固体本科实验讲义.doc

实验一 样品的制备一、试验目的： 学会取样、制样及均匀地分制样品二、分析样品的制备采集的原始平均样品的量一般很大(数千克至数十千克)，要将它处理成200500 g左右的分析样品，一般可分为如下步骤：破碎、过筛、混匀和缩分。1.破碎：用机械或人工的方法把样品逐步破碎，一般分为粗碎、中碎和细碎等阶段。粗碎：用颚式破碎机把取来的样品粉碎至8mm左右。中碎：用盘式碎样机把粗碎后的样品磨碎至能通过约1020目筛。细碎：用电磁粉碎制样机进一步磨碎，必要时再用研钵研磨，直至样品全部通过所要的筛孔为止(通常为l00200目筛)。2.缩分 样品每经过一次破碎后，使用机械或人工的方法取出一部分有代表性的样品，再进行下一步处理，这样就可以将样品量逐渐缩小，这个过程称为缩分。图1常用的缩分法是四分法。如图1所示。这种方法是将已破碎的样品充分混匀，堆成圆锥形，然后将它压成圆饼，再通过中心将其切为四等份，弃去任意对角的两份。缩分后再过筛，将大于筛号者再研磨，直至全部过筛。缩分的次数不是随意的，每次缩分时，样品的粒度与保留的样品量之间，都应符合取样量公式。否则就进一步破碎后才能缩分。分样筛一般用钢合金丝制成，有一定的孔径，用筛号(又称网目)表示。各种筛号规格可参考分析化学。三、采取与制备样品应注意的事项1. 采取与制备样品的现场和工具、设备必须干燥清洁，无油污和其它杂物，以确保样品的纯净。2. 在过筛时凡未通过筛孔的颗粒，绝不能丢弃，必须反复破碎或研磨，直至全部过筛不留筛余物，以保证所制得的样品能真实地反映被测物料的平均组成。3. 制备好的样品应立即装袋或置于样品瓶中，按要求编号，干燥避光保存。四、制样工具制样工具包括10060型颚式破碎机，RT-34桌上型连续投料粉碎机，DF-4型电磁制样粉碎机，搪瓷盘，标准套筛，采样铲，缩分板，毛刷，100ml烧杯，500ml大口试剂瓶，125ml大口试剂瓶，塑料药勺，电子天平（DJ2000A+）等。五、制样程序1. 粉碎 称取煤矸石500g左右，通过颚式破碎机将样品粗碎，进料尺寸为45mm，出料尺寸为8mm；再用桌上型连续投料粉碎机将样品全部进一步细碎。 2. 缩分采用四分法进行缩分。将粉碎的样品于清洁、平整不吸水的板面上堆成圆锥型，每铲物料自圆锥顶端落下，使均匀地沿锥尖散落，不可使圆锥中心错位。反复转堆，至少三周，使其充分混合。然后将圆锥顶端轻轻压平，摊开物料后，用平板自上压下，分成四等份，取两个对角的等份，过10目的筛，将大于筛号者再研磨。尽量全过，剩余少量（大约3.0g左右）倒入塑料桶内，直至不少于200.0g试样。装入500ml大口试剂瓶中贴上标签备用。 3. 细碎将缩分后剩余的煤矸石称取40.0g再用DF-4型电磁制样粉碎机进行粉碎，过100目筛，必要时再用研钵研磨，再过筛，装入125ml大口试剂瓶中帖上标签备用。过筛剩余少量（大约1.0g左右）倒入塑料桶内。六、试验要求1. 在制样全过程中，应防止样品产生任何化学变化和污染。若制样过程中，可能对样品性质产生显著影响，则应尽量保持原来状态；2. 湿样品应在室温下自然干燥，使其达到适于破碎、筛分、缩分的程度；3. 使用三种不同的粉碎机时一定要严格按照操作方法及注意事项进行操作。实验二 水分的测定 一、试验目的掌握测定水分的方法二、实验原理水分是煤矸石中的不可燃成分，它是评价动力用煤矸石经济价值的最基本指标之一。根据煤矸石所处的状态可分为全水分和空气干燥基水分。全水分是指煤矸石在使用状态时存在的水分，它包括外在水分和内在水分（一般测定时间为23h）；空干基水分是指分析煤矸石样在规定条件下测得的水分，即分析水分。三、试剂与仪器煤矸石样，称量瓶2个，干燥器，药匙，AL204型电子天平（210g/0.1mg），YX-SF水份仪。四、操作步骤空气干燥法测空干基水分：用预先干燥并称量过的（精确到0.0002g）的称量瓶称取0.2mm以下（小于80目）的煤矸石样10.1g，精确0.0002g，记录m1值，将样品平摊在称量瓶中。打开称量瓶盖，放入预先鼓风并已加热到105110的烘箱中。在一直鼓风的条件下，煤矸石干燥1h。从烘箱中取出称量瓶，立即盖上盖，放入干燥器中冷却至室温（约20min）后，称量m2。最后将数据输入计算机中，由计算机显示、打印出煤矸石样的空气干燥基水分。1.打开烘箱和电脑，双击“水分仪”图标，启动测试程序。点击“设置”选择“水分Mad”。2.点击出现窗口中“系统设置”菜单，然后单击“烘箱”程序弹出系统设置对话框，设置水分Mad、110、60min等参数。点击出现窗口中的“水分仪A”，出现测试界面后，点击“电源关”，将电源打开，可观察到下面显示的“炉温”在升高。3.先测称量瓶的重量（g），然后再称量1.000g样品于称量瓶中，平行称两份，用记号笔在称量瓶及瓶盖上标号。4.当温度达到110时，烘箱发出声音，此时，将称量瓶盖子打开放入烘箱中，点击程序窗口中的“测试”或烘箱上的红色按钮，开始自动测试。5.测试时间为1小时，1小时之后，烘箱再次发出声音，打开仪器，取出样品，盖上盖子放入干燥器中恒重冷却至室温后（约20min），称量。6.然后点击程序窗口中的“计算”按钮，输入提示要输入的质量。此时将自动计算出煤矸石样的空气干燥基水分（两个差值不超过0.05）。空气干燥基水分（）=100% 7.测试完成后，点击“关电源”按钮，结束烘箱加温。8.在主菜单中，点击“退出”项，退出测试程序。注：样品的粒度应0.2mm，即小于80目的煤矸石。五、试验要求1.得到煤矸石的空干基水分结果（注意有效数字取舍）；2.保存烘干后100目的煤矸石测硫分时使用。实验三 灰分及挥发分的测定一、测试原理灰分是煤矸石中的不可燃成分，其含量的高低是评价煤矸石质的重要标准，确切的讲，煤矸石的灰分是指煤矸石中所有可燃物质完全燃烧，以及煤矸石中矿物质在一定温度下产生一系列分解、化合等复杂反应后残存的残渣。挥发分是煤矸石中可燃成分。煤矸石的挥发分含量基本随煤矸石的变质程度加深而减少，它不是煤矸石中的固有物质，是煤矸石在特定条件下受热分解的产物。二、试验目的掌握测定灰分及挥发分的方法三、试剂与仪器煤矸石（15），中塑性粘土（指数715），弱塑性粘土（指数17），非塑性粘土（指数1）。统计分析表明76可塑性指数同陶粒的松散容重成反比关系，高膨胀性的粘土原料，其塑性指数不小于15；中膨胀性的原料，塑性指数不小于8；塑性指数小于8的原料，膨胀性很差。一般要求陶粒原料的塑性指数不低于8。污泥中的无机成分比较类似于粘土类原料，基本上属于中膨胀性原料，而且污泥中的有机杂质也会增加其可塑性，因而污泥是一种较理想的原料。（3）工艺条件陶粒膨胀得好与差，还与工艺条件有关。好的原料或配方得当的混合料，若工艺条件不合适，也很难烧出高质量的产品。影响烧胀性能的主要工序有：料球(粒)的含水率。含水率对陶粒的膨胀和表壳形状有影响，若含水率过高，则水分在干燥和预热时排除不尽，容易造成料球在焙烧时不能膨胀或过分膨胀，致使陶粒表壳有裂纹，甚至裂开。焙烧温度和焙烧时间。它对陶粒的膨胀起着重要作用，不相同原料的焙烧温度与时间是不同的。3、赤泥对陶粒膨胀所起的作用通过对赤泥本身的性质进行分析，可以得出赤泥的发气成分和助熔成分含量较高，这决定了赤泥具有较好的膨胀性和助熔性。虽然赤泥在烧制陶粒过程中，构成骨架方面的性能较差，但是使陶粒膨胀和降低骨架成分的熔点具有良好的性能。因而，在超轻污泥-赤泥陶粒的烧制过程中，赤泥的膨胀性和助熔性会对超轻污泥-赤泥体系的膨胀过程产生重要的影响，完全可以通过调节赤泥跟黏土以及污泥的比例，制备符合不同应用要求的陶粒。三、实验仪器及试剂材料（1）主要仪器电热恒温鼓风干燥箱、电磁制样粉碎机、IAL204型分析天平、可控硅温度控制器，SKQ-6型高温管式充气保护电阻炉、马弗炉（2）试验试剂：干污泥、粉煤灰、黏土、赤泥（3）管式炉结构图8-1 管式炉烧制陶粒示意图采用高温管式充气保护电阻炉烧制陶粒。经气体流量计计量的空气由鼓风机通入烧结炉，由瓷舟盛装的陶粒经过预热后，由排气端放入刚玉管，烧结一定时间后再从排气端取出，烧结炉的温度由温控器准确控制。烧结示意图如8-1所示。四、试验步骤1. 原料预处理将污泥、粉煤灰、黏土、赤泥等原料置于电热恒温鼓风干燥箱中干燥至恒重，用电磁制样粉碎机粉碎，过100目筛置于容器中备用。2. 原料配制、成球按照一定的质量比称取原料粉末置于烧杯中，用角匙充分混匀，加水均匀混合，用玻璃棒搅拌成稠糊状，倒入压力器中，排空气体，用力挤压成条，在托盘内稍晾干，用手搓成直径5mm大小的生料球，将生料球放置于通风橱内室温干燥。3. 烧制等生料球完全干燥后放置于马弗炉中进行预热以除去多余的有机物。将预热后的半成品直接放入高温管式充气保护电阻炉中高温烧制，即得到成品陶粒。干燥、破碎脱水污泥混合、成球干 燥预 热烧 结冷 却陶 粒辅 料 图8-2 陶粒烧制工艺流程图4. 测定陶粒的性能 平均堆积密度平均堆积密度是指陶粒在自然堆积状态下单位体积的质量。平均堆积密度按以下公式计算：平=(M总 M容) 1000/V式中：平平均堆积密度，kg/m3；M总试样和容量筒的质量，kg；M容容量筒的质量，kg；V 容量筒的容积，L。 颗粒表观密度颗粒表观密度是指陶粒颗粒单位体积的质量。颗粒表观密度按以下公式计算：表=(M 100)/(V总- V桶- 500)式中：表陶粒颗粒表观密度，kg/m3；M 烘干陶粒质量，g；V总倒入陶粒和放入压板后量筒中水的体积，mL；V桶圆形金属板的体积，mL。 1h吸水率1h吸水率是指干燥状态陶粒1h的吸水率。1h吸水率按以下公式计算：W = (M总- M干)/M干100式中：W 陶粒1h吸水率，%；M总浸水试样质量，g；M干烘干试样质量，g。实验九 污泥陶粒应用于污水处理一、实验目的1. 了解将污泥陶粒应用于污水处理的实施方法。2. 了解生物膜处理模拟废水的工艺原理，掌握污泥陶粒填料生物滤池的操作运行方法。3. 了解污水中各种污染物的测定方法，会计算设定运行条件下的污染物去除率。二、实验原理1. 污泥陶粒作为污水处理材料的背景污泥陶粒是一种多孔轻质材料，具有比表面大、空隙率高、表面粗糙、易挂膜、价格低廉等优点，具有作为滤池填料的各项基本要求，可以广泛用于污水处理。以污水厂脱水污泥制成轻质陶粒，在高温处理过程中，大量病原菌被杀死，同时重金属固结在陶粒中，消除了污泥农用时重金属从农产品进入食物链并最终在人体内富集的问题，避免了二次污染的产生。运用污泥制备陶粒作为污水处理构筑物中的填料，不仅消纳了城市污水厂日渐增多的剩余污泥，而且处理成本相对低于焚烧、填埋、堆肥等方法，同时起到了处理污水的作用，无疑可为污水厂带来一定的经济效益。2. 生物膜法处理废水的原理生物膜法是使微生物群体附着于其它物体表面上呈膜状，并让它和废水接触而使之净化的方法，净化机理是通过微生物以废水中的污染物为营养物质进行代谢分解而实现。利用生物膜净化废水的设备统称为生物膜反应器，按其与废水接触方式不同分为填充式和浸渍式两种。在填充式生物膜法中，废水和空气沿固定的填料或转动的盘片表面流过，与其上生长的生物膜接触。在浸渍式生物膜法中，生物胶载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。本实验应用的生物反应器是以污泥陶粒为填料的生物滤池，即属于填充式的生物膜反应器。三、实验仪器及试剂材料1. 实验设备本实验采用两种的生物反应器装置如图所示：图1 厌氧/好氧一体式生物滤池图2 厌氧生物滤池运行方式如下：反应器运行方式采用上流式，底部进水顶部出水。模拟生活污水储备在配水桶中，通过调节蠕动泵的转速控制进水流量，污水由底部进水口进入反应器。原水由下至上流经反应器，经过填料区中的微生物作用处理后从顶部出水口流出。出水收集在回流水桶中, 根据确定的回流比，通过另一蠕动泵控制回流水流量，将其中一部分水再次泵入反应器中。好氧区采用鼓风曝气的供气方式。浸没在曝气布气层内的曝气头经由导气管与空气泵连通，根据所需的气水比，调节气体流量计控制空气泵供气量。曝气头将空气分散成尺寸微小的气泡，气泡在上升及随水流循环流动过程中，空气中的氧不断转移溶解于混合液中，以此保证好氧区生化反应所需的溶解氧。反应器中，气水同向流经滤料层，水中的污染物在微生物作用下得到降解。系统运行一段时间后，因填料层微生物生长以及老化生物膜的脱落，会造成一定程度的堵塞，使滤柱内水头损失增大。此后出水水质急剧恶化，这时必须停止进水，对曝气生物滤池进行反冲洗，以恢复处理能力。2. 仪器及试剂各个水质监测项目及所用方法和仪器见表1：表1 实验控制及监测项目所用的方法和仪器测定项目符号监测方法使用仪器化学需氧量CODCr重铬酸钾消解法COD恒温加热器氨氮NH3-N纳氏试剂分光光度法可见分光光度计实验中用到的化学试剂如下：硫酸(AR)，硫酸银(AR)，重铬酸钾（GR），邻菲啰啉（AR），硫酸亚铁（AR），硫酸亚铁铵（AR），酒石酸钾钠（AR），碘化钾（AR），碘化汞（AR）。四、试验步骤1. 配置模拟废水（调控CODCr:TN:TP = 100:5:1，pH = 6.58.5，CODCr = 300 mg/L），配制试剂：葡萄糖、可溶性淀粉、蛋白胨、硝酸铵、磷酸二氢钾。2. 填料高度、气水比、回流比、水力负荷、反冲洗周期、进水有机负荷和氨氮负荷等，是影响曝气生物滤池工作性能的主要因素。在本实验中，选择以下几个影响因素作为该污水处理系统的运行控制参数：（1）水力停留时间HRT = 2 h，3 h，4 h（根据曝气池容量及各因素实验中对应的污泥回流比调节进水水泵流量）。（2）气水比A:Q =10:1，20:1，30:1（根据各因素实验中对应的总进水流量调节气体流量计）。（3）回流比R = 100%，200%，300%。3. 检查进出水管及曝气管路是否连接通畅，开启污水处理设备电源，调节水流和气流量符合选定的运行参数，进行废水处理。4. 经历一个废水处理周期（一个HRT）后取进水和出水水样，测定其中氨氮及CODCr的浓度。监测方法如下：（1）化学需氧量COD重铬酸钾回流法取20.00ml混合水样（或者适量水样稀释至20.00ml）置于250ml磨口的回流锥形瓶中，准确加入10.0mL重铬酸钾标准溶液和几粒防爆沸沸石，摇匀。连接磨口回流冷凝管，从冷凝管上端缓慢加入30mL硫酸银硫酸试剂，以防止低沸点有机物的逸出，不断旋动锥形瓶使之混合均匀。自溶液开始沸腾起回流两小时。冷却后，用90ml水自冷凝管上端冲洗冷凝管后，取下锥形瓶，再用水稀释至140 mL左右。溶液冷却至室温后，加入3滴试亚铁灵指示剂溶液（邻菲啰啉+硫酸亚铁），用硫酸亚铁铵标准滴定溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色变为红褐色即为终点。记下硫酸亚铁铵标准滴定溶液的消耗毫升数。计算COD（mg/L）=（V0V1）C8000/V其中：V0纯水的硫酸亚铁铵标准滴定溶液的消耗毫升数；V1水样的硫酸亚铁铵标准滴定溶液的消耗毫升数；C硫酸亚铁铵标准滴定溶液的浓度；V水样体积。（2）氨氮的测定纳氏试剂分光光度法标准曲线的绘制：吸取 0 、0.50、1.00、3.00、5.00、7.00和10.0mL铵标准使用液于50mL比色管中，加水至标线，加1.0mL酒石酸钾钠溶液，混匀。加1.5mL纳氏试剂，混匀。放置10min后，在波长420nm处，用10mm比色皿，以水为参比，测定吸光度。由测得的吸光度，绘制以氨氮含量对校正吸光度的标准曲线。水样的测定：分取适量的水样（使氨氮含量不超过0.1mg），加入50mL比色管中，稀释至标线，加1.0mL酒石酸钾钠溶液，混匀，加1.5mL的纳氏试剂，混匀，放置10min，在波长420nm处，用10mm比色皿，以水为参比，测定吸光度。计算氨氮(N，mg/l)=m1000/V式中：m由校准曲线查得样品管的氨氮含量（mg）；V水样体积（mL）。5. 计算污染物去除率 h = 出水污染物浓度/进水污染物浓度*100%实验十 赤泥砖的制备一、 试验目的了解赤泥砖的制备流程，掌握砖基本性能（24h吸水率、密度和烧缩值）的测定方法。二、 试验原理1、 赤泥作为烧砖材料的背景随着铝工业的发展，生产氧化铝排出的赤泥量日益增加，目前全世界每年产生约6000万吨赤泥，我国的赤泥排放量每年大约也有600万吨以上，而对其利用率仅为 15%左右。赤泥中含有大量的强碱性化学物质，稀释10倍后其pH值仍为11.2511.50(原土为12以上)，极高的pH值决定了赤泥对生物、金属和硅质材料的强烈腐蚀性。高碱度的污水渗入地下或进入地表水，使水体pH值升高，以致超出国家规定的相应标准，同时由于pH值的高低常常影响水中化合物的毒性，因此还会造成更为严重的水污染。国内外均对如何处理和利用赤泥进行了研究，但至今为止，能够较大规模利用赤泥的唯一手段仍是生产赤泥水泥。由于赤泥排出量的不断增加和水泥产量的日益稳定，出现了赤泥利用率开始下降的势头，并随氧化铝工业生产规模的不断扩大而加速下降。因此赤泥堆存和环境污染的问题将继续加剧，对赤泥进行综合利用的研究也成了迫在眉睫的问题。粘土砖以粘土（包括页岩、煤矸石等粉料）为主要原料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而成，粘土砖的烧成温度为9001050，烧成温度要根据所使用粘土的成分加以控制。粘土砖就地取材 ，价格便宜 ，经久耐用 ，还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点，在土木建筑工程中使用广泛。我国墙体材料约占整个房屋建筑材料的70%，其中粘土砖在墙体材料中曾经一度占居主导地位，而生产实心粘土砖所需的粘土资源更属可耕地中较优质的粘土，每年因城乡建房烧制粘土砖竟要损毁良田70万亩。为转变这一严重浪费土地资源的传统烧制方式，2005年国务院办公厅发布了关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知，在全国范围内组织开展 “禁实”“禁粘”工作。赤泥和粘土的主要化学成分有一定的相似性，主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，并且赤泥中含助熔成分（如Na2O等）比较高，所以赤泥与粘土混合烧砖是可行的，而且赤泥的加入还可降低烧砖温度。2、 赤泥砖性能的测定 24h吸水率W = (M1-M0)/M0100 公式I式中：W 赤泥砖的24h吸水率，%；M1赤泥砖浸水24h的湿质量，g；M0赤泥砖的质量，g。 密度平=1000M0/V0 公式II式中：平赤泥砖的密度，kg/m3；M0赤泥砖的质量，g；V0 赤泥砖的体积，cm3。 烧缩值S=100（V0- V1）/ V1 公式III式中：S赤泥砖的烧缩值，%；V1生坯的体积，cm3；V0 赤泥砖的体积，cm3。三、 试验材料与仪器1、 试验材料 纯净水； 赤泥，取自山东铝业集团山东分公司，为拜耳法赤泥； 粘土，为济南市郊平原地区闲置的贫瘠粘土。2、 实验仪器 DHG-9245A型电热恒温鼓风干燥箱； DF-4型电磁制样粉碎机； 标准100目筛； AL204型分析天平； 250mL玻璃杯、10mL移液管、玻璃棒、干毛巾； 模具和压力制样机； SX212-16型箱式电阻炉； 游标卡尺；四、 试验步骤1、 材料预处理将原料赤泥和粘土分别放置于104的电热恒温鼓风干燥箱中恒温干燥4h。干燥好的样品用电磁制样粉碎机粉碎，然用100目筛筛分，随后放置于聚乙烯塑料瓶中密封储存。2、 砖样制备 分别称取预处理后的赤泥和粘土30g和20g置于烧杯中，用玻璃棒混合均匀； 加入20%的去离子水，即10mL，搅拌均匀； 将搅拌后的湿料倒入模具中，放在压力制样机上，在20 Mp下压制1min； 将压成生坯取出，用游标卡尺测量生坯的体积V1，室温干燥48h； 将室温干燥后的生坯放入箱式电阻炉中，在1000下烧制1h，然后在炉内冷却至室温后即得实验砖样。具体工艺流程如下图:共50g粘土加水10ml，搅拌20Mp下压制1min室温干燥48h不同温度不同保温时间下烧制冷却至室温混合均匀赤泥砖样制备工艺流程图3、 砖性能的测定 用游标卡尺测量赤泥砖的体积V0，由公式III计算赤泥砖的烧缩值； 称量赤泥砖的质量M0，由公式II计算赤泥砖的密度； 将赤泥砖放入纯净水中，浸泡24h后取出，用干毛巾将砖表面的水擦去，再次称量得赤泥砖湿质量M1，由公式I计算赤泥砖的24h吸水率。五、 试验要求1、 赤泥和粘土加水搅拌时一定要充分搅拌均匀，压样时要小心生坯的破碎；2、 得到赤泥砖的24h吸水率、密度和烧缩值。实验十一 固体废物浸出毒性实验一、 实验目的掌握固体废物的浸出方法及浸出液中六价铬的测定方法。通过实验，进一步认识危险废物的危害特性，掌握危险废物浸出毒性的鉴别方法。二、 实验原理2.1. 铬渣浸出实验铬渣即含铬废渣，是铬铁矿加入纯碱、白云石、石灰石在11001200高温焙烧，用水浸出铬酸钠后的残渣，以及含铬废水处理过程中产生的各种含铬废渣的统称。浸出铬渣的主要化学成分是硅、铁、铝、钙、镁的氧化物和少量未反应完全的铬铁矿与残留的铬化合物，还含有水溶性的铬酸钠、酸溶性的铬酸钙，总体呈碱性。当用酸、碱或者中性溶剂对固体废物进行浸泡时，其中的某些组分会通过交换反应溶解、氧化还原反应溶解或者络合反应溶解等过程进入液相。可以通过测定浸出液中有害物质的浓度来了解固体废物长期堆存对环境的影响。2.2. 六价铬测定实验在酸性溶液中六价铬与二苯碳酰二肼反应生成紫红色化合物，于波长540nm处进行分光光度测定。 三、 方法的适用范围试料体积为50mL，使用30mm光程比色皿，方法的检出限为 0.004mg/L。使用10mm光程比色皿，测定上限为1.0mg/L。四、 仪器1. 翻转式振荡器；2. 可见分光光度计；五、 药剂5.1. 浸提剂：将质量比为2:1的浓硫酸及浓硝酸加入到试剂水（1L水约两滴混合液）中，使pH为3.20