以失效磷酸基拋光液為激發(fā)劑制備地質聚合物的研究與應用.pdf

1、廣西是中國著名的有色金屬之鄉(xiāng)，蘊藏有大量的鋁、錳等金屬礦藏，每年生產氧化鋁和電解錳都產生大量的赤泥（red mud）和電解錳渣(Electrolytic Manganese Residue，EMR)等污染性廢渣，如不及時處理，將給當地生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞。失效磷酸基拋光液(phosphoric acid-based disused polishing liquid)是一種鋁材料加工過程產生的工業(yè)廢液，主要成分為磷酸，還含有少量的硫酸和

2、硝酸，此外，還含有大量鋁、鐵離子以及鎘、銅、砷等重金屬離子，如果不經處理而排放，將會對環(huán)境造成嚴重污染，也造成寶貴的資源嚴重浪費。
　　磷酸基地質聚合物是一種近年開發(fā)的新型材料，具有強度高、防火耐高溫、耐酸堿侵蝕、介電常數和介電損耗低等優(yōu)點。本文以模擬軟件Materials Studio8.0中的DMol3模塊在基于密度泛函(DFT)理論的基礎上，對磷酸激發(fā)地質聚合物的縮合機理進行了研究;在此基礎上，論文以失效磷酸基拋光液、偏高嶺

3、土、赤泥和電解錳渣為主要原料，分別制備了偏高嶺土基地質聚合物、赤泥基地質聚合物和錳渣基地質聚合物，并對多孔赤泥基地質聚合物材料和輕質復合錳渣赤泥基防火耐高溫材料進行了探索性研究。主要研究結果如下:
　　(1)基于密度泛函(DFT)理論，應用Materials Studio8.0中的DMol3模塊對磷酸激發(fā)下產生的[AlO4]-、[SiO4]-和[PO4]-經過排列組合、理論分析而確定了6種可能存在的初始態(tài)模型并對其進行了優(yōu)化計算，

4、在此基礎上結合縮聚反應機理，對12種終態(tài)模擬結構進行了優(yōu)化計算。計算結果表明:1）在同等條件下，磷氧四面體優(yōu)先與硅氧四面體結合，生成[—P—Si—Al—]n縮合結構，與傳統認為的[—P—Al—Si—]n縮合結構不同;2）[Al2Si2O4(OH)8]-2(4sr)構型和[Al2Si2PO6(OH)9]-2(4sr-Si-P)構型是地質聚合物縮合反應中最有可能存在的構型，其次是[Al2Si2PO6(OH)9]-2(4sr-Al-P)構型;

5、3）除2sr構型和4sr構型外，其它2Dr-Si-P構型、4Dr-Si-P構型、6sr-Si-P構型、6Dr-Si-P構型、2Dr-Al-P構型、4Dr-Al-P構型、6sr-Al-P構型和6Dr-Al-P構型也有可能同時存在于反應物和生成物中，具體以哪一種為主，主要取決于反應物中的硅、鋁含量。
　　(2)利用失效磷酸基拋光液激發(fā)偏高嶺土制備地質聚合物。在偏高嶺土∶失效拋光液∶水=10∶6∶3（質量比）;反應溫度為60℃;養(yǎng)護時間

6、為5d較優(yōu)工藝條件下，合成了具有較高抗壓強度、良好固化金屬離子能力、防火耐高溫和具有一定耐酸堿侵蝕性能的偏高嶺土基地質聚合物。其最高抗壓強度可達79MPa;優(yōu)良的固化金屬離子性能，特別是對Pb、Cr等重金屬離子具有很強的固化作用;能耐1300℃高溫;耐水性能良好，可作為固體酸載體材料，在1％以內低濃度HCl、H2SO4和NaOH溶液中具有良好的耐腐蝕性能。
　　(3)以失效磷酸基拋光液為激發(fā)劑，以赤泥為主要原料，添加適量偏高嶺土制

7、備赤泥基地質聚合物。在赤泥∶偏高嶺土∶失效拋光液∶水=8∶4∶8∶2（質量比），反應溫度為50℃，養(yǎng)護時間為1d的較優(yōu)工藝條件下，合成了赤泥基地質聚合物。赤泥基地質聚合物最高抗壓強度可達20MPa;具有優(yōu)良的耐水性能，長期浸泡無變化，可作為固體酸的載體;具有耐低濃度HCl和H2SO4溶液侵蝕能力，耐NaOH溶液侵蝕性能較好，在高濃度HCl和H2SO4溶液中受侵蝕嚴重;利用其反應時產生的二氧化碳，可制備成具有良好的成孔性能的多孔材料，水添

8、加量對其吸水率和體積密度具有重要影響;在制備多孔赤泥基地質聚合物時，添加適量偏高嶺土不僅有助于顯著提高多孔赤泥基地質聚合物抗壓強度，還可明顯提高其成孔質量;具有優(yōu)良的固化金屬離子性能，特別是對Pb、Cd和Cu等重金屬離子和Al和Fe等常見金屬離子具有很強的吸附、固化作用。在此基礎上，對多孔赤泥基地質聚合物材料進行了探索性研究。
　　(4)以失效磷酸基拋光液為激發(fā)劑，以電解錳渣為主要原料，添加適量偏高嶺土制備錳渣基地質聚合物。在錳渣

9、∶偏高嶺土∶失效拋光液∶水=30∶9∶15∶4（質量比）;反應溫度為70℃;養(yǎng)護時間為7d的較優(yōu)工藝條件下，合成了錳渣基地質聚合物。其最高抗壓強度可達51MPa;具有優(yōu)良的耐水性能，可作為固體酸的載體材料，在1％以內低濃度NaOH溶液中具有良好的耐腐蝕性能，耐HCl和H2SO4腐蝕性能較差;具有優(yōu)良的固化金屬離子性能，特別是對Cr、As、Cu和Cd等重金屬離子具有很強的固化作用，但對Mg和Mn離子固化性較差。在此基礎上，對輕質耐高溫復合

10、錳渣赤泥基地質聚合物材料進行了探索性研究，合成了輕質復合錳渣基地質聚合物材料，材料主要性能達到GB/T15229-2011《輕集料混凝土小型空心砌塊》標準。
　　(5)研究了解聚溫度、解聚時間和硫酸對解聚反應過程的影響，以及硫酸、金屬離子和活性硅含量對聚合反應過程的影響，研究表明:1）低添加量硫酸有助于解聚反應過程鋁的溶出，有助于提高地質聚合物抗壓強度，起協同激發(fā)和催化劑的作用，高添加量硫酸制備的聚合物主要生成硫酸鋁，抗壓強度降低