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粉煤灰/电解锰渣地质聚合物材料的制备及其性能研究

王亚光  
【摘要】:地质聚合物作为近年来国际上研究新型绿色胶凝材料的热点。它具有快硬早强、耐久耐腐蚀性好、原料易得、工艺简单、节能环保等优点;同时其独特的三维网络结构,对重金属具有良好的固化效果。地质聚合物的原料主要为硅铝酸盐和碱激发剂;因此,许多含硅铝酸盐的工业废料都有可能作为地质聚合物合成原料。我国存在大量的固体废弃物粉煤灰和含重金属的电解锰渣,针对这些物质目前尚无有效的处理方法。粉煤灰和电解锰渣的大量堆积对空气、水及土壤造成巨大的危害。本文针对粉煤灰、电解锰渣及重金属严重污染环境的问题:利用粉煤灰和电解锰渣制备地质聚合物材料,利用粉煤灰制备地质聚合物多孔材料,利用地质聚合物材料对重金属进行固化、吸附研究。实现粉煤灰和电解锰渣减量化、无害化和资源化的有效利用途径,其在环保、经济及社会上具有重大的意义。本文主要研究粉煤灰地质聚合物材料的力学性能的影响因素及其对重金属Mn~(2+)、Cd~(2+)、Pb~(2+)和Cr~(3+)固化效果;粉煤灰和电解锰渣制备地质聚合物的工艺参数及电解锰渣掺量对地质聚合物性能的影响;粉煤灰地质聚合物多孔材料的制备工艺对其性能影响;粉煤灰地质聚合物多孔材料对Cu~(2+)的吸附效果。利用XRD、FTIR、SEM-EDS和ICP-AES等对样品的结构、形貌和毒性浸出等进行测试表征。研究结论如下:粉煤灰在最佳工艺参数下制备的地质聚合物28 d抗压强度达44.1 MPa。粉煤灰地质聚合物对1 wt%-3 wt%重金属Mn~(2+)、Cd~(2+)、Pb~(2+)和Cr~(3+)固化率均达到99.9%以上,对重金属固化效果为Pb~(2+)Cr~(3+)Cd~(2+)Mn~(2+)。1.5 wt%Pb~(2+)样品28 d抗压强度为49.34MPa。其他固化体样品抗压强度均在20 MPa以上。XRD、FTIR和SEM测试结果表明粉煤灰地质聚合物固化前后的物相及对应的特征峰发生变化,样品均具有致密的微观结构,但形貌有所不同。当电解锰渣掺量为30%时,粉煤灰-电解锰渣地质聚合物样品28 d的抗压和抗折强度分别为43.46 MPa和9.92 MPa。电解锰渣掺量大于30%时,样品的抗压强度均在15 MPa以上。XRD、FTIR和SEM分析表明样品反应产物中有一些含重金属离子的硅铝酸盐矿物生成,Si-O-T(T=Si或Al)峰位置发生偏移且所有样品微观结构均较为致密。EDS和毒性浸出结果显示电解锰渣中的重金属离子被有效固化。以粉煤灰、碱激发剂、H_2O_2和N16型稳泡剂在最佳工艺条件下制备的多孔材料抗压强度为0.73 MPa,体积密度为0.46 g/cm~3,孔隙率高且孔径大小分布较为均匀。粉煤灰地质聚合物多孔材料可以有效的吸附Cu~(2+)。在固液比为5 g/L、pH=6的条件下对200 g/L的Cu~(2+)溶液中Cu~(2+)去除率为85%。吸附等温线符合Langmuir等温吸附模型,传质过程与准二级动力学模型相符。


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