固体废物处理与处置试验指导书

1、固体废物处理与处置实验指导书作者：日期：固体废物处理与处置实验指导书实验一 植物残渣的综合利用（木质陶瓷化 ）（4 个学时）一 实验目的以麦秸、稻草、木屑、甘蔗渣等为原料 , 采用破碎、混合、浸渍、 热压成型、烧结等工艺制备出木质陶瓷 ,制备出了各温度点下的木质 陶瓷 ,对其密度、气孔率、强度、电阻率等性能进行测试 ,对其性能特 征、形成机理及规律进行分析研究。初步展示了原料配比、酚醛树脂 浓度、温度等参数对整个制备过程及木质陶瓷性能的影响。 实验结果 证明了通过该工艺用麦秸或甘蔗渣等制备木质陶瓷的可行性 , 同时 也表明粘结剂和烧结温度对木质陶瓷性能影响很大， 实验为麦秸、 甘 蔗渣等植物残

2、渣的利用开辟了新的途径。 为木质陶瓷的研究开辟了新 的方向和空间。通过实验 ,让学生掌握固体废物处理与处置课程中的收集、 干燥、破碎、筛分、压实、浸渍、热处理等处理与处置工艺，熟悉基 本过程 ,制备出试验样品，了解密度、气孔率、强度、电阻率等性能 的测试原理与方法。二 实验原理木质陶瓷由日本青森工业试验场的冈部敏弘和斋藤幸司于 1990 年开发 ,是一种采用木材 （或其它木质材料 ）在热固性树脂中浸渍后真 空碳化而成的新型多孔质碳素材料， 其中的木质材料烧结后生成软质无定形碳，树脂生成硬质玻璃。木质陶瓷最初用天然木材制造 ,但由于原木及制品存在轴向、径 向、切向上的不均匀性和各向异性、烧结尺寸

3、精度低等问题，后多采 用中质纤维板 （MD,一般气干比重 0.7/cm3 左右,含水左右 ）,这 样， 原料基本上只有板面与板厚方向的性质区别。甲醛树脂在木制 品中广泛应用 , 木质陶瓷制备中常选用其中的酚醛树脂，这多出于它 价格低廉、合成方便 , 而且游离甲醛较少 , 燃烧后只生成 C 2 和 H2O，具有环境协调性。 浸渍时常采用低压超声波技术以提高浸渍率 及其均匀性。碳化过程中伴随有复杂的脱水、油蒸发、纤维素碳链切 断、脱氢、交联和（碳 ）晶型转变等反应变化机理及控制利用是值得 深入研究的。一般来说 ,木材在 400左右形成芳香族多环， 而后缓慢 分解为软质无定形碳 ,树脂 50以上分解

4、为石墨多环而后形成硬质 玻璃碳。 玻璃碳以其硬质贝壳状断口而命名， 其基本结构为层状碳围 绕纳米级间隙混杂排列的三维微孔构造， 既有碳素材料的耐热、 耐腐 蚀、高热导率、导电性 , 也具有玻璃的高强度、 高硬度、高杨氏模量、 均质性和对气体的阻透性。 20以上试样基本全部碳化。 激光加 工因有高精度的突出优点而受到重视。其中脉冲式 CO2 激光器对木 质陶瓷断续加热 ,热应力较小 , 能避免加工裂纹的出现， 是有前景的 木质陶瓷加工工具。木质陶瓷的残碳率、硬度、强度、杨氏模量和断裂韧性都随含浸 率或烧结温度的提高而增加。现有木质陶瓷的断裂韧性很低 , 约在 0. 50.3MP?1/2 的范围，

5、 与冰相似 , 但其断裂应变随浸渍率及 烧结温度的降低而升高 , 为 11%左右, 远高于冰、水泥、 SiC 等脆性材料 , 甚至也高于铝材。木质陶瓷的摩擦系数几乎不随对磨材料的 种类、粗糙度、润滑剂和滑动速率的影响 , 一般稳定在 0. . 5 之间 , 但随荷重的增加而有所下降， 认为木质陶瓷结构多孔 ,润滑油难 以形成明显油膜 , 只主要起冷却作用 ,因此对各种耐热材料在各种对 磨速率下都难以减低其摩擦系数 ,同时石墨的剪切强度不随表面、内 部而变化， 因此对磨材料的粗糙度也不影响摩擦系数，但由于荷重 的增加将导致木质陶瓷表面间隙的减少 , 从而多少体现出油膜的效 果。其磨损率可控制在

6、7 mm3/Nm 的量级 , 现已有木质陶瓷在 制动装置和无心磨床上的应用研究。 随烧结温度升高， 碳化程度的进 展 , 木质陶瓷从绝缘体过渡到导体 ,其导电率随电频增加而减少。 较高 的导电性认为来自 CC 结合的非极性 电子的自由电子状态。 根据 其电阻值随环境温度、湿度的上升而大致程线性下降的关系,可开发出新型温敏、湿敏元件，如测温、测湿计等等。在复电导率中,代表能量损失的虚部较代表极化大小的实部为大 ,因此木质陶瓷可作电磁 屏蔽材料。同时由于木质陶瓷具有多孔结构，可散射、吸收电磁波而 减弱反射波。烧结温度超过 700, 木质陶瓷便具有逐渐增强的电磁 屏蔽性能 ,在 1GHz 内，从 1

7、 0Mz 区间有最大电屏性能； 而频率越高 ,磁屏性能越高 ,可达 50d左右。 800烧结的木材陶瓷的 热容数值大于金属而与硅酸盐接近 ,并随烧结温度升高而降低。木质 陶瓷的远红外放射率和放射辉度与黑体相似，前者恒为 8，与波 长无关 , 远高与一般金属 ,也与别的陶瓷材料有显著区别。由于人体 多靠远红外线获取热量 , 因此， 木质陶瓷极有发展成房暖材料的潜 力。木质陶瓷的最大特点与优点在于环境协调性。 其原料木材是 可循环利用的资源， 是目前许多枯竭性资源的极具前景的代用品。 木 质陶瓷的副产品为木醋酸 , 它是农业土壤改良剂和防虫防菌剂。木质 陶瓷使用后仍可做吸附剂，废弃时也可破碎做土壤

8、改良剂,没有环境负担。同样重要的是，它使碳得以大量固定（约172g/m3），有利于温室效应的抑制。 虽然木质陶瓷最初的应用设想是基于其碳素导电 和多孔结构的电磁屏蔽材料 ,但进一步的研究表明，它有着（更 ）广阔 的应用前景 :（1）轻量、比强度高 ,可作构造用材； （2）硬质、耐磨 ,可作 摩擦材料；（3）结构多孔，可作各种滤过、吸收材料，以及其它材料 的基体 ;（ ）耐热、耐氧化、耐腐蚀，可应用于高温、腐蚀环境中； （5）导热，有良好的远红外发射功能 ,是大有前途的房暖材料； （）经 济性好 ,能大批量生产。关于木质陶瓷的发展趋势 ,学界普遍以为最起码还应包括以下方 面：对麦秸等植物残渣进行

9、木质陶瓷化研究， 重点研究植物残渣木质 陶瓷化的工艺参数 ,为木质陶瓷研究开辟新的空间和方向。进一步弄 清木质陶瓷的结构，特别是微观结构与性能的关系 ,以便对木质陶瓷 的制备、改性等提供理论支撑。 在已经取得的定性或半定量研究结果 的基础上， 继续进行相关研究， 以期做到定量的弄清楚木质陶瓷的各 种物理、化学变化机理 ,以指导应用开发究。 鉴于木质陶瓷的强度不 高，研究提高木质陶瓷残碳率并进一步提高木质陶瓷强度,开展各种木质陶瓷复合材料研究 ,特别是环境协调性好的复合材料的研究，进 一步开发出各种新型的生态环境材料。一方面，性能优良的木质陶瓷在生成过程中使用原木未能真正体现木材陶瓷的生态协调性

10、内涵 ,对原木的使用于环保也是不利的；另 一方面 ,大量堆积起来的麦秸正成为越来越难以处理的废弃物。其实， 麦秸、稻草、木屑、甘蔗渣等秸秆的成分与原木相同,完全可以替代原木制备木材陶瓷 ,而且实现了麦秸等植物残渣的资源化。二者有机 结合，用麦秸制备木质陶瓷 ,避免了对原木的使用，实现了麦秸资源 化,制备出性能优良的木质陶瓷 ,一举多得，真正实现经济效益、环境 效应和社会效益的统一。为此 ,实验以麦秸等为原料 ,用浸渍、热压等全新工艺制备出坯体 , 进而烧结出木质陶瓷，以避免对原木的使用 ,使木质陶瓷这种环境材 料更具生态环境协调性内涵；在木质陶瓷的烧结过程中,拟采用改变升温模式、添加阻燃剂等方

11、法提高木质陶瓷的残碳率,以进一步改善木质陶瓷的抗弯强度等性能；同时 ,为了提高木制陶瓷的物理性能， 设计添加凹凸棒石粘土，实现碳碳化物与氧化物的纳米复合 ,寻求 提高木质陶瓷抗弯强度和碳化温度的途径， 为木质陶瓷复合材料生产 提供理论依据和新的实用途径。三 实验设备、天平 ,烧杯、量筒、搅拌棒等系列。2、电热鼓风干燥箱。型号 :HG12；最高温度 :300 度；控制温 度:正负 1度；加热功率:3.6W；工作室尺寸 :45x5 x550mm。 、浸渍釜一台。 即浸渍罐， 由钢板制成的圆桶， 一头有开启的灌盖， 罐容积有大有小。4、微型植物粉碎机。型号 :FZ102，粉碎室内径 : 20mm,最

12、 大消耗功率： 032kw,转速： 1000/mi。5、油压千斤顶 ,附自行设计之加热模具。可同时加热加压加热6、管式电阻炉及其配套装置。具体如下：()管式电阻炉 :型号:K-6 ;额定功率： 6KW;额定温度： 12 0 度；炉膛尺寸 :(xL)100x1000(m3)。(B) 热电偶： W-120 型铂铑铂热电偶 ,分度号为 L3,测温范 围为 100 度,L= 0mm。(C) 可控硅温度控制器：型号为 KY-D16,控制功率 6KW ，输入 电压 0V,单相，控温范围 0 600度，控制精度 3 度。(D) 工业氮气瓶以及工业氮气的一套洗涤及干燥装置。7、高温管式真空炉一台。 型号:CV

13、D(G)- /4/1,炉管尺寸： 801 00，最高温度 1600 ,极限真空度 10Pa。8、数显式液压万能实验机一台。型号为 WES 0，最大实验力 0KN，精度为 000KN 。四 实验步骤将甘蔗渣分成 2 组,配料及其单位分别为 :甘蔗渣 ,g；酚醛树脂 ,m; 酒精 ,mL;固化剂， L。第组按甘蔗渣酚醛树脂酒精固化剂 = 050502的比例混合均匀，自然晾干后热压成 1 0m 50mm5mm 的试样。混合时加酒精的目的是为了稀释树脂，使得树 脂与甘蔗渣充分浸润混合。将第 2 组按甘蔗渣酚醛树脂酒精固 化剂 1070300 的比例混合均匀后压制成试样，并与第 1 组所得试样的尺寸相同

14、。将热压成型的 2 组试样放入真空炉中 ,在氮气保护气氛中以 /min 的速度分别升温至 3 0、 4 0、 500、 60、 700、 80，并在每一温度保温 4后随炉冷却。具体步骤如下 :1、选料 麦秸、稻草、木屑、甘蔗渣等植物残渣的主要化学成分与木材相 同 , 见表 1 所列， 完全可以代替原木制备木质陶瓷 , 减少了对原木 的使用， 实现了废物资源化。甘蔗渣用植物粉碎机破碎。实验所用树脂为热固型酚醛树脂表 1 甘蔗渣与部分木质材料主要成分原料名称多缩戊糖纤维素木质素灰分甘蔗渣25. 04. 251 . 0020.2.00 . 0029 1 600稻壳3 21. 026.11. 022. 0022.45 000000棉杆0. 41. 23. 169. 7毛竹2 . 125. 5030. 67. 10白杨19. 09. 000. 0. 52桦木24. 53. 5022 501. 7、试样制备和烧结2.1 破碎麦秸、甘蔗渣等植物残渣22 破碎原料过筛.配制粘结剂24 原