活性 [3~4]。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。其中鐵尾礦數(shù)量最多，占全部尾礦堆存總量的 1/3 左右 [6~7]。 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(lèi)的尾礦還伴生有 As、 Pb 等有毒重金屬。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)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(guò)篩、干燥、成型后在 1060– 1200176。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)。C 到 1000176。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。最終在焙燒溫度為 750176。 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。 王德民 ,宋均平 [12]等以低硅鐵尾礦為主要原料，按照鐵尾礦 77%、黏土 5%、煤粉 3%、石灰石粉 6%、 KD（ SiO2補(bǔ)充劑） 9%，用水 量為原料總量的 20%的原料配比，經(jīng)造粒、干燥、焙燒后制得輕質(zhì)礦物多孔材料，孔徑范圍從幾微米到幾百微米，平均孔徑為 19. 80 μ m。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 %。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]。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]。該工藝通過(guò)調(diào)節(jié)造孔劑種類(lèi)和粒徑可以控制多孔材料的孔隙率和孔徑，一般孔隙率低于 50%，且孔的分布均勻性差。這種工藝得到的制品強(qiáng)度較高，但是氣孔率相對(duì)較低。所得制品氣孔率高，相互貫通且強(qiáng)度較高，不過(guò)所得制品孔徑較大且密度不易控制。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。得到的材料強(qiáng)度較高，氣孔率高且封閉氣孔比例較大，但是對(duì)原料要求較為嚴(yán)苛，工藝較難達(dá)到。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)。C ，保溫時(shí)間 80min，升溫速率是 176。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。 汪順才、袁榮灼 [19]等以鉛鋅礦浮選尾礦為原料，水玻璃和木質(zhì)素作為添加劑，經(jīng)造粒、干燥、焙燒、冷卻制備出用于污水處理的輕質(zhì)礦物多孔材 料，并用其對(duì)選礦廢水進(jìn)行了吸附處理實(shí)驗(yàn)研究。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%。 研究?jī)?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(wèn)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。 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。本論文的主要研究?jī)?nèi)容是： （ 1）最佳制備工藝的確定 通過(guò)優(yōu)選原料、合理配比、改善性能，確定輕質(zhì)礦物多孔材料的最佳原料配比，通過(guò)分析粘結(jié)劑及造孔劑含量、焙燒溫度及保溫時(shí)間等因素對(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，探尋輕質(zhì)礦物多孔材料的最佳制備工藝。 （ 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 。實(shí)驗(yàn)條件為 Cu 靶，電壓 40kV，電流 100mA，掃描速度為 4176?！?90176。 （ 3）熱重 差熱分析 采用美國(guó) PerkinElmer 公司生產(chǎn)的 DIAMOD 熱重 差熱聯(lián)用儀對(duì) 碳粉進(jìn)行熱重 差熱分析，用以確定造孔劑分解溫度。 表觀體積包括實(shí)體體積和閉孔體積。C 下 干燥至 恒重，其質(zhì)量為 m（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。 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(lái)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)。C 下 干燥至恒重，其干質(zhì)量為 m1（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(chēng)重，濕質(zhì)量為 m2（單位： g）。 ① 輕質(zhì)礦物多孔材料洗凈，在 干燥箱 100176。 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。 ③ 傾倒出鹽酸，反復(fù)洗滌樣品直至洗凈水為中性。C 下 干燥至恒重，其質(zhì)量為 m2（單位： g）。 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]。 實(shí)驗(yàn)裝置由反應(yīng)池、填料、曝氣盤(pán)和氣泵組成。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。 （ 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(chēng)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(kāi)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(cè)試儀測(cè)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(cè)試裝置測(cè)試反應(yīng)池中 COD 數(shù)值并計(jì)算 COD 去除率。 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。而決定材料膨脹性的主要因素是原料的種類(lèi)和用量，這對(duì)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。 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。 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。 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。 水玻璃即硅酸鈉，又稱(chēng)泡花堿，在輕質(zhì)礦物多孔材料中起粘結(jié)劑作用。 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