机械活化对石煤提钒尾渣制备地聚物性能的影响
热活化高岭土制备地质聚合物研究
２１ ０ ２年 第 ４期
Ｋ
黄 自 力 ， ： 活 化 高 岭 土 制 备 地 质 聚 合物 研 究 等 热
２３ ７
高Ｑ 岭英 石石 Ｋ 二
ｌ ０
２ ０
Ｋ ＫＫ 【 一 ＩＭ 一 ＜ ｌ
３ ０
４ ０
５ Ｏ ０ ３ ５ ０ ０ ２ ５ ０ ２ ０ ０ １５ ｏ ０ ０ ３０ ０ ０ ０ ０ １
下煅 烧 ３ ｎ 取 出坩 埚 在 室 温 下 冷 却 ， 后 将 ５ｍｉ， 然
样 品研磨 成 粉末 ， 封放 入干燥 器 。 密
地 质聚 合物 的制 备 ： 烧 样 品经 Ｆ Ｒ分析 ， 煅 ＴＩ
从 中选 出碱 ／ 配 比最佳 的样 品 ， 土 取适 量边 搅拌 边 加 入 少 量 水 ， 至 样 品变 成 均 匀 的 糊 状 物 ， 在 直 再 ４ ５℃恒温 养护 ， 后对 水化 产物 进行 表 征 。 然
皇 ！ 垒！ ！
４ ９ ４． ４ ３ ． ６ ７ ６
！
０ １ ．
！
０ ０ ． ７
！！ ！ ！ ： ！ ！
０４ ．４ １ １ ． ３
！
０ １ ． ７
！
０ ２ ． ６
！
０ ２ ． ６
收 稿 日期 ： ０ ２０ — ２ ２ １ － ２１
维 网状 结 构 ， 质 聚合 物 具 有 比普 通 硅 酸 盐 水 泥 地 更好 的使用 性能 Ｌ ］ 例 如 ： 强快硬 、 积稳 定性 ３， 早 体 好 、 化学 腐蚀 、 面结合力 强 、 耐 界 抗渗 性好 、 耐高 温 性 和 耐久性 好等 。
高岭 土是 最 早 用 于 制 备 地 质 聚合 物 的原 材 料 ， 化学 成分 主 要 为 Ａｌ 其 Ｏ。和 ＳＯ ， 于 １： ｉ 属 １ 型层 状硅 酸盐矿 物 。高岭 土在适 当温 度下 经煅 烧
机械活化对钛铁矿高温氧化过程的影响
文献报 道 了钛铁矿 高温氧化 以及机械活化 强化矿物 的高温氧 化或还 原反应 ， 而对有 机械活化 强化钛铁矿 高
温氧化 反应鲜有报 道 。 本工 作对氮气 气氛下球磨活 化钛铁矿 的高温氧 化进行研 究 ， 并分析机械活化对 高温
氧化 反应的强化作用 和对矿物 氧化过程 的影响 。
收稿 日期 ｌ２ １－９０ ：修 订 日期 ｌ２ １．１ ４ ０ １ ．２ ０ ０ １１－ ２ 作者简 介 ｌ田 文 （９ ７） １８－，女 ・硕 士研 究生ｉ李 春 （９ ５） １６．，男，教授 ，通讯联 系人 。Ｅｍａ：ｉ ｕｌｌ＠ｓｈ ｃｏｍ ． ｉ ｌｈｎａａ ｏｕ ｌ ｃ ｉｉ
第 ２ 第 ６期 ７卷
２１年 ｌ ０１ ２月
化学 反 应 工程 与 工艺
Ｃｈ ｍｉａ Ｒｅ ｃｉ ｎＥｎ ｉｅ ｒ ｇａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｅ ｃ ｌ ａ ｔ ｇ ｎ ｅ ｉ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｎ
、０ ７． ，ｌ２ ＮＯ６ Ｄ ｅ ． ０ｌ ｃ２ １
外不 同学者对氧化产 物 的物相 以及氧化和相转 变反应 发生的温度存在较 大的分歧 。 ｒｈ ｎ ｖ ｌ等 【 发现 Ｋａｋ ａａ ａ ａ Ｉ ｕ
天然钛铁矿 在 ８ ０和 ６ ０℃时的氧化产物分 别是 Ｆ ２ ３ ＴＯ 和 Ｆ ２ｉ ，以及 Ｆ ２ ３ ＴＯ２ Ｓ ｒｓ ５ ５ ｅＯ ， ｉ ２ ｅＴＯ５ ｅ０ 和 ｉ ； ｕｅｈ等【 ｌ 发现钛铁矿氧 化时生成 一种新 的物 相 Ｆ ２ ＂ＴＯ ，这种 化合物在低于 ８０ ℃ 时生成 ＴＯ 和 Ｆ ２ ，而高 ｅ０３ ｉ２ ２ ０ ｉ２ ｅ ０３
粉煤灰基地聚物的性能影响因素及其凝胶产物研究进展
system. In this paper, based on the formation and advantage of geopolymer, the advantage of fly ash was analyzed as silicaaluminum precursor. Also, the influences of activator ions, curing conditions and calcium-components were emphasized on
灰基地聚物材料的凝胶产物变化及其反应机理研究进展。 目前含钙固废作为添加物逐渐应用于改性粉煤灰基地
聚物中,因此明确凝胶产物组成和反应机理将为粉煤灰基地聚物材料性能优化提供理论指导。
关键词:粉煤灰; 地聚物; 钙组分; 养护条件; 凝胶产物; 反应机理
中图分类号:TU526
文献标志码:A
文章编号:1001-1625(2021)03-0867-10
原材料,经碱激发制备地聚物材料( CaO 质量掺量设置了 0% 、5% 、20% 和 40% ,后文所出现的掺量,均为质
量掺量;Si / Al 摩尔为 2. 0;液固比为 0. 38) ,并对凝胶产物和原材料的组成与结构进行测试,研究发现不掺
CaO,产物为地聚物( N-A-S-H) 凝胶;CaO 掺量为 5% ,产物为( N,C) -A-S-H 凝胶;CaO 掺量为 20% ,产物为
( 图 1) 。 地聚物相关文章发表数量逐年增长,其中地聚物硅铝基材主要以粉煤灰、偏高岭土、高岭土、高炉矿
渣和赤泥为主,粉煤灰和偏高岭土的研究最广泛。 2018—2020 年粉煤灰地聚物的研究论文发表量已超出偏
高岭土地聚物的一倍之多。 低钙粉煤灰地聚物的相关参考文献众多,基础理论研究成果和试验数据比较丰
石煤矿硫酸浸出提取钒的研究
石煤矿硫酸浸出提取钒的研究I. 引言A. 研究背景B. 目的和意义C. 研究现状II. 实验部分A. 材料和试剂B. 实验方法1. 石煤矿硫酸浸出提取钒过程2. 实验条件控制3. 实验结果分析III. 结果分析A. 硫酸浸出效果分析B. 钒含量分析C. 影响因素分析1. 浸出时间2. 正硫酸浓度3. 硫酸用量4. 温度IV. 讨论A. 实验部分讨论B. 可行性分析C. 推广应用前景V. 结论A. 实验结论B. 发现和启示C. 研究展望I. 引言作为一种重要的工业品，钒被广泛应用于合金、催化剂、稀土金属等领域，然而大部分钒矿石存在于煤中，利用煤矿资源进行钒的提取已经成为研究热点。
钒的提取方法种类繁多，其中石煤矿硫酸浸出提取钒是一种比较成熟和常用的方法。
本文对石煤矿硫酸浸出提取钒的研究进行探讨和总结，旨在深入了解该方法的原理和过程，以及影响因素和检测方式。
A. 研究背景石煤矿是一种含煤量较高的矿石，在中国煤炭资源储量排名靠前，而其中存储的钒矿占比较高，这为石煤矿的开发利用提供了广阔的发展空间。
目前，国内外石煤矿钒资源的开发主要通过煤普跃流化床燃烧、氧化亚铁改性等方法提取钒，但几乎所有的钒提取方法都需要在硫酸介质中进行。
硫酸浸出提取钒是一种常见的方法，其原理是利用硫酸对煤质和钒的浸出，提取出含钒的溶液，然后通过化学反应或物理方法从溶液中分离和回收钒元素。
该方法优点是浸出效果稳定、钒品位高、回收率较好、成本低，已经被广泛用于工业生产和科学研究领域。
B. 目的和意义石煤矿硫酸浸出提取钒是一种比较成熟和常用的方法，但是其效率、环保性等问题仍然需要进一步探讨和解决。
本文旨在通过对该方法的研究和分析，探讨该方法的原理和特点，找出影响因素和改善措施，以实现优化和提高提取效率，为其商业化广泛应用提供技术支持和理论基础。
C. 研究现状目前，硫酸浸出提取钒的研究已经获得了一定的进展。
国内外的学者在石煤矿硫酸浸出提取钒的过程中进行了有效的工艺改进和技术研究，例如学者王传彦等人通过进行反应条件优化，实现了硫酸浸出提取石煤矿钒的高效率、低成本和环保稳定等目标。
浅谈机械活化在湿法冶金中的应用
制 生 产 能 力 较 高
，
液 的 浓 度 ，但 过 程 中 有 时 需 多 次 进 行 固液 分
离 ，操 作 较 繁 杂
２．４ 错 流 茬 出
即 一 批 浸 ＿ 出 剂 在 浸 出 一 批 新 矿 并 进行 液 固分 离 后 ．叉 去处 理 另 一 批 新 矿 这 种 工 艺
维普资讯
３８
５～
稀 有 金 属 与 硬 质 台 金
ｌ９９３年 ９月 总 第 １１４辫
：囊 盘 ’ 砸 撤 ｌ当彳ｔ 里 主 芝莹
浅 谈 机 械 活 化 在 湿 法 冶 金 中 的应 用
中南工业大学有色冶金系 长沙 ４１ ００８３李运 姣 李洪桂 刘茂 盛 孙 培梅
．
与 苏 打 进 行 研 磨 时 ，相 当一 部 分 黑 钨 矿 与 苏 打反应 生 成Ｎａ Ｗ ０。（生产实践 中 ．物料 需加 热 至 ８ ０ｏ～ ｌ ０００℃ ，此 反 应才 能 进 行 ）；将氧 化 铜 （ｃｕｏ）粉 与金 属 镁 在 球 磨 机 中 研 磨 ３２ｈ 后 ， ＣｕＯ 基 本 被 Ｍｇ还 原 ，这 一还 原 反 应 通 常 也 需 在 高 温 下 才能 进 行 。
① 粒度变 细 ，比表面积 增大 。 ② 表面热力 学状态 发生改变 ，表面 自由 能 增 大 ，导 致 化 学 平 衡 及 相 平 衡 的 变 化 ，为 化 学反 应创造更 有利 的热 力学条件 如镍黄铁 矿 精 矿 在 电磁 磨 机 中活 化 时 ，出现 了ＮｉｓＯ． · ６Ｈ ｚＯ相 ［ ｝锐 钛 矿 在 机 械 活化 时伴 随着 物 相 的 改 变 ，先 转 变 成 板 钛 矿 ，然 后 转 变 成 金 红 石 最 后 转 变 成 金 红 石 的非 晶态 ［ 。 ③使 晶格 内产生变形 ，引起 各种 位错 和 原子缺 陷 ，并 出现 非品化现 象 ，使 物质 的能 量储 存增 加 ， 内能 增 大 ，从 而 提 高 物 质 的反 应 活 性 如 闪锌 矿 经 机 械 活 化 后 ，经 Ｘ 射 线 衍 射 分 析 查 明 ，其 晶 体 相 减少 ，而 非 晶 化 程 度 Ａ（Ａ— ｌ一 ）增 大 ：金 红石 在 机 械 活 化 作 用 下 改 变 了 其 晶格 中氧 的 平 衡 ，产 生 了 化 学 缺 陷 。 未 活 化 时 ，金 红 石 中 Ｏ／Ｔｉ（原 子 比）为 ２ ．活 化 ３０ｍｉｎ时 ，Ｏ／Ｔｉ变 成 １．９８． 而 活 化 ６０ｒａｉｎ时 ，Ｏ／Ｔｉ降 为 １．９５．其结 构 中 产 生 了 有规 则 的 拉 长 的 缺 陷 。 ④ 冲 击 的 瞬 间 ，局 部 温 度 升 高 ．反 应 速 度加 快 研 究 表 明 ” ，在 物 料 细 磨 过程 中 ， 同体 物 料 与 研 磨 体 接 触 处 可 出现 局 部 性 的 瞬 时 的温 度 和 压 力 升 高 据 估 计 ．冲击 的 瞬 间 ，接 触 处 的 温 度 可 达 ｌ０００℃ 左 右 ．压 力 １ ５ｋＰａ左 右 。如 在 球 磨 机 中 长 时 间对 黑 钨 矿
石煤钒矿粒度对酸浸提钒的影响
ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍ ＋０ ． ３ ０ ０ ｍ ｍ ｔ ｏ 一０ ． ０ ３ ８ ５ ｍｍ ．Ｔｈ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｌ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｉ ｓ ９ ３ ． ０ ４ ｗｈ ｅ ｎ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｉ ｓ
ｍ ｍ． Ｔｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｕ ｍ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｉ ｓ— — ０ ． ３ ０ ０ ＿ １ — ０ ． ０ ４ ５ ｍ ｍ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｉ ｓ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
浸 出矿浆黏度均随粒度减小而逐渐增加 ； 在 ＋０ ． ３ ０ ０ —０ ． ０ ３ ８ ５ ｍｍ 的粒 度 区 间 内 ， 随着粒度 的减小 ， 钒
浸 出率 先 增 加 后 降 低 ， 在 一０ ． ０ ７ ４ ＋０ ． ０ ４ ５ ｍｍ 时 浸 出 率 最 高 ， 达 ９ ３ ． Ｏ ４ ， 一０ ． ０ ４ ５ ｍｍ 时 ， 钒 浸 出 率 开 始 降低 。在 本试 验 条 件 下 的适 宜 粒 度 区 间为 一０ ． ３ ０ ０ ＋０ ． ０ ４ ５ ｍｍ。
ＬＩ Ｕ Ｊ ｕ ａ ｎ，Ｚ Ｈ ＡＮＧ Ｙｉ — ａｉ ｒ ｎ，ＬＩ Ｕ Ｔａ ｏ ，Ｈ ＵＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ ｇ，ＺＨ ＡＯ Ｊ ｉ ｅ ，Ｗ ＡＮＧ Ｆｅ ｉ ，
Ｗ ＡＮＧ Ｙｉ 。ＺＨＡＮＧ ＧＵ Ｏ — ｂ ｉ ｎ
（ Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｒｅ ｓ ｏ ｕｒ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ Ｅｎ ｇｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｗ ｕ ｈａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ８ １，Ｃｈｉ ｎａ ）
地质聚合物
关键词：钢渣；矿渣；地质聚合物；泛碱
ABSTRACT
In this paper, a kind of geopolymer blocks was prepared by slag,sandand steel slag as main raw materials through the compression method to molding. The geopolymer,whichcan consume a lot of waste, preparation process does not require high temperature calcination, emits virtually no CO2, is a typical green building materials. However, the most important factor of the restriction on apply of geopolymer material is efflorescence problem. Therefore, it is very crucial that we probe the measures about efflorescence suppressed of geopolymer material.
粉煤灰基地质聚合物力学性能影响因素的研究进展
灰渣-凝灰岩基地质聚合物力学性能研究
第42卷第11期2023年11月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.11November,2023灰渣-凝灰岩基地质聚合物力学性能研究吴建勋1,蒋㊀健1,杨永浩2,孔㊀宇1,詹欣源3,罗志浩2,陈㊀亮1(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司,上海㊀200063;2.重庆交通大学,土木工程学院,重庆㊀400074;3.合肥工业大学,资源与环境工程学院,合肥㊀230009)摘要:为探索生活垃圾焚烧灰渣的资源化应用前景,本文考察了生活垃圾焚烧灰渣与凝灰岩制备地质聚合物的可行性㊂本文采用单轴抗压强度试验㊁XRD㊁FTIR 和SEM 等研究灰渣掺量㊁硅钠摩尔比和碱当量对灰渣-凝灰岩基地质聚合物性能的影响㊂结果表明:养护时间对灰渣-凝灰岩基地质聚合物的物理力学性能影响较大,在最佳工艺参数(灰渣掺量为20%,硅钠摩尔比为1.7,碱当量为9%)下,灰渣-凝灰岩基地质聚合物的28d 单轴抗压强度为23.2MPa,体积密度为1.56g /cm 3㊂灰渣-凝灰岩基地质聚合物主要物相为石英㊁透长石㊁硫铝酸钙和方解石,地质聚合反应过程生成大量硅铝酸盐凝胶,导致地质聚合物微观结构呈大颗粒与小颗粒胶连状㊂灰渣-凝灰岩基地质聚合物的重金属浸出毒性满足国家规范要求㊂关键词:凝灰岩;灰渣;地质聚合物;单轴抗压强度;体积密度:微观分析中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)11-4072-10Mechanical Property of Bottom Ash-Tuff Based GeopolymerWU Jianxun 1,JIANG Jian 1,YANG Yonghao 2,KONG Yu 1,ZHAN Xinyuan 3,LUO Zhihao 2,CHEN Liang 1(1.East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of CPECC,Shanghai 200063,China;2.School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;3.School of Resources and Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract :In order to explore the resource utilization prospects of municipal solid waste incineration bottom ash,the feasibility of preparing geopolymer from waste incineration bottom ash and tuff was investigated.The effects of bottom ash content,silicon-sodium molar ratio and alkali equivalent content on the properties of bottom ash-tuff based geopolymer were studied through uniaxial compressive strength test,XRD,FTIR and SEM.Test results show that the curing time has a great influence on the physical and mechanical properties of bottom ash-stuff based geopolymer.The optimal process parameters of bottom ash-stuff based geopolymer are bottom ash content of 20%,the silicon-sodium molar ratio of 1.7and the alkali equivalent content of 8%.Bottom ash-stuff based geopolymer has a uniaxial compressive strength of 23.2MPa and bulk density of 1.56g /cm 3for curing 28d.The main phases of bottom ash-stuff based geopolymer are quartz,sanidine,yeelimite and calcite.A large number of aluminosilicate gels are generated during the geopolymerization process,resulting in the microscopic structure of bottom ash-stuff based geopolymer shows a binding structure of small and larger particles.Toxicity characteristic leaching procedure of heavy metals in bottom ash-stuff based geopolymer meets the requirements of safety and environmental protection.Key words :bottom ash;tuff;geopolymer;uniaxial compressive strength;bulk density;microscopic analysis 收稿日期:2023-07-13;修订日期:2023-08-19基金项目:重庆市教委科学技术研究项目(KJQN202100717);重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2022NSCQ-MSX0497);中电工程华东院科研项目(30-K2022-G01)作者简介:吴建勋(1990 ),男,博士,高级工程师㊂主要从事环境岩土工程方面的研究㊂E-mail:wujx3120@通信作者:杨永浩,博士,副教授㊂E-mail:yangyh@0㊀引㊀言随着城镇化的快速发展和人民生活水平的提高,城市生活垃圾逐年增加,大量堆存不仅侵占土地,还污第11期吴建勋等:灰渣-凝灰岩基地质聚合物力学性能研究4073㊀染土壤㊁水质和空气,对城市周边生态环境造成极大威胁[1]㊂城市生活垃圾的常见处理方式包括填埋㊁堆肥和焚烧[2],其中焚烧法由于处理速度快㊁占地面积小㊁选址灵活,以及不受气候影响等特点[3],成为国内生活垃圾处置的主流技术㊂但是,在垃圾焚烧过程中会产生大量的飞灰和灰渣等残渣,并且残渣中含有大量的重金属㊁溶解性盐类和二噁英等有害物质[4-5]㊂灰渣是垃圾焚烧时产生的二次污染物,约占垃圾质量的25%~30%[6]㊂经研究[7]发现,灰渣的物理性质与天然砂类似,并且化学成分与水泥熟料相似,因此,灰渣可用于各种建筑材料的辅料中,如沥青混合料[8]㊁水泥稳定碎石[9]㊁混凝土骨料[10]㊁免烧砖[11]等㊂灰渣属于低硅铝成分的固体废物,活性较低,将其用作建筑材料时需要引入来源广泛㊁活性较好的高硅铝原料㊂凝灰岩作为一种分布较为广泛㊁价格低廉的细粒火山碎屑岩,含有较多的活性硅铝成分[12],可为灰渣的资源化利用提供充足的低成本高硅铝源㊂因此,选择凝灰岩和垃圾焚烧灰渣开展协同资源化研究,既可节约建筑材料的生产成本,亦可将固体废弃物变废为宝㊂地质聚合物是经过地球化学作用或人工依照地质聚合作用形成的低碳型硅铝酸盐材料[13-14],在碱性环境下,铝硅酸盐中的共价键Si O 和Al O 断裂,与碱金属离子结合形成新的凝胶相[15],可以实现对重金属离子的物理包覆㊁晶格置换等固定作用[16]㊂地质聚合物具有强度高㊁原料来源广㊁耐久性好等优点[17],被广泛应用于耐火材料[18]㊁土工快速修补[19]㊁灌浆材料[20]㊁核废料固封[21]等工程领域㊂国内外学者对地质聚合物的制备和应用展开了探索:Samuel 等[22]详细阐述了地质聚合过程;冯凯等[23]研究了在酸激发作用下,在偏高岭土中掺入锌渣的地质聚合物的制备和催化性能;苏丽娟等[24]制备了煤矸石基发泡地质聚合物,并对其力学性能展开试验研究;孙朋等[25]将电解锰渣和粉煤灰混合后制备碱性体系的地质聚合物,并研究了地质聚合物的矿物组成和微观性质㊂目前,对采用凝灰岩和垃圾焚烧灰渣为原料制备地质聚合物及其重金属浸出风险的研究鲜见报道㊂本文以凝灰岩和垃圾焚烧灰渣为原料制备碱性环境下的地质聚合物,研究灰渣掺量㊁硅钠摩尔比和碱当量对地质聚合物抗压强度和体积密度的影响,并通过XRD㊁FTIR 和SEM 等分析各因素对地质聚合物微观性质和化学成分的影响,揭示灰渣-凝灰岩基地质聚合物反应机制㊂此外,针对优化后的材料配比,制备试验样品进行重金属浸出物测试分析㊂该研究可为凝灰岩和垃圾焚烧灰渣的资源化利用提供新的途径㊂1㊀实㊀验1.1㊀试验材料图1㊀灰渣和凝灰岩的XRD 谱Fig.1㊀XRD patterns of bottom ash and tuff 灰渣来自杭州市生活垃圾焚烧发电厂,灰渣去除杂物后,经烘干㊁碾压㊁破碎后,过100目(150μm)筛㊂试验用凝灰岩经碾压破碎后,烘干过100目筛㊂灰渣和凝灰岩的XRD 谱如图1所示㊂从图1中可以看出,凝灰岩中石英晶体的衍射峰强度较灰渣高㊂采用XRF 试验测得灰渣和凝灰岩主要化学组成,如表1所示,凝灰岩中的硅氧化物和铝氧化物含量均高于灰渣㊂灰渣和凝灰岩的微观结构如图2所示㊂从图2中可以看出,与凝灰岩相比,灰渣更碎散,且以片状的细小颗粒为主,凝灰岩多以大颗粒为主,颗粒间相对分散㊂试验采用氢氧化钠(NaOH)和水玻璃(Na 2SiO 3)作为制备地质聚合物的碱激发剂㊂表1㊀灰渣和凝灰岩的主要化学组成Table 1㊀Main chemcial composition of bottom ash and tuffMaterialMass fraction /%SiO 2Al 2O 3K 2O CaO Fe 2O 3Na 2O MgO TiO 2SO 3P 2O 5Cl -Bottom ash 23.89 5.82 1.7636.899.71 2.52 3.21 1.44 6.92 3.25 2.04Tuff 67.3612.588.88 6.75 1.86 1.450.530.260.040.034074㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图2㊀灰渣和凝灰岩的SEM照片Fig.2㊀SEM images of bottom ash and tuff1.2㊀试验方案称取定量的灰渣和凝灰岩粉末,进行预混合均匀后,按照表2的试验方案将定量的碱激发剂(氢氧化钠与水玻璃)掺入灰渣和凝灰岩混合料中,将混合后的材料用电动搅拌机搅拌均匀后倒模㊂然后采用振动台将倒模试样进行振动,最后将试样放入60ħ养护箱中,养护24h后脱模㊂之后,在室温下进行养护,养护时间分别为3㊁7㊁14和28d㊂养护结束后,进行单轴抗压强度试验,并测试试样的体积密度㊂表2㊀试验方案Table2㊀Test schemeGroup Bottom ash content/%Silicon-sodium molar ratio Alkali equivalent content/%10,5,20,30,40,100 1.88220 1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.08320 1.75,6,7,8,9,10㊀㊀注:每组试验的所有试样均进行3㊁7㊁14㊁28d下的单轴抗压强度试验和体积密度试验;%,质量分数㊂1.3㊀材料表征方法单轴抗压强度测试设备为YAW-600D微机控制岩石单轴压力试验机,矿物物相组成采用X射线衍射仪(XRD,Empyrean)测定,采用铜靶,测试电压为40kV,电流为100mA,以0.2(ʎ)/s的速度对试样从10ʎ扫到80ʎ㊂FTIR测试采用Nicolet iS5傅里叶转换红外光谱分析仪,采用KBr压片法,扫描范围为400~4000cm-1,扫描分辨率为0.8cm-1㊂微观形态特征运用场发射扫描电子显微镜(SEM,JTM4000Plus,Japan)表征,试样干燥处理后进行喷金预处理,并于真空条件下进行测试㊂2㊀结果与讨论2.1㊀垃圾焚烧灰渣掺量对灰渣-凝灰岩基地质聚合物性能的影响垃圾焚烧灰渣掺量及养护时间对灰渣-凝灰岩基地质聚合物的性能有显著的影响,不同灰渣掺量灰渣-凝灰岩基地质聚合物的抗压强度和体积密度如图3所示㊂地质聚合物在养护28d后抗压强度最大,说明随着养护时间的增加,地质聚合反应使更多的铝硅酸盐凝胶生成[22]㊂从图3中可以看出,试样的3d单轴抗压强度随灰渣掺量的增大而先增大后减小,出现明显的早强现象㊂此外,随着灰渣掺量的增加,试样的28d单轴抗压强度和体积密度不断减小,这是由于灰渣中含有大量的轻质铝,试样内部孔隙结构随着灰渣掺量的增加而不断增大[26],同时地质聚合反应产生的水随时间蒸发,从而使试样内部产生大量孔隙㊂与高掺量的地质聚合物相比,当灰渣掺量小于20%时,养护时间对地质聚合物单轴抗压强度的影响更大,其具有较好的后期强度㊂随着灰渣掺量进一步加大,养护时间对地质聚合物强度的影响更小㊂此外,地质聚合物的强度与其体积密度呈负相关,主要是因为随着养护时间的增加,地质聚合物发生脱水硬化反应,生成更多的铝硅酸盐凝胶,呈现出强度高㊁密度轻的趋势㊂当灰渣掺量为20%~40%时,灰渣-凝灰岩基地质聚合物养护3d时的单轴抗压强度较高,并且灰渣掺量为20%,养护时间为28d时,地质聚合物的单轴抗压强度可达20.7MPa,体积密度为1.54g/cm3㊂综合㊀第11期吴建勋等:灰渣-凝灰岩基地质聚合物力学性能研究4075考虑灰渣的资源化率㊁试样的力学性能,在后续研究中灰渣掺量设置为20%㊂图3㊀不同灰渣掺量灰渣-凝灰岩基地质聚合物的抗压强度和体积密度Fig.3㊀Compressive strength and bulk density of bottom ash-tuff based geopolymer with different bottom ash content2.2㊀硅钠摩尔比对灰渣-凝灰岩基地质聚合物性能的影响不同硅钠摩尔比灰渣-凝灰岩基地质聚合物的抗压强度和体积密度如图4所示㊂由图4(a)可知,试样单轴抗压强度随着养护时间的增加不断增大,随着硅钠摩尔比的增加呈先增大后减小的变化规律㊂当硅钠摩尔比为1.8时,地质聚合物的抗压强度最大,达20.7MPa㊂这是因为随着硅钠摩尔比的升高,地质聚合物具有更多的有效硅源,更容易生成大量的铝硅酸盐凝胶,但当硅钠摩尔比进一步提高,最终的凝胶产物中硅钠摩尔比超过3时,灰渣-凝灰岩反应的碱性降低,造成地质聚合物内部结构混乱,从而引起强度降低[27]㊂值得注意的是,硅钠摩尔比对试样的体积密度影响不显著(见图4(b))㊂地质聚合物体积密度随着养护时间的增大不断减小,试样逐渐发生脱水硬化反应,生成大量的铝硅酸盐凝胶[28]㊂当硅钠摩尔比为1.7,地质聚合物养护时间为28d时,试样单轴抗压强度可达19.9MPa,体积密度为1.54g/cm3㊂硅钠摩尔比的增大导致地质聚合物的制备成本升高,而当硅钠摩尔比为1.7和1.8时,其抗压强度相差不显著,因此选择硅钠摩尔比为1.7进行后续试验㊂图4㊀不同硅钠摩尔比灰渣-凝灰岩基地质聚合物的抗压强度和体积密度Fig.4㊀Compressive strength and bulk density of bottom ash-tuff based geopolymer with different silicon-sodium molar ratios 2.3㊀碱当量对灰渣-凝灰岩基地质聚合物性能影响不同碱当量灰渣-凝灰岩基地质聚合物的抗压强度和体积密度如图5所示㊂地质聚合物的强度随着碱当量的升高而增大,但是当碱当量达到9%之后,提高碱当量对地质聚合物抗压强度增加不明显,这是由于原料中的硅铝量一定,使得所生成的大量铝氧和硅氧四面单体保持一定的丰度,以致于后续生成的铝硅酸盐凝胶保持一定[24]㊂当碱当量为9%时,其养护28d后单轴抗压强度可达23.2MPa㊂从图5(b)可以看出,地质聚合物的体积密度随碱当量的升高而升高,与抗压强度随碱当量的趋势一致㊂当碱当量为9%时,试样养4076㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷护28d后的体积密度为1.56g/cm3㊂图5㊀不同碱当量灰渣-凝灰岩基地质聚合物的抗压强度和体积密度Fig.5㊀Compressive strength and bulk density of bottom ash-tuff based geopolymer with different alkali equivalent content 2.4㊀微观性能分析2.4.1㊀XRD分析为了进一步揭示灰渣掺量㊁硅钠摩尔比㊁碱当量对灰渣-凝灰岩基地质聚合物抗压强度的影响,对地质聚合物试样进行了物相分析,灰渣-凝灰岩基地质聚合物XRD谱如图6所示㊂地质聚合物主要物相组成包含石英㊁透长石㊁硫铝酸钙和方解石㊂灰渣含有石英㊁方解石和半水石膏,凝灰岩含有石英㊁正长石和钙长石,因此,在地质聚合反应过程中产生了新矿物相硫铝酸钙㊂如图6(a)所示,随着灰渣掺量升高,地质聚合物的各个物相含量不断降低,这是因为铝硅酸盐凝胶属于无定形相㊂硫铝酸钙的生成可以提高地质聚合物的抗压强度,这与图3(a)分析一致㊂当灰渣掺量为100%时,即地质聚合物全部由灰渣组成,石英㊁硫铝酸钙的衍射峰强度最弱,因此试样抗压强度低㊂由图6(b)可以看出,当硅钠摩尔比为1.7时,石英含量最大,这是由于二氧化硅的引入引起了地质聚合物的石英含量升高㊂在地质聚合物反应过程中多余的石英可以作为填充物,从而提高地质聚合物的抗压强度㊂当硅钠摩尔比为1.9和2.0时,大量的游离硅源单体影响铝硅酸盐凝胶的胶连度[29]㊂碱当量的升高可以降低石英的含量(见图6(c)),这说明更多的石英参与地质聚合物反应,从而生成具有一定强度的水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶,有利于提高地质聚合物的强度[30]㊂图6㊀灰渣-凝灰岩基地质聚合物XRD谱Fig.6㊀XRD patterns of bottom ash-tuff based geopolymer2.4.2㊀FT-IR分析灰渣-凝灰岩基地质聚合物中的凝胶采用FT-IR进行表征,可以反映出原料在生成地质聚合物时官能团的变化,且峰值强度的变化代表原有材料中官能团结构的破坏与新物质的生成,灰渣-凝灰岩基地质聚合物FT-IR谱如图7所示㊂位于3000~3750cm-1高频区的峰为OH-的伸缩振动特征峰[25],1640cm-1中频区㊀第11期吴建勋等:灰渣-凝灰岩基地质聚合物力学性能研究4077的峰为O H的弯曲振动峰[26],1070cm-1左右为Si O T(T=Si或Al)的不对称特征峰[27],位于400~ 600cm-1低频区的峰为T O的弯曲振动峰[28]㊂如图7(a)所示,3461㊁3449㊁1649和1638cm-1处为OH-的振动峰,主要为地质聚合物中水化产物结晶水的振动峰㊂灰渣的掺入使官能团吸收峰发生位移和收缩,影响了地质聚合物水化产物凝胶的形成㊂1038cm-1处为Si O T的特征峰,该处峰的变窄并缩小说明有部分Si O T键被破坏与新的Si O短键形成,400~600cm-1低频区的峰为T O特征峰,该处峰值的变化说明有新的硅铝氧化物生成㊂当灰渣掺量为20%时,各官能团的振动峰强度降低或有位移发生,说明在地质聚合物形成过程中,灰渣中的部分物质与凝灰岩的组成物质发生反应,这部分反应有利于地质聚合物的生成㊂从图7(b)中可以看出,与灰渣掺量的影响相比,硅钠摩尔比对地质聚合物组成的影响不明显,当硅钠摩尔比为1.7时,发生了Si O T峰的后移,说明凝胶中硅钠摩尔比值升高有利于地质聚合物抗压强度的发展,同时透射率存在轻微降低,意味着有更多的铝硅酸盐凝胶生成[31]㊂从图7(c)中可以看出,碱当量对地质聚合物的化学官能团的形成影响较大,当碱当量为9%时,各区段上官能团的吸收峰变化明显,说明在碱性环境下,用于生成地质聚合物的各官能团拆解及重新生成新的化学基团的化学反应强烈,其中相比于碱当量为5%的地质聚合物,碱当量的提高导致CO2-3的振动峰(1452.02和874.43cm-1)消失,这说明更多的碱激发剂能够促进地质聚合物反应㊂图7㊀灰渣-凝灰岩基地质聚合物FT-IR谱Fig.7㊀FT-IR spectra of bottom ash-tuff based geopolymer2.4.3㊀SEM分析灰渣掺入量㊁硅钠摩尔比和碱当量对灰渣-凝灰岩基地质聚合物微观结构的影响如图8~图10所示㊂图8为不同灰渣掺量灰渣-凝灰岩基地质聚合物的SEM照片㊂当灰渣掺入量为20%时,形成的地质聚合物大颗粒表面附着有细小颗粒,孔隙逐渐被灰渣的细小颗粒填充㊂当灰渣掺入量为100%时,形成的地质聚合物孔隙大量减少,颗粒更加密实,并伴有大量针状颗粒生成,灰渣颗粒多呈片状,导致地质聚合物的细小颗粒排列具有一定的方向性㊂图9为不同硅钠摩尔比灰渣-凝灰岩基地质聚合物的SEM照片㊂从图9中可以看出,大量的细小结晶体覆盖在大块颗粒物上,意味着大小颗粒相互胶连在一起㊂当硅钠摩尔比为1.7时,表观形貌呈现出大颗粒与小颗粒相互堆积㊂随着硅钠摩尔比的继续增加,细小结晶体将大颗粒连接成整体㊂图10为不同碱当量(5%㊁7%和9%)灰渣-凝灰岩基地质聚合物的形貌结构㊂在碱性环境下,大量灰渣-凝灰岩硅铝成分发生溶解再聚形成铝硅酸盐凝胶,随着碱当量由5%增加到9%,地质聚合物微观形貌呈现出大块颗粒并逐渐增多,同时生成大量的铝硅酸盐凝胶㊂当碱当量为5%和7%时,其微观形貌表现出颗粒的堆积,这是由于低碱环境下凝胶生成量较少,不足以胶结大部分灰渣-凝灰岩中未反应的部分,而碱当量为9%的地质聚合物微观形貌呈大块颗粒聚集,且有大量的类沸石相(铝硅酸盐凝胶)生成[26]㊂因此,随着碱当量的增加,生成更多的地质聚合物凝胶,密实的凝胶相附着在颗粒表面,导致地质聚合物的抗压强度增加㊂4078㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图8㊀不同灰渣掺量灰渣-凝灰岩基地质聚合物的SEM照片Fig.8㊀SEM images of bottom ash-tuff based geopolymer with different bottom ash content图9㊀不同硅钠摩尔比灰渣-凝灰岩基地质聚合物的SEM照片Fig.9㊀SEM images of bottom ash-tuff based geopolymer with different silicon-sodium molar ratios2.4.4㊀反应机制灰渣的主要物相组成为石英㊁方解石和半水石膏,凝灰岩主要含有石英㊁正长石和钙长石㊂在碱性激发剂的作用下,原材料中部分硅铝酸盐颗粒溶解成铝氧和硅氧四面单体,最终形成水化硅铝酸钠凝胶(N-A-S-H)和水化硅铝酸钙凝胶(C-A-S-H),有利于提高灰渣-凝灰岩基地质聚合物的抗压强度㊂在原料反应过程中会形成大量的硅酸盐㊁铝酸盐㊁硅铝酸盐,随之产生大量的SiO4和AlO4四面体铝硅酸盐凝胶,在反应过程中溶出的铝氧单体与溶出的硅氧单体或碱激发剂中的硅氧单体聚合生成铝硅酸盐聚合物,因此一些阳离子如㊀第11期吴建勋等:灰渣-凝灰岩基地质聚合物力学性能研究4079 Na+㊁Ca2+等必须用来填充以平衡电荷,保持铝硅酸盐凝胶的电中性,在重组和缩聚之后,随着反应的进行,凝胶网络的连通性增加,形成了地质聚合物,通过共享所有氧原子,SiO4和AlO4四面体的三维网络交替连接㊂该过程中的反应方程式如式(1)~(4)所示[27-28]㊂SiO2+2NaOHң[SiO3]2-+2Na++H2O(1)Al2O3+2NaOH+3H2Oң2Al(OH)-4+2Na+(2)Al2O3+2NaOHң2AlO-2+2Na++H2O(3) x[SiO3]2-+y[AlO4]-+n Na2++w OH-ңNa n[(SiO2)x(AlO2)y]+w H2O(4)图10㊀不同碱当量灰渣-凝灰岩基地质聚合物的SEM照片Fig.10㊀SEM images of bottom ash-tuff based geopolymer with different alkali equivalent content2.5㊀试样重金属浸出毒性监测灰渣作为生活垃圾焚烧残渣,含有一定浓度的重金属,因此需要关注原料及灰渣-凝灰岩基地质聚合物中重金属的浸出行为㊂采用‘固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法“(HJ557 2010)对原料及地质聚合物进行浸出,结果如表3所示㊂由表3可知,灰渣中铬的浸出浓度最高,达0.525mg/L,凝灰岩重金属浸出浓度低,地质聚合物的重金属浸出率明显低于灰渣的浸出率,说明地质聚合物对重金属具有固化/稳定化的效果,同时与‘污水综合排放标准“(GB8978 1996)的排放限制比较,该试样远远低于其排放限值,表明灰渣-凝灰岩基地质聚合物属于绿色建材,满足国家环保要求㊂表3㊀灰渣-凝灰岩基地质聚合物的重金属监测结果Table3㊀Heavy metal monitoring results of bottom ash-tuff based geopolymerSample Heavy metal content/(mg㊃L-1)Cr Ni Zn Cd Pb Bottom ash0.5250.0110.0160.0010.001Tuff 0.0030.020 0.001Geopolymer0.0360.0070.0350.0010.003 GB8978 1996 1.5 1.0 5.00.1 1.03㊀结㊀论1)养护时间对灰渣-凝灰岩基地质聚合物的物理力学性能影响较大,养护时间越久,地质聚合物抗压强4080㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷度越高,随着碱当量的提升,其抗压强度越高,但是灰渣的掺入会影响地质聚合物的强度㊂2)综合考虑灰渣-凝灰岩基地质聚合物的性能及灰渣的掺量,以灰渣掺量为20%㊁硅钠摩尔比为1.7㊁碱当量为9%所制备的地质聚合物性能最佳,其28d抗压强度能够达到23.2MPa㊂3)灰渣-凝灰岩基地质聚合物主要物相为石英㊁透长石㊁硫铝酸钙和方解石㊂碱当量的提升可以明显消耗石英,生成更多的铝硅酸盐凝胶,导致地质聚合物微观结构呈大颗粒与小颗粒胶连状㊂地质聚合反应中以共价键Si O和Al O的断裂和铝硅酸盐凝胶生成为主,灰渣的掺入有利于地质聚合反应的进行,硅钠摩尔比对地质聚合物的官能团的生成影响较小,而碱当量对地质聚合物的化学官能团的形成影响较大㊂4)灰渣-凝灰岩基地质聚合物的重金属浸出毒性结果显示,地质聚合物的重金属浸出毒性满足国家规范要求,地质聚合物在满足适当经济性的同时兼具良好的物理力学性能,是良好的地质聚合物类产品㊂参考文献[1]㊀张㊀清.垃圾焚烧飞灰预处理以作为烧制水泥原料的研究[M].上海:同济大学,2008.ZHANG Q.Study on the pretreatment of waste incineration fly ash as raw material for burning cement[M].Shanghai:Tongji University,2008 (in Chinese).[2]㊀ZHANG Z G,YANG F,LIU J C,et al.Eco-friendly high strength,high ductility engineered cementitious composites(ECC)with substitutionof fly ash by rice husk ash[J].Cement and Concrete Research,2020,137:106200.[3]㊀武博然,王冬扬,柴晓利.生活垃圾焚烧飞灰生物脱氯机制研究[J].中国环境科学,2015,35(8):2470-2476.WU B R,WANG D Y,CHAI X L.Dechlorination mechanism of municipal solid wastes incineration fly ash by biological process[J].China Environmental Science,2015,35(8):2470-2476(in Chinese).[4]㊀何品晶,曹群科,冯军会,等.生活垃圾焚烧副产物产生源特征[J].环境工程,2005,23(4):56-60+4.HE P J,CAO Q K,FENG J H,et al.Characteristics of by-products from municipal solid waste incinerator[J].Environmental Engineering, 2005,23(4):56-60+4(in Chinese).[5]㊀WANG P,HU Y A,CHENG H F.Municipal solid waste(MSW)incineration fly ash as an important source of heavy metal pollution inChina[J].Environmental Pollution,2019,252:461-475.[6]㊀CHANGHO C,SOOKOO parative study for the stabilization of heavy metals in the solid waste incineration ashes[J].Proceeding ofICIPEC,2002,9:421-429.[7]㊀石东升,黄㊀元,刘思洁,等.生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土孔隙结构与力学性能关系的研究[J].混凝土,2022(2):162-166.SHI D S,HUANG Y,LIU S J,et al.Study on the relationship between pore structure and mechanical properties of waste incineration cinder sand concrete[J].Concrete,2022(2):162-166(in Chinese).[8]㊀易守春,高彥芝.生活垃圾焚烧灰渣在沥青混合料中的应用[J].公路与汽运,2009(3):76-79.YI S C,GAO Y Z.Application of MSW incineration ash in asphalt mixture[J].Highways&Automotive Applications,2009(3):76-79(in Chinese).[9]㊀郭东浩,解建光,曹兴国.水泥稳定灰渣碎石的制备及路用性能初探[J].华东交通大学学报,2010,27(2):13-17.GUO D H,XIE J G,CAO X G.Preparation and pavement performance of cement stabilized combustion residues-macadam[J].Journal of East China Jiaotong University,2010,27(2):13-17(in Chinese).[10]㊀姜文超.生活垃圾焚烧灰渣细骨料混凝土冻融及自愈试验[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2021.JIANG W C.Freeze-thaw and self-healing test of fine aggregate concrete with municipal solid waste incineration ash[D].Hohhot:Inner Mongolia University of Tehchnology,2021(in Chinese).[11]㊀陶㊀毅,张海镇,史庆轩,等.生活垃圾焚烧灰渣原始集料制备免烧免压砖试验研究[J].新型建筑材料,2016,43(11):34-38.TAO Y,ZHANG H Z,SHI Q X,et al.Experimental study on the behavior of unfired and free-pressure brick made from raw household waste slag[J].New Building Materials,2016,43(11):34-38(in Chinese).[12]㊀木士春.凝灰岩开发利用初步研究[J].非金属矿,2000,23(2):18-20+34.MU S C.Preliminary study on development and utilization of tuff[J].Non-Metallic Mines,2000,23(2):18-20+34(in Chinese). [13]㊀NATH P,SARKER P K.Effect of GGBFS on setting,workability and early strength properties of fly ash geopolymer concrete cured in ambientcondition[J].Construction and Building Materials,2014,66:163-171.[14]㊀邓兆祥,王晓伟,贾铭椿.地质聚合物固化重金属研究进展[J].现代化工,2021,41(11):77-81.DENG Z X,WANG X W,JIA M C.Research progress in immobilization of heavy metals by geopolymer[J].Modern Chemical Industry,2021, 41(11):77-81(in Chinese).[15]㊀SINGH S,ASWATH M U,RANGANATH R V.Effect of mechanical activation of red mud on the strength of geopolymer binder[J].Constructionand Building Materials,2018,177:91-101.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
机械活化对石煤提钒尾渣制备地聚物性能的影响 魏博;张一敏;包申旭 【摘 要】以石煤提钒尾渣为主要原料制备地聚物,不仅能减轻尾渣堆积造成的环境污染,还可以实现尾渣的二次利用,且与传统地聚物制备工艺相比,能耗大幅降低.对湖北某石煤提钒尾渣进行机械活化后制备地聚物试验,结果表明:随着尾渣粒度的减小,尾渣比表面积增大,尾渣中活性硅+铝浸出浓度提高;随着尾渣活化时间的延长,所制备的地聚物抗压强度逐渐提高;降低尾渣的粒径,有利于提高地聚物的物理性能和改善地聚物的微观结构;当尾渣与偏高岭土的质量比为7:3,NaOH和Na2 SiO3的掺量均为13%、胶砂比为1:1、液固比为0.15时,尾渣活化420 s所制备的地聚物28 d抗压强度达到25 MPa.试验结果为以石煤提钒尾渣为原料绿色高效制备地聚物提供了依据.%Using vanadium tailings as main raw material to prepare geopolymer can not only reduce environmental pollu-tion caused by tailings accumulation,but also realize the secondary utilization of tailings,and compared with traditionally poly-mer preparation process,energy consumption greatly reduced. Geopolymer was prepared using activated vanadium tailings from Hubei as raw material. Results show that with decrease of the tailings particle size,tailings surface area gradually higher,activa-ted silica + aluminium in tailings leaching concentration increased;As the extension of tailings activation time, compressive strength of geopolymer prepared increased gradually;Reduce the size of tailings is beneficial for improve the physical properties and micro structure of geopolymer. When quality ratio of silicon aluminum tail slag and metakaolin in raw material is 7 : 3, NaOH and Na2 SiO3 content are both 13%,plastic sand ratio of 1 : 1,liquid-solid ratio of 0. 15,tailings activation time of 420 s,28 d compressive strength of geopolymer prepared can reach 25 MPa. Test results provide basis for green,high efficient prep-aration of geopolymer using stone coal tailings of vanadium extraction as raw material.
【期刊名称】《金属矿山》 【年(卷),期】2017(000)004 【总页数】5页(P191-195) 【关键词】石煤提钒尾渣;机械活化;地聚物;抗压强度 【作 者】魏博;张一敏;包申旭 【作者单位】武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉430070;武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉430070;武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉430081;矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉430070;武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉430070;武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉430081;矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉430070
【正文语种】中 文 【中图分类】TD926.4 目前，硅酸盐水泥是世界上应用最为广泛的建筑材料，生产硅酸盐水泥的过程中不仅会消耗大量的能源，而且会产生大量的CO2及粉尘，造成严重的环境污染。为缓解水泥工业带来的环境污染和能源消耗问题，需寻找一种环保、低能耗的新型建筑材料。地聚物(又称碱激发胶凝材料)是铝硅酸盐原料经碱激发后形成的一种胶凝材料，因其制备工艺简单，环境友好，且性能优良而有望成为取代硅酸盐水泥的新型建筑材料。 传统的制备地聚物的原料为具有较高反应活性的偏高岭土。随着研究的深入，研究者发现，许多Si、Al含量较高的低活性工业废渣经处理后也可以作为制备地聚物的原料。李义凯等[1]以济南钢铁集团生产的钢渣为主要原料制备地聚物胶凝材料，研究了复合碱激发剂对地聚物胶凝材料性能的影响；A.Fernández Jiménez对西班牙某F型粉煤灰的胶凝反应活性研究证明，粉煤灰经碱激发后能够发生聚合反应，活性硅、铝含量是影响粉煤灰反应活性的主要因素[2]。石煤提钒尾渣的主要化学组分为SiO2和Al2O3，因此石煤提钒尾渣具有制备地聚物的可行性。利用石煤提钒尾渣制备地聚物不仅能减轻尾矿堆积造成的环境污染，还可以实现资源的二次利用。但尾渣活性较低，需要对尾渣进行活化预处理[3]。以往的研究中通过向尾渣中加入NaOH进行煅烧或加入Ca(OH)2+Na2SO4复合活化剂煅烧的方式对石煤提钒尾渣进行活化，尾渣经预处理后活性得到提高，但这些方法存在药剂消耗量大、煅烧污染环境等问题[4-5]，因此寻找一种环保、低耗的活化方法对降低尾矿预处理成本和环境污染具有重要意义。本研究采用振动研磨机对石煤提钒尾渣进行机械活化，通过粒度分析、比表面积测试、ICP、XRD和FTIR分析表征机械活化对尾渣特性的影响，揭示相关活化机理。 试验原料为湖北某石煤提钒尾渣，尾渣铝含量较低，导致硅铝比较高，这将对地聚物的微观结构和性能产生负面影响，因而需要向尾渣中添加铝质校正料，以调整原料的硅铝比至合适的范围，本研究选取偏高岭土作为铝质校正料，尾渣与偏高岭土化学成分分析结果见表1。由表1可知，尾渣中主要的化学组成为SiO2和Al2O3。标准砂采用GB/T17671—1999 ISO标准砂。 2.1 地聚物制备 采用HL XEM-100快速振动研磨机对尾渣进行活化，每次取尾渣100 g，粉磨至预设时间，将粉磨后尾渣与偏高岭土按质量比为7∶3混合，在NaOH和Na2SiO3的掺量均为13%(以占尾渣与偏高岭土总质量的百分比计)、胶砂比为1∶1、液固比为0.15条件下，将物料混合均匀后倒入φ25 mm×50 mm的钢制模具中，在8 MPa压力下压制成型，然后将试样置于恒温恒湿水泥标准养护箱中养护至规定期龄，测试试样性能。 2.2 尾渣中活性硅铝含量测定 尾渣中活性硅铝含量测定采用碱溶浸出方法。首先，将尾渣加入到40 mL浓度为5 mol/L的NaOH溶液中，在室温下经磁力搅拌混合2 h后过滤，然后向滤液中加入10 mL质量分数为37%的盐酸并搅拌30 min，通过ICP-OES测定溶液中的Si、Al元素含量。 2.3 分析与检测 采用BT-9300H型激光粒度分析仪对尾渣进行粒度分析，采用F-sorb3400型比表面积及孔径分析仪对尾渣比表面积进行测试，采用美国利曼等离子发射光谱仪对活性硅+铝浸出浓度进行测试，采用RIGAKU D/MX-IIIa型X射线粉末衍射仪对尾渣的微观结构和地聚物的矿物组成进行分析，采用Nexus智能型傅里叶变换红外光谱仪对尾渣进行微观结构分析，采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜对地聚物进行微观形貌分析。 3.1 机械活化对尾渣粒度分布及比表面积的影响 表2所示为尾渣粒度分布和比表面积随活化时间的变化趋势。 由表2可知：随着活化时间的增加，尾渣中细粒级含量和比表面积逐渐增加；在活化10 s时，尾渣的粒径减小幅度最大，d50由16.39 μm减小到11.33 μm，降低了30.87%，d90由61.56 μm减小到38.11 μm，降低了38%；活化时间达到30 s后，-20 μm含量达到80%以上，此后再延长活化时间，尾渣粒径分布变化不大。 3.2 机械活化对尾渣微观结构的影响 图1分别为原尾渣、活化120 s尾渣和活化420 s尾渣的XRD分析结果。 由图1可知：石煤提钒尾渣的主要矿物组成为石英、长石、赤铁矿和石膏；尾渣在活化120 s后，石膏的衍射峰消失，石英、长石和赤铁矿的衍射峰依然存在，与未活化的尾渣相比，衍射峰强度几乎没有变化；活化420 s后，石英和长石的衍射峰值均小幅下降，这是由于在机械活化过程中，矿物的晶体结构遭到破坏，结晶粒度减小，从而导致衍射峰强度下降[6]，但尾渣非晶化现象不显著。 图2为原尾渣、活化120 s尾渣和活化420 s尾渣的红外图谱。 由图2可知：尾渣经活化后，红外图谱未发生明显变化，669 cm-1附近及777～797 cm-1附近的Si—O—Si的对称伸缩振动吸收峰逐渐变得尖锐，这是由于随着活化时间的延长，颗粒粒度变细，活性增加，振动能提高，吸收峰增强[7]。因此，采用振磨对尾渣进行机械活化，并不会对尾渣的微观结构产生较大影响。 3.3 机械活化对尾渣硅铝活性的影响 在生成地聚物的反应中，尾渣的化学活性是指尾渣中部分可溶性的硅、铝与其他物质发生反应的能力，这是聚合反应的基础[8]。通过碱溶浸出试验将尾渣中的活性硅、铝溶出，并通过ICP-OES测定硅铝含量，结果见图3。 由图3可知：随着活化时间的延长，活性硅、铝浸出浓度逐渐增加，但提高幅度逐渐变小；活化420 s后，活性硅、铝浸出浓度仅从216.25 mg/L提高到365.5 mg/L。因此，机械活化对石英等结晶态矿物的结构破坏程度较低，矿物非晶化现象不显著，这与XRD分析结果一致。 3.4 机械活化对地聚物抗压强度的影响 对不同活化时间的尾渣制备的地聚物试样进行抗压强度测试，结果如图4。 由图4可知，随着活化时间的增加，地聚物试样在标准养护3 d和28 d后的抗压强度均逐渐增大。这主要是因为尾渣经过活化后，粒度分布得到优化。尾渣的粒度