赤泥质多孔陶瓷材料的制备及对重金属Cr(Ⅵ)吸附的研究

摘要

赤泥是在制铝工业提取氧化铝过程中排出的具有污染性的废渣,如何安全而有效的将赤泥资源化再利用,成为了环保领域的研究重点和热点。本研究以拜耳法赤泥为主要原料辅以粉煤灰等工业固体废弃物制备赤泥质多孔陶瓷材料,通过XRD、XRFA、TG-DSC、SEM及ICP-MS等技术手段对原材料的化学组成、物相组成、高温特性、微观结构及重金属浸出等方面进行分析,以气孔率、吸水率、体积密度等指标评价赤泥质陶瓷的物理性能,以耐酸耐碱性为指标考察了陶瓷的化学稳定性。通过压汞仪(MIP)分析了焙烧过程中多孔陶瓷内部孔径分布规律。采用成孔剂石墨和白云石对多孔陶瓷气孔率进行调控,分析了其成孔机理。以赤泥质多孔陶瓷为载体负载 Fe(Ⅲ)-壳聚糖金属配合物(Fe-CST),制备新型吸附材料(Fe-CRMC),研究其对水中Cr(Ⅵ)的吸附和脱附再生性能。研究获得的结论如下:
　　(1)赤泥的矿物组成较复杂,其主要化学成分为 Fe2O3,并不适宜单独制备多孔陶瓷;赤泥具有10.97％的烧失量,其内部的水合矿物质及方解石等能在高温下分解产生气体,形成多孔结构。
　　(2)研究了骨料配方和热工制度对赤泥质多孔陶瓷性能的影响。在最佳热工制度下,即预烧温度400℃,预烧保温时间20min,焙烧温度1140℃,焙烧保温时间40min,制备的骨架配方B6赤泥质多孔陶瓷(拜耳法赤泥添加量60wt%,粉煤灰添加量25wt%,坭兴陶土添加量10wt%,添加剂添加量5%),其显气孔率为29.87%,吸水率为8.79%,体积密度为1.57 g·cm-3,耐酸性98.99%,耐碱性97.65%。。
　　(3)在最佳热工制度下,添加高温成孔剂石墨和白云石对多孔陶瓷的气孔率进行调控。当典型配方GB-4石墨的添加量为20wt%时,多孔陶瓷的显气孔率为55.24%,吸水率为36.73%,体积密度为1.36g·cm-3,化学稳定性表现为耐碱性是97.6%,耐酸性是93.5%。当典型配方DB-4白云石的添加量为20wt%时,样品的显气孔率为43.69%,吸水率为36.24%,体积密度为1.73g·cm-3,化学稳定性表现为耐碱性是98.8%,耐酸性是81.4%。
　　(4)未改性的骨架配方B6、GB-4和DB-4,自身均具有一定的吸附能力,其中添加石墨20%的GB-4对Cr(Ⅵ)的吸附效果更为显著,GB-4在经0.01 mol·L-1的Fe-CTS负载改性后,制备的Fe-CRMC对水中Cr(Ⅵ)的去除率提高由28.38%提高至84.25%。
　　(5)Fe-CRMC对水中Cr(Ⅵ)具有较好吸附与脱附再生性能。在Cr(Ⅵ)初始浓度为20 mg·L-1,pH值为5.0,Fe-CRMC的投加量为40 g·L-1,吸附反应时间为180 min的情况下,对水中Cr(Ⅵ)的去除率可达94.22%。吸附饱和的Fe-CRMC,经0.01mol·L-1 NaOH的脱附效果比较稳定,再生性能最好,经再生三次后对Cr(Ⅵ)的吸附能力仅从87.46%降至72.6%。

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符号说明

第一章 绪论

1.1 赤泥概述

1.2 多孔陶瓷概述

1.3 含铬废水的处理现状

1.4 研究目的与意义

1.5 研究内容与技术路线

第二章 实验试剂、仪器和实验方法

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器、设备

2.3 多孔陶瓷的性能指标及测试方法

2.4 赤泥质多孔陶瓷的制备

2.5 静态吸附与脱附再生实验方法

第三章 实验原料分析

3.1 原料的化学组成及矿物分析

3.2 原料的综合热分析

3.3 原料的显微结构分析

3.4 原料重金属的浸出分析

3.5 本章小结

第四章 赤泥质多孔陶瓷骨料配方及焙烧热工制度的研究

4.1 赤泥质多孔陶瓷骨料配方的选择

4.2 热工制度的优化研究

4.3 赤泥质多孔陶瓷骨料配方的表征

4.4 本章小结

第五章 成孔剂对赤泥质多孔陶瓷气孔率调控的研究

5.1 添加成孔剂的配方设计与样品制备

5.2 成孔剂的添加量对多孔陶瓷性能的影响

5.3 添加成孔剂的典型配方多孔陶瓷的表征

5.4 本章小结

第六章 改性多孔陶瓷吸附材料的制备及去除Cr(Ⅵ)的研究

6.1 Fe-CRMC的制备

6.2 Fe-CRMC对含Cr(Ⅵ)废水的静态吸附实验研究

6.3 脱附再生实验研究

6.4 本章小结

第七章 结论和展望

7.1 结论

7.2 本文的创新点

7.3 存在的问题与建议

参考文献

致谢

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