利用离子型稀土尾矿制备地聚合物多孔材料及其性能研究

摘要

离子型稀土尾矿是由早期离子型稀土矿的桶浸和池浸工艺产生的，由于开采工艺落后，监管力度不严，导致尾矿量巨大，使生态环境造成严重恶化，因此，对离子型稀土尾矿进行综合利用是当前亟待解决的问题。地聚合物是一种新型的胶凝材料，原料来源广泛，性能与普通陶瓷和水泥相近，甚至在某些方面优于二者，应用面广，但在多孔材料方面的应用还需要系统的研究。本文以离子型稀土尾矿为研究对象，对离子型稀土尾矿进行活化研究，使离子型稀土尾矿的综合利用具备一定条件；且以此为主要原料制备地聚合物多孔材料，并对该材料的保温性能和热稳定性进行研究。
　　为提高稀土尾矿的活性，采用机械球磨及加热煅烧对稀土尾矿进行活化，通过采用碱溶浸出法评价活化后稀土尾矿的活性，探索最佳的活化条件，并用XRD、FTIR对活化稀土尾矿的活性进行判断。试验结果表明，通过球磨4 h，在750℃下煅烧2 h，活化稀土尾矿中硅铝浸出浓度最大，表明此时稀土尾矿的活化程度最高，同时活化后，稀土尾矿的物相发生了变化，晶体无序度增加，产生了具有活性的无定型物质，且主要原因是由于稀土尾矿物质内部的脱羟基化造成的。
　　利用活化稀土尾矿为主要原料，通过加入碱激发剂搅拌、混匀、注模制的聚合物，以抗压强度为考察指标，采用正交实验法对地聚合物的制备配方进行优化，并利用 XRD、FTIR、SEM对优选试样的微观结构进行表征。实验结果表明，碱激发剂中Na与稀土尾矿中 Al的摩尔比对地聚合物的抗压强度影响最大，正交实验得出的最佳方案是 nNa/nAl为0.8，水玻璃模数为1.5，水固比为0.5，此时地聚合物的7d抗压强度最大为18.89 MPa。XRD、FTIR及SEM分析共同表明，地聚合物是一种由硅氧四面体和铝氧四面体组成的网状结构的无定型胶凝物质，稀土尾矿中参与地聚合反应主要起作用的物质是高岭石，石英和长石起骨料的作用。地聚合物中胶凝物质将这些未反应或部分反应的颗粒粘结起来，结构致密，使地聚合物形成一定的强度。
　　以地聚合物为基体材料，采用发泡法，分别以过氧化氢、十二烷基硫酸钠和复合发泡剂为发泡剂制备地聚合物多孔材料，研究了发泡剂的用量，搅拌速度，养护温度等因素对多孔材料的强度、体积密度和气孔率的影响，并通过扫描电镜对不同发泡剂制备的多孔材料的微观孔结构进行了分析。试验结果表明，过氧化氢对多孔材料性能影响最大，以过氧化氢为发泡剂制得的多孔材料气孔率在43.32％～76.68%之间，体积密度在0.56～1.36 g/c m3之间，抗压强度在0.94～13.56 MPa之间；过氧化氢和十二烷基硫酸钠复合发泡剂次之，制得的多孔材料气孔率在66.89%～87.36%之间，体积密度在0.30～0.79 g/c m3之间，抗压强度在0.26～5.80 MPa之间，十二烷基硫酸钠对多孔材料的影响最弱，制得的多孔材料气孔率在56.12%～62.58%之间，体积密度在0.9～1.05 g/c m3之间，抗压强度在4.62～8.54 MPa之间。采用前两种发泡剂能得到气孔率较高的多孔材料，过氧化氢为发泡剂时，气孔分布不均，孔径较大，多为闭孔，且强度较高，适合应用于对强度要求高于气孔率的领域；使用复合发泡剂时，气孔分布较均匀，孔径较小，多为闭孔，适合用作保温绝热材料。后者制备的多孔材料气孔率较低，气孔分布均匀，孔径适中，且多为通孔，适合用作净化过滤材料。
　　使用复合发泡剂，将泡沫浆体注入到300×300×10 mm的模具中，在80℃下养护12h，固化成型得到测试要求的试样，采用双护热平板法测量不同体积密度下多孔材料的导热系数，选择最优试样进行热稳定的测试，测试不同煅烧温度下多孔材料的抗压强度，且分别运用热重差热分析、XRD、FTIR、SEM对多孔材料的热稳定性进行研究。试验结果表明，多孔材料的保温系数在0.1238～0.2150 W/(m·K)，保温性能良好，有较高的热稳定性，热处理后最低抗压强度在1.5 MPa以上，在600℃之后会发生相变，1000℃会烧熔收缩。
　　本研究证实了离子型稀土尾矿经活化能够制备出具备良好性能的地聚合物多孔材料。

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第一章 绪 论

1 .1 课题来源

1 .2 离子型稀土尾矿的产生及危害

1 .3 稀土尾矿的综合利用研究现状

1 .4 地聚合物的研究现状

1 .5 无机多孔材料

1 .6 研究目的、意义及研究内容

第二章 试验原料、设备及研究方法

2 .1 试验原料及性质

2 .2 试验仪器及设备

2 .3 研究方法

第三章 离子型稀土尾矿的活化预处理及地聚合物的制备

3 .1 稀土尾矿的活化处理

3 .2 稀土尾矿地聚合物的制备及结构表征

3 .3 结果与分析

3 .4 本章小结

第四章 离子型稀土尾矿地聚合物多孔材料的实验研究

4 .1 地聚合物多孔材料的制备

4.2 地聚合物多孔材料孔结构微观分析

4 .3 结果与分析

4 .4 本章小结

第五章 地聚合物多孔材料的保温性能及热稳定性研究

5 .1 地聚合物多孔材料的保温性能

5 .2 地聚合物多孔材料的热稳定性研究

5 .3 结果与分析

5 .4 本章小结

第六章 结 论

参考文献

致谢

附录

附 录A 攻读学位期间发表的论文

附 录B 攻读学位期间参与的科研项目