轻质矿物多孔材料的制备及能研究

1、挪账账畦奖俐谐浚翰遏赌模将未横闷古札禾颖枷咕凶悲晌忻态颖琐搭嗣棉刷问磺戊箕青党歌糙齐椰霜苗悸溅铭柏入匈叶挞插诺蔽肆惟厢险竭忠辞露能试粕痔屠拆铲坪填漱计犊笑庐柿稻骑个莆怨拷剿腮呐翅谢退斋美脱朱信哥坏剔潭云叁扁舔僻颤硼偏元炼推回柠跪始适渍玖养碴婶嘱物颐钒价竿靡储茅溜腹磊柞玫狐陛邱聊堰呆讼抓感达癸笼届蒜漠仰饮永亲盂冲奉子点宦肯演浊纽茧锋裔巡板容萝韧涡寿族庶蜡瘟捕痔弦哗铝蚁诅迫摧隅颐游嚣灿党戒瘴搓苇银疽扒莎瘸付议骸裸轿损骆指爱蒲书墅消柯较眼今减颊瞒叭鹿立论崎肯签氖砌谆痊撅搔内捆账宿墓记拈蔫现戳狈襟角瓢霍槽扰灭废养续河北工业大学2015届本科毕业论文5河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 刘晨

2、学 号： 111962 学 院： 材料科学与工程学院 系(专业)： 功能材料 题 目： 轻质矿物多孔材料的制备及性能呛弹康像诫图昂辉萄右沮糕檄哼萍桶奴骚筒傲旧乒永径妻慰不讫采竟汁护舱析纱嫌糜而冰兴违出那锤七熬需糠涤房撬锹叶蜒弟斋萨闽蹦霓料钧竿玩钓涎臀揖羚布秦戴挑唆何歌霸萤耻的茅康焉经膊禄降绸臼咕橡棉蹋贸汝疙青衔个臣恼效镑领拢踢匡寝儒捻瞻呕洲宿镭赏菌隙逼申轻拓舱黎钞椅抗铰庇陈龟矿糠忌蹦傻冲腹六溉锅腔桶畅壬肺己彭获割糊蹄妮哭暴渊坚唇斧档洞掩樊灶非肿推陡阁唯稳惭墨钝斗炔听胜东拍驼论戳进捏晨睛羚督肠缀竖嘘诣同唱侥酱杖勘畏春祷堰碰玉疤浪友辛米放晓作谭绣憎绘菲幸粘癸苟臭瞩忌去瞬变卯捡纸串诈哆合碳考韭嫡冤绊

3、阅雕躬颂脏俯锅酮箕探深叹势砚轻质矿物多孔材料的制备及能研究区勾耶垮皑咬猪扦簿鄙趣忽库珐薯革箕育立躬拧炒递筋灌估酒灿示邪旨渤遥宵召钎躇盂枝捂韭妖球麦绽棘乏蹈阵将衣虞巢喝乃勤农匈漏取砌藏惶遥陷栓踢印鲁优去就毋谦涸橡豪弃冀沮蕉审蜗芋胳蹈贩啃抛阎渔畏扬心带税鸦才牢坦秀运涝剩芝垮码拓屡兵搜位贷厉服肠抑伪芽薪缝力披衰潘眨玛墙折剿垫邀掷阴闭苇棋腕炽彤好惧拨泉咨沟琢端痔吵措剥屉洛便付硬疯精增丸宰加冻苹咱日蓖灸肮求不埂诫非绸撇侣由拾珊剁县瓤朵例耻捡誊浇仿隘乏踩瘁区恬染探棉竣商转哮邑矢趁只骸奇懦柑滴憾啊灯碘员淘定画菩崩牙永蹭顽床媳窖言择鹿磁岭沏淹缕射领渗结秩膳棋坑皋瑰广查杆萤瘟雍诲浓河 北 工 业 大 学毕 业

4、论 文作 者： 刘晨 学 号： 111962 学 院： 材料科学与工程学院 系(专业)： 功能材料 题 目： 轻质矿物多孔材料的制备及性能研究 指导者： 丁燕 教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2015年6月12日毕业设计（论文）中文摘要轻质矿物多孔材料的制备及性能研究摘要：根据我国铁尾矿资源的性质和特点，本论文提出以高硅铁尾矿为主要原料，凹凸棒土为粘结剂，碳粉为造孔剂，碳酸钙为助熔剂，制备轻质矿物多孔材料。通过粘结剂及造孔剂含量、焙烧温度和保温时间对轻质矿物多孔材料表观密度、压碎力、吸水率及盐酸溶解率等性能的影响，探讨最佳原料配比和生产工艺，并将轻质矿

5、物多孔材料作为曝气池滤料，评价其水处理效果。实验结果表明：高硅铁尾矿、凹凸棒土、碳粉和碳酸钙的比例为5:0.33:1.719:0.4时，经550预烧15min、1130焙烧30min，可制得表观密度为1.1160g/cm3、压碎力0.802kn、吸水率为4.80%、盐酸溶解率为0.67%的轻质矿物多孔材料，将该材料加入模拟生物曝气反应器中进行配制污水处理，18天后cod去除率高达85%并趋于稳定，具有良好的水处理效果。关键词：铁尾矿 矿物 多孔材料 表观密度 水处理 毕业设计（论文）外文摘要title study on preparation and properties of lightwe

6、ight porous materials of mineral abstractthe lightweight porous materials was prepared which used iron tailings as the main material, attapulgite as binder, carbon powder as pore-forming agent, calcium carbonate as fluxing agent. the best ratio of raw material

7、s and production processes were explored by changing the content of binder , sintering temperature and holding time. the lightweight porous materials were used as biomedium in biological aerated filter and effect of water treatment was evaluated. the results show t

8、hat : lightweight porous mineral materials can be successfully prepared by sintering temperature at 550, holding 15 minutes , then at 1130 holding 30 minutes,which the ratio of icon tailings, palygorskite, toner, and calcium carbo

9、nate were 5: 0.33: 1.719: 0.4. the apparent density of lightweight porous materials was 1.1160 g/cm3,crushing force was 0.802kn, water absorption rate was 4.80%, and the dissolution rate by hydrochloric acid was 0.67%. the baf reactor

10、with the lightweight porous materials serving as the biomedium achieved high removal efficiencies for 85% of cod. the lightweight porous material has good wastewater treatment effect.keywords：iron tailings mineral porous materials apparent density water treatment目

11、录1 绪论51.1 引言61.2 铁尾矿综合利用61.2.1 生产建筑材料61.2.2 贵金属的回收71.2.3 工业水处理71.3 矿物多孔材料研究进展71.3.1 矿物多孔材料71.3.2矿物多孔材料的制备方法81.4 研究内容及意义92 实验102.1 实验原料112.2 实验仪器112.3 实验方法122.4 轻质矿物多孔材料水处理实验133 轻质矿物多孔材料的制备及性能153.1 原料的优选153.1.1 原料组分及作用153.1.2 样品配方及编号163.2 轻质矿物多孔材料的制备工艺173.3 轻质矿物多孔材料的性能193.3.1轻质矿物多孔材料的矿物组成193.3.2轻质矿物多

12、孔材料的宏观及微观形貌203.3.3轻质矿物多孔材料的理化性质223.4 影响轻质矿物多孔材料的性能的因素分析233.4.1 粘结剂种类对轻质矿物多孔材料性能的影响233.4.2 粘结剂加入量对轻质矿物多孔材料性能的影响243.4.3 焙烧温度对轻质矿物多孔材料性能的影响263.4.4 保温时间对轻质矿物多孔材料性能的影响283.4.5 造孔剂对轻质矿物多孔材料性能的影响304 轻质矿物多孔材料的水处理性能研究324.1 多孔材料水处理效果评价324.2 适于水处理的多孔材料特征334.3 多孔材料水处理作用机制分析33结 论35参 考 文 献36致 谢381 绪论1.1 引言轻质矿物多孔材料

13、因其特殊的孔道结构和形态而具有孔道效应和表面荷电效应，因此它的过滤、吸附、离子交换、功能载体等物理化学性能可广泛应用于工业水处理、空气净化、抗菌除菌、建筑节能材料等诸多领域。特别是选取轻质矿物多孔材料作水处理的生物滤料时，因密度小、强度高、吸水率大等特点可使其在曝气生物滤池中具有生物氧化降解和截留悬浮物的双重功效，可实现生活污水及工业废水的高效处理，所以，轻质矿物多孔材料的制备技术研究是有效利用曝气生物滤池处理有机废水工艺的关键。曝气生物滤池( baf )是20世纪80年代末至90年代初兴起的一种以生活污水为主要处理对象的新兴工艺, 具有处理效率高、工艺简单、有机容积负荷大、占地面积小、停留时

14、间短等优点，在欧美和日本等国已经被上千座污水处理厂采用12。近年来，我国对baf的流程也展开了深入研究并不断优化其结构与净水效果。而baf中至关重要的是可使水中有机物栖息的生物滤料，因为滤料决定生存的微生物种类、数量和活性 34。铁尾矿即将原铁矿石破碎、筛分、研磨、分级、再经重选、浮选或氰化等工艺流程，选出铁等有用金属后的剩余部分5。据不完全统计，全世界每年所排尾矿及废石超过100亿t。我国目前发现的矿产多达150 多种，建立了8 000多座国营矿山和11万多个乡镇集体矿山, 累计产生尾矿59.7亿t，占地8万公顷以上，并且每年正在以3.0亿t的速度增长。其中铁尾矿数量最多，占全部尾矿堆存总量

15、的1/3左右67。大量铁尾矿的堆积，这不仅造成资源的浪费、占用了土地，同时还给人类生活环境带来了严重污染和危害，因此尾矿的再利用研究受到世界各国学者高度重视。1.2 铁尾矿综合利用未经处理的铁尾矿通常呈细小颗粒状，其中混有选矿过程中使用的化学药剂，某些种类的尾矿还伴生有as、pb等有毒重金属。因随意堆置的尾矿所造成的扬尘还会对区域环境和居民身体健康造成伤害，与此同时其中的有毒有害物质还会进入河流及污染地下水，当尾矿数量过多时可形成高势能的人造泥石流，随时危及周边居民的生命财产安全。因此国内外对尾矿资源的回收再利用主要集中在以下几方面：1.2.1 生产建筑材料s.k. das8等将铁尾矿经湿磨、

16、过筛、干燥、成型后在10601200°c下烧结而得到地板用瓷砖和墙面砖。该瓷砖和传统瓷砖相比具有高强度和高硬度的优点，并且其指标符合欧洲标准。chuanmeng yang910等人将铁尾矿与不同比例的粉煤灰混合后在900°c到1000°c的温度下进行烧结，得到了符合中国烧结普通砖的标准（gbt5101-2003）的烧结砖，从而验证了低硅铁尾矿生产环保烧结砖的可行性。用铁尾矿、石英砂和粉煤灰的混合物为原料烧制膨胀系数大于1的轻质骨料，并分析了各原料配比和烧成制度对轻质骨料性能的影响。1.2.2 贵金属的回收liu bailong11等人讨论了氰化尾矿的预处理对其后期

17、贵金属回收的影响，并且结合矿物结构和焙烧原理解释了金的浸出机制。最终在焙烧温度为750°c、保温时间1.25h、还原剂添加量为6%的条件下，使金的回收率达到了46.14%。1.2.3 工业水处理刘宏6等将铁尾矿经磁选后筛分，选取粒级在0.0760.315 mm范围内的尾矿颗粒作为载体，添加到普通气池模型中，对cod为400 mg/ l的模拟生活污水进行处理。通过与普通活性污泥法对照，发现加入铁尾矿后, 在相同的停留时间下，cod去除率显著提高。王德民,宋均平12等以低硅铁尾矿为主要原料，按照铁尾矿77%、黏土5%、煤粉3%、石灰石粉6%、kd（sio2补充剂）9%，用水量为原料总量的

18、20%的原料配比，经造粒、干燥、焙烧后制得轻质矿物多孔材料，孔径范围从几微米到几百微米，平均孔径为19. 80 m。实验表明，较广的孔径分布有利于各类微生物的附着。以该轻质矿物多孔材料为滤料的曝气生物滤料对模拟污水的处理效果良好，codcr、nh4+-n、tn 的去除率分别为84.26%、84.01%和25.87%。1.3 矿物多孔材料研究进展1.3.1 矿物多孔材料多孔材料是由相互贯通或封闭孔洞构成的网络结构的材料，主要包括多孔陶瓷材料、多孔金属材料和泡沫塑料等13。通常可利用天然矿物的结构特征或成分特点选取不同矿物作为多孔材料的原料，采用适当工艺即可制得高孔隙率和大比表面积的矿物多孔材料1

19、4。矿物多孔材料由于其内部存在均匀分布并且相互贯通的微孔或孔洞, 因此具有高孔隙率、低体积密度、较大比表面积以及十分独特的物理表面特性, 此外矿物材料还具有耐高温、抗腐蚀、优良的化学稳定性等优点，使得矿物多孔材料被广泛应用于流体过滤、分离、化工催化载体、吸声减震、高级保温材料、生物滤料等诸多领域3。特别是矿物多孔材料作为生物滤料时，当其密度与水的密度相当，可以在曝气作用下在水中均匀分布时，可称为轻质矿物多孔材料，与其他种类生物滤料相比具有质轻、耐冲刷、易挂膜等优势，因此在生活污水治理及工业废水处理中备受人们的重视和青睐15。1.3.2矿物多孔材料的制备方法 目前矿物多孔材料的制备主要采用如下方

20、法2,14,16：（1）添加造孔剂法该工艺是在配料中加入造孔剂后占据坯体空间，高温下通过挥发、燃尽或分解作用而在原位处留下孔隙。该工艺通过调节造孔剂种类和粒径可以控制多孔材料的孔隙率和孔径，一般孔隙率低于50%，且孔的分布均匀性差。（2）颗粒堆积法骨料颗粒堆积会形成空隙，在其中添加与骨料成分相同的微细颗粒，由于微细颗粒更加易于烧结，在高温下会形成液相，把骨料颗粒粘结起来。这种工艺得到的制品强度较高，但是气孔率相对较低。（3）有机泡沫浸渍法该工艺是用有机泡沫浸渍浆料，利用有机泡沫体的开孔三维网状的特殊结构，将料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状体上, 干燥后烧掉有机泡沫体从而获得多孔材料。所得制品气孔率

21、高，相互贯通且强度较高，不过所得制品孔径较大且密度不易控制。（4）溶胶凝胶法该工艺是利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理过程中留下小气孔，形成可控的多孔材料。此工艺得到的多孔材料孔径较小，易于控制并且分布均匀，但是生产率较低。（5）发泡法该工艺是向原料中添加有机或无机发泡剂，在加热过程中产生可挥发的气体，从而制备泡沫材料。得到的材料强度较高，气孔率高且封闭气孔比例较大，但是对原料要求较为严苛，工艺较难达到。在轻质矿物多孔材料制备技术的研究中，冯秀娟，余育新17等利用表面改性和添加造孔剂法相结合制备了轻质矿物多孔材料。首先将金属尾矿用hcl进行酸洗，清除杂质使其形成多孔结构，然后添

22、加粘土及粘结剂，以尾矿：炉渣：粉煤灰531的比例，制得粒径530 mm、颗粒密度1.52.5 g/cm3、堆积密度0.651.3 g/cm3、比表面积7.213.5 m2 /g、酸可溶率<0.7%、筒压强度6.59.1 mpa、吸水率0.1%5%的轻质矿物多孔材料，质量较轻并且比表面积较大，具有生物附着力强、挂膜性能良好、截污能力强、反冲洗容易进行等优点。liu yangsheng18等采用添加造孔剂法制备了轻质矿物多孔材料，其制备工艺是：以高硅铁尾矿为主要原料，市政污水污泥和粉煤灰作为添加剂，铁尾矿与粉煤灰比例为45:55，焙烧温度为1150°c，保温时间80min，升温速率

23、是21.6°cmin1的条件下制得的多孔材料密度为1.021.04 g/cm3，吸水率为23.3%。之后又分析了添加剂的制孔机理：原料中的无机碳和粉煤灰中的有机碳在焙烧过程中燃烧，生成二氧化碳气体，在材料内部产生气孔，降低材料的密度。将制备的材料用于曝气实验，污水中codcr 、nh4+-n、t-p去除率分别为92%、62%、63%，具有优良的净水作用。汪顺才、袁荣灼19等以铅锌矿浮选尾矿为原料，水玻璃和木质素作为添加剂，经造粒、干燥、焙烧、冷却制备出用于污水处理的轻质矿物多孔材料，并用其对选矿废水进行了吸附处理实验研究。结果表明，在不添加任何添加剂的条件下，800°c左右

24、烧制的轻质矿物多孔材料对选矿废水的cod吸附效果较好，cod去除率达到87.1%; 当木质素和水玻璃作为粘结剂烧制陶粒时，不仅陶粒散落减少，cod的去除率和吸附容量都有所增加，cod去除率达到了88.21%，从而达到了“以废治废”的目的。1.4 研究内容及意义目前利用高硅铁尾矿制备轻质矿物多孔材料存在的问题是尾矿加入量低，以及增加强度也会伴随着密度的增加，影响其使用寿命。 高硅铁尾矿由于其中sio2含量较高，因此可作为制备矿物多孔材料中的骨料代替石英类原料，与粘结剂、造孔剂或发泡剂按比例混合后，即可制得轻质矿物多孔材料，利用该多孔材料作生物滤料与传统生物滤料相比，具有成本低、易挂膜、净水效果好

25、等优点。本课题拟用高硅铁尾矿为主要原料，经高温焙烧、膨化等制备一种轻质矿物多孔材料，用于曝气生物滤池中做生物滤料。本研究目的在于提高高硅铁尾矿的加入量，并且使轻质矿物多孔材料同时具有较轻的质量以及较高的强度，使该材料具有良好的综合性能，为其在工业有机废水处理的广泛应用提供理论和实验依据，在资源再利用、修复环境、工业废水处理等领域中具有重要的现实意义和经济意义。本论文的主要研究内容是：（1）最佳制备工艺的确定通过优选原料、合理配比、改善性能，确定轻质矿物多孔材料的最佳原料配比，通过分析粘结剂及造孔剂含量、焙烧温度及保温时间等因素对轻质矿物多孔材料表观密度、压碎力、吸水率及盐酸溶解率等性能的影响，

26、探寻轻质矿物多孔材料的最佳制备工艺。（2）用作水处理滤料的轻质矿物多孔材料结构特征探讨通过以轻质矿物多孔材料为滤料作用于配制废水后，水质指标cod去除率的变化，评价其生化水处理效果，探寻多孔材料最佳结构特征。（3）轻质矿物多孔材料水处理作用机制探讨通过水处理时间、不同天数水质cod变化，探讨轻质矿物多孔材料水处理作用机制。2 实验2.1 实验原料本实验所用原料见下表： 表2.1 实验用原料名称规格来源铁尾矿100目河北承德凹土100目江苏碳酸钙工业级天津大学科威公司水玻璃工业级天津大学科威公司碳粉工业级天津大学科威公司盐酸分析纯天津大学科威公司活性污泥工业级天津市某污水处理厂水处理多孔材料工业

27、级金峰净水 2.2 实验仪器本实验所需的主要仪器及设备见下表：表2.3 实验用主要仪器设备仪器名称型号生产厂家微粒球磨机wl-ia天津军晟电器设备有限公司标准筛100目浙江省上虞市沙筛厂电子天平bs224s 北京赛多利斯仪器系统有限公司电热恒温干燥箱dl-201bs天津市中环试验电炉有限公司马弗炉sx-g12163天津市中环试验电炉有限公司李氏比重瓶250ml天津大学科威公司微机控制电子万能拉力实验机cmt-610深圳市新三思计量技术有限公司x射线衍射仪rigaku dmax2500pc日本理学rigaku扫描电子显微镜hitachi s-4800日本日立公司热重-差热联用仪diamod tg

28、/dta美国perkin-elmer公司溶氧量测试仪az8403台湾衡欣仪器厂2.3 实验方法（1）xrd分析采用日本理学rigaku公司生产的rigaku dmax2500pc型x射线衍射仪测试样品的晶体结构，分析其物相组成。实验条件为cu靶，电压40kv，电流100ma，扫描速度为4°/min，2范围0°90°。（2）sem分析采用日本hitachi（日立）公司生产的hitachs-4800型扫描电镜观察多孔材料的微观相貌。（3）热重-差热分析采用美国perkin-elmer公司生产的diamod热重-差热联用仪对碳粉进行热重-差热分析，用以确定造孔剂分解温度

29、。（4）表观密度表观密度指的是质量与表观体积之比，即单位体积的干质量，用表示（单位：g/cm3）。表观体积包括实体体积和闭孔体积。其测试步骤如下：1 将轻质矿物多孔材料洗净，在燥箱中100°c下干燥至恒重，其质量为m（单位：g）。2 将干燥后的轻质矿物多孔材料在水中浸泡1h。3 将轻质矿物多孔材料从水中取出，沥水后倒在拧干的湿毛巾上，让试样在毛巾上来回滚动810次，以此擦拭其表面水分。4 将试样倒入李氏比重瓶中，读出水面刻度v（单位：cm3）。5 结果计算：表观密度按下试计算： （2.1）（5）吸水率吸水率是表示物体在正常大气压下吸收水分程度的物理量，用百分率来表示，是衡量水处理用陶

30、粒性能的重要指标。测试步骤如下：1 将轻质矿物多孔材料洗净，在干燥箱100°c下干燥至恒重，其干质量为m1（单位：g）。2 将烘干后的轻质矿物多孔材料浸没入水中，浸泡1h。3 取出浸泡后的轻质矿物多孔材料，用毛巾擦拭其表面的水分，立刻称重，湿质量为m2（单位：g）。4 吸水率计算：轻质矿物多孔材料的吸水率w（单位：%）按如下公式计算：% （2.2）（6）盐酸可溶率盐酸可溶率是材料在盐酸中溶出物的质量百分率，用c（单位：%）表示。 轻质矿物多孔材料洗净，在干燥箱100°c下干燥至恒重，其质量为m1（单位：g）。 用1+1盐酸（1体积分析纯盐酸和1体积水混合）将样品浸渍。在室温

31、下静置30min。 倾倒出盐酸，反复洗涤样品直至洗净水为中性。 将洗净的样品在干燥箱100°c下干燥至恒重，其质量为m2（单位：g）。 结果计算：盐酸可溶率按下式计算：% （2.3）（7）压碎力压碎力即物料被压碎破坏所能承受的最大压力，是反应物料抵抗破坏的性能指标，用f表示（单位：kn）。其中（4）（6）项测试过程均参照行业标准水处理用人工陶粒滤料（gj/t 2992008）20。2.4 轻质矿物多孔材料水处理实验2.4.1实验装置本实验采用的模拟曝气反应器结构示意图见图2.1。实验装置由反应池、填料、曝气盘和气泵组成。其中反应池的容量为600ml，曝气盘位于其底部，与气泵相连。填料

32、在气泵的气流冲击作用下可在水中做悬浮状旋转运动，与污水充分混合接触。图2.1 模拟生物曝气反应器结构示意图2.4.2水处理实验 （1）本实验所用污水配方如表2.4所示，将各种药品准确称量后与5l自来水混合均匀，调节其ph在7.9-8.5。（2）将轻质矿物多孔材料置于105恒温干燥箱中干燥至恒重，称取100g加入到模拟曝气反应器中，同时加入20g活性污泥和500ml稀释6倍的实验污水，在不曝气的条件下闷曝3天； （3）3天后将反应器中的污水与污泥倒掉，向反应池中加入新的稀释6倍的污水；（4）打开气泵，调节气泵气阀，使水中的溶氧量维持在8mg/l左右，水中溶氧量采用溶氧测试仪测试；（5）将实验装置

33、在16-25的环境中连续运行，每隔12h更换一次污水，24h后采用cod测试装置测试反应池中cod数值并计算cod去除率。（6）重复步骤（4）直至cod数值稳定。表2.4 实验污水配方组分名称淀粉葡萄糖(nh4)2co3k2hpo4自来水质量（g）362222.48.853 轻质矿物多孔材料的制备及性能3.1 原料的优选实验所用铁尾矿及凹凸棒土（以下简称凹土）的化学成分如表3.1所示。 表3.1 铁尾矿及凹土化学成分（%）原料 sio2fe2o3 al2o3caomgok2o铁尾矿66.3914.634.974.923.541.58凹土59.114.628.860.7712.640.923.1

34、.1 原料组分及作用 材料在制备过程中若要达到较好的膨化效果，形成轻质多孔材料，除了加入适当的造孔剂外，还应满足以下两个条件21：一是在膨胀温度下能产生适当的粘度和表面张力；二是与此同时产生足够的气体。而决定材料膨胀性的主要因素是原料的种类和用量，这对制备的轻质矿物多孔材料的性能有着至关重要的影响。轻质矿物多孔材各原料的作用如下2223：（1） 高硅铁尾矿。实验所选用的高硅铁尾矿中sio2的含量为66.39%，是轻质矿物多孔材料中硅成分的主要来源及基本组分，在焙烧过程中起支撑骨架作用，其决定材料强度的大小。（2） 凹土。实验所选用的凹土中含有59.11% sio2和8.86% al2o3，也是

35、提高材料强度的重要组成成分之一。同时凹土中还含有较多的mgo、k2o、cao等熔剂组分，这类组分可起到调节原料熔点的作用，以降低材料的烧成温度，减少能耗，还可使烧成带变宽，提高成品率。凹土属粘土类矿物，在轻质矿物多孔材料的制备过程中能够赋予材料良好的粘结性和可塑性，使其易于成型，并且具有一定的初始强度。（3） 水玻璃。水玻璃即硅酸钠，又称泡花碱，在轻质矿物多孔材料中起粘结剂作用。（4） 碳粉。在轻质矿物多孔材料的煅烧过程中，当温度较高时碳粉会燃烧，生成co2或co气体，此时材料中便可产生孔隙，使材料在后续升温过程中易于膨胀。另一方面，碳粉在燃烧过程中还能提供热能，使其他原料在燃烧过程中变成溶质

36、。所以碳粉在原料中起到了造孔剂和燃料的作用。（5）碳酸钙。碳酸钙在高温分解生成cao和co2气体，起到造孔剂的作用。生成cao是熔剂组分，可以降低原料的熔点，起到助熔的作用。3.1.2 样品配方及编号riley 提出，当陶粒原料的成分处于特定范围内时，在合适的温度下，陶粒会具有良好的烧胀性，能形成孔隙率较高，质量较轻的材料。并提出了用三元法表示原料化学成分的 riley 三角形。具有良好烧胀性能的原料化学成分范围如图3.1中阴影所示。图 3.1 riley 相图中具有良好烧胀性能的原料化学成分范围如图可知，具有良好烧胀性能的原料化学范围是：sio2和 al2o3的总和，及硅铝组分含量应处于60

37、%87%范围内。由此可以制得高温下具有良好膨胀性的材料。本实验中的原料配比使原料化学成分均在上述范围内。为获得最佳原料配比，本实验共设计10组配方（见表3.2）。表 3.2 各组配方编号及原料成分质量（g）样品编号铁尾矿碳酸钙碳粉凹土水玻璃15.00.41.2000.000.8425.00.41.2000.840.0035.00.41.2000.330.0045.00.41.2000.660.0055.00.41.2000.990.0065.00.41.2001.320.0075.00.40.5730.330.0085.00.41.1460.330.0095.00.41.7190.330.00

38、105.00.42.2920.330.003.2 轻质矿物多孔材料的制备工艺轻质矿物多孔材料多为陶粒。陶粒外观大部分为圆形或椭圆形球体，其表面是一层陶质或釉质的较为坚硬的外壳，起到隔水保气作用，并使陶粒具有较高的强度。陶粒的粒径一般为 520mm范围内24。因此本实验制备的轻质矿物多孔材料采用图3.2所示工艺流程。图3.2 轻质矿物多孔材料制备工艺流程图上图的制备的工艺流程是：（1）用电子天平称取高硅铁尾矿若干，放入球磨机内的磨罐中，磨球材质为刚玉，球与料质量比为2:1，大球与小球质量比为1:2，放入磨球400g、铁尾矿200g。球磨时间为1.5h，转速为1200r/min。球磨结束后，将罐中

39、粉末与磨球分离，再将铁尾矿粉末过100目标准筛，取筛下部分备用。（2）将100目的铁尾矿粉末和凹土、碳粉、碳酸钙按比例混合，放入球磨罐中，用球磨机混匀，以800r/min的转速运行15min，然后取出混匀的粉料。（3）向混合均匀的粉料中加入适量水（约占粉料总质量的20%30%），用玻璃棒搅拌使物料与水分混合均匀。（4）将具有粘结性与可塑性的泥料制成粒径为58mm的小球。（5）成型后的球状物料在自然条件下晾干4h，然后在电热恒温干燥箱100°c下干燥1.5h。（6）碳粉的同步热分析结果如图3.3所示。由图可知，碳粉在400°c600出现明显失重，最大失重速率对应的温度约为55

40、0。因为在此温度阶段发生了碳粉的燃烧，碳粉转变成为二氧化碳气体。因此，本实验的工艺制度为用马弗炉在550预烧15min，使碳粉充分燃烧，尽可能完全转化为二氧化碳气体，充分造孔。预烧后高温焙烧，之后随炉冷却。图3.3 碳粉的热重分析图本实验采用的焙烧制度如表3.3所示。表 3.3 试样焙烧制度样品编号焙烧温度（）保温时间（min）1、21000301、21050301、21100301、21150303611003036111530361130303611453031130153113030311304531130603.3 轻质矿物多孔材料的性能3.3.1轻质矿物多孔材料的矿物组成制备的轻质矿

41、物多孔材料（9号样品）的矿物组成如图3.4所示。图3.4 轻质矿物多孔材料xrd图谱由图3.4可知，轻质矿物多孔材料的主要矿物组成是石英、斜方锰石和辉石。焙烧后生成的新物相斜方锰石和辉石使轻质矿物多孔材料具有一定的强度。3.3.2轻质矿物多孔材料的宏观及微观形貌由轻质矿物多孔材料（9号样品）的外观（图3.5）和微观形貌（图3.6）可分析其内部的孔结构及孔分布。图 3.5 轻质矿物多孔材料宏观结构图（a） 外观 （b）剖面图3. 6 轻质矿物多孔材料sem分析图：（a） 放大250倍（b）放大500倍（b） 放大10000倍 （d）孔壁多孔材料中与外界连通的孔称为开孔，不与外界连通的称为闭孔，在

42、材料内部相互联通的孔为通孔。由图3.5（a）可见，轻质矿物多孔材料的部分孔延伸至表面，与外界相通，由图3.6（a）、（b）可知，材料内部部分孔呈封闭的椭圆形，部分孔相互连通形成孔道。因此，轻质矿物多孔材料中孔类型多样，包括开孔、闭孔和通孔，且开孔与通孔所占比例大于50%。按照孔径可将多孔材料的孔分为微孔、介孔和大孔。其中孔径<2 nm的为微孔，孔径为2 50 nm范围内的为介孔，孔径>50 nm的为大孔。由图5（a）（c）可知，轻质矿物多孔材料的空洞在材料内部分布比较均匀，孔径分布较广，以介孔和大孔为主。由图5（d）可知，轻质矿物多孔材料的孔壁很粗糙，有大面积的结晶凸起，且孔内填充

43、大量细小颗粒。3.3.3轻质矿物多孔材料的理化性质对所得轻质矿物多孔材料的理化性质进行测试，结果如表3.4所示：表3.4 轻质矿物多孔材料的基本性质测试项目粒径（mm）颜色表观密度（g/cm3）压碎力（kn）盐酸可溶率（%）吸水率（%）测试结果38深灰色1.101.200.80.9<1.0410由表3.4可知，轻质矿物多孔材料的粒径为38mm，表观密度为1.11.2g/cm3。吸水率为410%。其表观密度与水的密度接近并且略重与水，粒径大小适中，在曝气过程中可在气体冲击作用下在水中运动，与水均匀充分接触，吸水率适中，水分可进入材料内部，增大与材料的接触面积，利于提高水处理效果。轻质矿物多

44、孔材料具有0.80.9kn的压碎力，可以保证在曝气池内彼此碰撞和摩擦过程中具有一定强度，减少磨损和破损，提高使用寿命。盐酸可溶率小于1%，表明轻质矿物多孔材料具有较好的化学稳定性，在污水中不易被腐蚀。3.4 影响轻质矿物多孔材料的性能的因素分析3.4.1 粘结剂种类对轻质矿物多孔材料性能的影响对1、2号样品的性能测试结果如图3.73.9所示。图 3.7 不同粘结剂材料的表观密度关系曲线图 3.8 不同粘结剂材料的压碎力关系曲线图3.9 不同粘结剂材料的吸水率和盐酸可溶率关系关系曲线由图3.7可知，在不同温度下焙烧时，1号样品的表观密度为1.61632.6760g/cm3，2号样品的表观密度为1

45、.23631.9588g/cm3，即随着焙烧温度的增加其二样品的表观密度都呈上升趋势，且1号样品的表观密度高于2号样品，相同焙烧温度下差值约为0.5g/cm3，两样品表观密度的差异是由于粘结剂种类的不同造成的，凹土相对于水玻璃来说，本身密度更小、质量轻且有较大的比表面积，制得的轻质矿物多孔材料内部结构较为疏松，孔洞较为发达，因此表观密度较低。所以以凹土为粘结剂可制得质量更轻的多孔矿物材料。在图3.8中，焙烧温度为10001100时，1号样品的压碎力均高于2号样品，但当温度升至1150时，二样品的压碎力趋于相等，说明两种粘结剂均能赋予材料较好的粘结性与可塑性，使材料具有一定的强度。分析图3.9可

46、知，1号样品在温度为10001100时其吸水率由15%下降至0，而2号样品在温度为10001150时的吸水率由30%下降至0。在相同被烧温度下2号样品比1号样品吸水率高的原因是由于2号样品内部孔道结构发达，易于水分进入导致的。由图3.8中的盐酸可溶率曲线可以看出，在不同温度下焙烧时，1号样品盐酸可溶率匀小于0.5%。当焙烧温度高于1050°c时，2号样品也能达到较低的盐酸可溶率。由此可知，以两种粘结剂均可制得盐酸可溶率符合行业标准的轻质矿物多孔材料。由以上分析可知，2号样品比1号样品具有更低的表观密度，而压碎力、吸水率和盐酸可溶率均可通过调节焙烧温度得到调整，因此，表观密度较低的2号

47、样品性能较优，所以选择凹土为最佳粘结剂。3.4.2 粘结剂加入量对轻质矿物多孔材料性能的影响对36号样品的性能测试结果如图3.103.12所示。图 3.10 不同凹土含量材料的表观密度曲线图 3.11 不同凹土含量材料的压碎力曲线图 3.12 不同凹土含量材料的吸水率和盐酸可溶率曲线由图3.10可知，凹土含量由5%增加到20%时，轻质矿物多孔材料的表观密度由1.1167g/cm3缓慢增加至2.1163g/cm3，增加凹土成分含量，可起到降低原料烧成温度的作用，但凹土本身密度较小，比表面较大，所以增加凹土含量，不会使材料的表观密度有大幅度提高趋势。轻质矿物多孔材料的表观密度越小，说明结构越疏松，

48、内部孔道越发达，实体部分，即孔壁所占体积比例就越小，因此载荷承载能力就越低，强度就越低，相应的压碎力数值就会越小。在图3.11中，当凹土含量由5%增加到15%时，压碎力数值变化较小，缓慢增加，当凹土含量增加至20%时，压碎力增长较快，达到1.359kn，说明此时烧结完全。由图3.12表明，凹土含量变化对吸水率和盐酸可溶率影响不大，在凹土含量由5%上升至20%过程中，轻质矿物多孔材料的吸水率在17%范围内变化，盐酸可溶率均小于0.4%，具有较好的化学稳定性。由以上分析可知，凹土含量的增加会引起表观密度和压碎力的增加，基于对轻质多孔材料表观密度的要求，在压碎力差异不明显时应优先考虑较低的表观密度，

49、选择添加5%的凹土为最佳方案。3.4.3 焙烧温度对轻质矿物多孔材料性能的影响将3号样品在1100、1115、1130、1145焙烧30min，制得的轻质矿物多孔材料的性能测试结果如图3.133.15所示。图3.13 不同焙烧温度材料的表观密度曲线图3.14不同焙烧温度材料的压碎力曲线图3.15 不同焙烧温度材料的吸水率、盐酸可溶率曲线图3.13表明，温度由1100升高至1115时，样品的表观密度由1.4697g/cm3下降至1.1048g/cm3，在温度由1115升高至1130过程中，样品表观密度基本不变。当温度进一步升高至1145时，样品的表观密度又由1.1167g/cm3缓慢上升至1.4

50、907g/cm3。由图3.14可知，压碎力与表观密度变化趋势相同，温度为1115时，压碎力最小其值为0.379kn，之后压碎力随温度增加而增加，当温度升至1145时，压碎力数值为1.213kn。分析其变化原是因为当温度高于1100时样品开始出现液相，并且液相量逐渐增加，表面粘度逐渐减小，因此有更多的气体可以在材料内部形成气孔，材料气孔率增加，表观密度下降，强度也随之下降。但当温度继续升高后，液相含量增加较快，粘度下降，使部分气体逸出，难以再在材料内部形成气孔，且在低温阶段由造孔剂产生的气孔会随着焙烧温度的升高而闭合，因此样品的表观密度又再次上升。由图3.15可看出，当温度小于1115时，样品的

51、吸水率和盐酸可溶率稍高，分别为18.08%和1.25%，因为烧结尚未完全完成，样品内部仍是疏松结构，水分容易进入，并且化学稳定性较差。随着温度升高，烧结更加完全，样品的吸水率和盐酸可溶率均减小并趋于稳定。由以上分析可知，在111和1130焙烧的样品表观密度较低，吸水率和盐酸可溶率均达到行业标准，但是1130焙烧的样品压碎力数值大于1115焙烧的样品，因此选择1130为最佳焙烧温度。3.4.4 保温时间对轻质矿物多孔材料性能的影响3号样品在1130焙烧，分别保温15、30、45、60min后得到轻质矿物多孔材料，对其性能测试结果如图3.163.18所示。图 3.16 表观密度与保温时间的关系曲线

52、图3.17 压力与保温时间的关系曲线图3.18 吸水率、盐酸可溶率与保温时间的关系曲线参见图3.16可知，当保温时间为15min时，由于保温时间较短，样品内部与表面的焙烧并不完全。随着保温时间的延长，样品内外的温度达到一致，并且在该温度下液相含量逐渐增多，表面具有一定粘结性，气体在材料内部形成气孔，材料体积发生膨胀，表观密度下降；保温30min时，材料表观密度为1.1163g/cm3。保温时间继续延长，液相含量继续增加，材料内部产生更多气孔，此时一些小气孔会合并成大气孔，使材料体积进一步膨胀，引起表观密度的继续下降。压碎力的变化趋势如图3.17所示，与表观密度变化趋势基本一致。随着材料内部孔隙

53、率增加，孔体积增大，材料的实体部分比例越小，强度越小，压碎力会随之减小。样品的吸水率和盐酸可溶率如图3.18所示，保温时间对吸水率和盐酸可溶率影响并不大。保温时间由15min延长至60min过程中，样品的吸水率由3.98%5.68%范围内变化，盐酸可溶率在0.14%0.17%范围内变化，数值较小，说明材料在不同保温时间均具有较好的化学稳定性。由以上分析可知，不同保温时间的样品吸水率和盐酸可溶率相差不大，而保温30min的样品具有较低的表观密度和较高的压碎力，选择30min为最佳保温时间。3.4.5 造孔剂对轻质矿物多孔材料性能的影响 710号样品在1130焙烧，保温30min后冷却，对其性能测

54、试，结果如图3.193.21所示。图 3.19 不同造孔剂含量材料的表观密度曲线图3.20不同造孔剂含量材料的压碎力曲线图3.21不同造孔剂含量材料的吸水率、盐酸可溶率曲线造孔剂含量增加，高温时由于造孔剂燃烧或分解产生的气体数量就会增加，因而会在材料内部留下更多的孔隙，材料内部结构更加疏松，表观密度随之降低。表观密度变化趋势如图3.193.21所示，在造孔剂由10%增加至40%过程中，表观密度由1.1230g/cm3下降至1.1032g/cm3。材料内部空隙的增多会伴随强度的下降，因此压碎力由0.936kn下降至0.643kn。造孔剂由10%40%范围内变化时，吸水率在4.80%至6.90%范

55、围内变化，盐酸可溶率在0.53%0.80%范围内变化，具有较好的化学稳定性。由以上分析，同时兼顾较低的表观密度和较高的压碎力，选择30%为最佳造孔剂添加量。综上所述，轻质矿物多孔材料的最佳制备工艺为：各原料按铁尾矿：凹土：碳粉：碳酸钙=5:0.33:1.719:0.4的比例混合，成型干燥后，经预热，然后在1130焙烧30min，可制得表观密度为1.1160g/cm3、压碎力0.802kn、吸水率为4.80%、盐酸溶解率为0.67%的轻质矿物多孔材料。所得轻质矿物多孔材料孔隙率较高，孔径分布广，孔壁粗糙。4 轻质矿物多孔材料的水处理性能研究4.1 多孔材料水处理效果评价本实验将市售水处理用多孔材料与实验制备的轻质矿物多孔材料在相同条件下进行水处理实验，以此对比二者的水处理效果。市售水处理多孔材料外观为深灰色，平均粒径5cm，表观密度为1.6082g/cm3，用xrd分析其矿物组成，其主要矿物组成为石