Investigation - on - the - activation - of - coal - gangue - by - a - new - compound - method

Investigation on the activation of coal gangue by a new compound method

《有害物质

1 - 3卷179年问题15 2010年7月,页515 - 520

调查活化煤矸石的一种新的化合物的方法

∙ ,

∙ ,

∙ ,

∙ 国家重点实验室的新陶瓷和细加工、材料科学与工程系,清华大学,北京100084,中国

∙ 资源与安全工程学院,中国矿业大学和技术,北京100083,中国

∙ 工程和计算机科学学院的太平洋大学斯托克顿,CA 95211,美国

∙ 收到了2009年10月30日,修改后的2 2010年3月,网上接受6 2010年3月,2010年3月12日

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∙ http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.03.033

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文摘

为了综合利用煤矸石为主要原料在胶结材料,改善其胶结的活动是至关重要的问题。 在本文中,我们提出一个新的化合物mechanical-hydro-thermal激活(CMHTA)技术探讨活化煤矸石的影响,与传统mechanical-thermal激活(TMTA)技术作为参考。 本研究的目的是给一个详细的对比这两种方法对矿物成分、晶体结构和微观结构,通过XRD、IR、MAS NMR、XPS和力学性能分析。 准备的煤矸石混合水泥,包含52%的激活煤矸石C(CMHTA技术),有更好的力学性能比激活煤矸石T(TMTA技术)和原始煤矸石。 结果表明,这两个TMTA和CMHTA技术可以大大提高原始煤矸石胶结的活动。 此外,与TMTA相比,长石等矿物阶段和莫斯科在原始煤矸石部分分解,以及石英的结晶度下降,由于添加曹和水热过程的影响CMHTA技术。

关键字

∙ 煤矸石;

∙ 复合mechanical-hydro-thermal激活(CMHTA);

∙ 传统mechanical-thermal激活(TMTA)

1。 介绍

煤矸石是一个复杂的工业固体废物当煤是发掘和洗在生产过程。 它的主要化学成分是SiO2和阿尔2O3,它的主要矿物组成是石英和长石。 大量的煤矸石堆积在中国已经达到38亿吨;此外,煤矸石的储备增加每年02亿吨的速度。 处理如此大量的固体废物需要大量的土地,造成了许多严重的环境问题。

许多研究已经进行了探讨煤矸石在建筑材料的使用, , 和。 然而,煤矸石在水泥掺合料的利用率一直是低于15%由于其弱胶结能力。 为了充分利用煤矸石胶结材料,如何提高其胶结的活动是至关重要的问题。

一般来说,可以激活煤矸石在三个方面:物理活化(机械活化),热活化和化学激活。 机械活化是一个物理过程,发生在机械催化剂(特别是球磨机),旨在改善材料的活动只有减少颗粒大小不需要化学试剂的应用。 郭et al。进行了一项研究在结构和火山灰活性煅烧煤矸石在机械活化过程中,他们发现,随晶粒尺寸降低,火山灰活动增加,归因于6-coordinated铝和Q的瓦解二氧化硅。 热激活是一个普遍的方法,它在中国已被许多研究人员广泛研究。 煤矸石的活性可以提高的无序含有粘土的热激活。 首歌等。报道称,煅烧煤矸石在700°C有更好的活动。 他们还提到,煅烧钙是一个很好的方法来改善其活动,具有积极的影响silicon-oxide多面体的分解。 与此同时,布林德利和Nakahira和研究高岭石的相变温度上升的过程,并指出形成的偏高岭土在500°C,然后转向Si尖晶石在925°C和莫来石在1400°C,分别。 化学活化方法使用化学药剂,特别是碱性溶液,与非晶态铝硅酸盐反应,如偏高岭土或煅烧粘土,这可以产生无机粘结剂具有优良的物理和化学属性,名为“地质聚合物”。 但在化学激活之前,应该煅烧煤矸石增加其无定形铝硅酸盐化学激活使用。

是很常见的,我们把其中的一些方法治疗煤矸石,特别是机械和热激活。 在本文中,我们提出一个新的化合物mechanical-hydro-thermal激活(CMHTA)技术(节中详细描述)探讨活化煤矸石,和传统mechanical-thermal激活(TMTA)技术作为参考。 本研究的目的是详细对比这两种方法对矿物成分、晶体结构和微观结构。 第一次,这些都是强调之间的相同点与不同点的x射线衍射分析、红外光谱、艾尔和Si MAS NMR光谱、XPS分析。

2。 实验过程

2.1。 原材料

煤矸石中使用这个实验从北京房山区。 所示的矿物相由XRD决定。 粒状高炉矿渣是由唐山钢铁冶炼工厂,与布莱恩452的比表面积/公斤。 从京东水泥厂熟料样品是用于这个调查。 原材料的化学成分和物理性质了。

∙ 图1。XRD的原始煤矸石模式。

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∙ 表1。原材料的化学成分和物理性质光谱仪。

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2.2。 激活方法

传统mechanical-thermal激活和化合物的原理图所示mechanical-hydro-thermal激活技术。 TMTA技术,原始煤矸石是干磨30分钟到布莱恩520的比表面积/公斤。 煅烧后在800°C 2 h,激活煤矸石(T)在空气冷却,然后用胶结材料的准备活动评估测试。 TMTA CMHTA技术有点不同,和CMHTA的差异主要反映在三个方面:首先,曹8%添加到原料,湿磨20分钟到布莱恩518的比表面积/公斤;其次,混合磨碎的材料被水热在80°C 6 h处理;第三,材料颗粒直径10毫米。 然后,材料在800°C 2 h,煅烧生成激活煤矸石(C)。

∙ 图2。原理图的传统mechanical-thermal激活(TMTA)和复合mechanical-hydro-thermal激活(CMHTA)技术。

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2.3。 测试条件

原材料的元素成分进行的x射线荧光分析仪(光谱仪- 1700)。

x射线粉末衍射数据收集使用Rigaku D / max-RB粉末衍射仪、铜Kα辐射(40千伏;100 mA)。

傅里叶变换红外(FTIR)光谱获得使用频谱GX,PE红外光谱谱仪在吸收模式使用KBr颗粒技术(1 - 2毫克样品与200毫克KBr)。

Si和艾尔固态MAS NMR光谱进行Bruker是300光谱仪操作在59.62和78.20 MHzSi和分别Al共振频率。

x射线光电子能谱(XPS)收集与φ- 5300光电子能谱仪,Mg / Al Kα辐射。 实验条件的400 W的力量,通过能源37.25 eV分析燃烧室压力低于6×10Pa。

测试强度发展是根据中国标准GB / t17671 - 1999,水灰比0.50和水泥砂比1:3。 砂浆标本大小的40.0毫米×40.0毫米×160.0毫米在潮湿的内阁在95%湿度,治愈20°C 24 h后脱模,然后放置在等温固化内阁在前面提到的湿度和温度,直到所需的测试。

3。 结果

3.1。 XRD分析

XRD的模式激活煤矸石C和T CMHTA和TMTA技术介绍。 相比之下,,我们可以发现,没有一丝绿泥石(Mg5硅铝合金3氧化铝10(哦)8和高岭石2Si2O5(哦)4)在激活煤矸石C、T、SiO已分解到活跃2和阿尔2O3。 这些显而易见的差异如下:在激活煤矸石,长石(KAlSi的晶体结构3O8)和莫斯科(粗铁3Si3O10(哦)2TMTA技术)仍然存在,但峰值明显降低在煤矸石C .另一方面,石英脉石C的结晶度也降低了。 它可以得出的结论是,煤矸石比煤矸石T C有更好的活动,因为长石结晶度的变化,莫斯科和石英CMHTA的过程。

∙ 图3。XRD的模式激活煤矸石C和T CMHTA和TMTA技术。

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3.2。 红外光谱分析

红外光谱显示激活煤矸石C和T CMHTA和TMTA技术。 1088厘米的吸收硅氧与反对称拉伸模式,乐队在799年,774年,697厘米吗归因于Si-O-Si对称伸缩振动,而在469厘米吸收吗由于硅氧弯曲模式吗,乐队在1088年、799年和469厘米是石英的象征。 我们可以发现,这些主要乐队更广泛的在CMHTA-C煤矸石、此外,弯曲的硅氧模式的波数变化从469年到485厘米,也证实了石英的结晶度CMHTA-C煤矸石减少。 在CMHTA-C煤矸石、1479厘米的吸收带与反对称拉伸模式的公司3离子和一个尖锐的乐队在3644厘米有关O-H伸展振动的Ca(哦)2。 据推测添加的曹碳化和CMHTA水化过程中,分别。 另外,乐队在558厘米在TMTA-T煤矸石表明偏高岭土的存在。 由于其高水吸收剂,吸收乐队在3439和1632厘米O-H拉伸和弯曲模式相关的分子水,分别是现有的。 然而,乐队的偏高岭土在CMHTA-C煤矸石没有发现。 这项观察表明SiO活跃2和阿尔2O3形成从偏高岭土,激活煤矸石C有更好的活动。

∙ 图4。红外光谱的活化煤矸石C和T CMHTA和TMTA技术。

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3.3。Si和艾尔MAS NMR分析

和显示的MAS NMR模式Si的活化煤矸石T和C TMTA和CMHTA技术,分别。 不同的化学变化的光谱通常解释的不同硅问环境中,n表示连接氧气的数量与其他每个问(SiO Si原子4)单位。 因此,问最高Si帧形状结构和聚合物,问吗Si在分层组织,问呢Si在正矽酸盐组(离散四面体SiO吗4)。 相比之下,和问,很容易找到组织减少,而问和问增加了煤矸石C,可以得出结论,煤矸石C的聚合度低于煤矸石T。

∙ 图5。核磁共振的模式Si的活化煤矸石T TMTA技术。

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∙ 图6。核磁共振的模式Si C活化煤矸石的CMHTA技术。

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的MAS NMR模式Al T和C活化煤矸石的TMTA和CMHTA技术中存在和。 乐队集中约55 ppm分配给4-coordinated(四面体),和光谱范围6-coordinated(八面体)阿尔显示两个锋利的乐队在10到14 ppm。 这些突出之间的比较一般的进化从煤矸石T C:4-coordinated铝含量的增加,相应减少3年来协调基地。

∙ 图7。核磁共振的模式艾尔的活化煤矸石T TMTA技术。

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∙ 图8。核磁共振的模式艾尔CMHTA C活化煤矸石的技术。

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这些研究结果与结论完全同意从XRD和红外光谱;降低聚合度从激活煤矸石T C,这意味着激活煤矸石C有更好的活动。

3.4。 机械性能

为了比较煤矸石的活性与原始煤矸石、C、T我们准备了新型胶结材料,利用煤矸石、矿渣、熟料和石膏为原料。 的设计比例胶结材料中列出。 基础的抗弯和抗压强度煤矸石胶结材料所示和。 正如所预期的那样,抗弯和抗压强度的激活煤矸石T和基于C的混合水泥高于原始煤矸石混合水泥,证明这两个激活方法可以大大提高原始煤矸石胶结的活动。 此外,激活煤矸石基于C的混合水泥的强度是最高的在这三种混合水泥,和力学性能可比与42.5普通硅酸盐水泥。

∙ 表2。煤矸石的组成基础胶结材料(%)。

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∙ 图9。抗弯强度原始煤矸石、煤矸石和煤矸石基于C的胶结材料。

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∙ 图10。抗压强度的原始煤矸石、煤矸石和煤矸石基于C的胶结材料。

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它可以从数据推断它是可行的使用激活煤矸石取代多达52%的原材料产生胶结材料,这是非常适合道路建设。 此外,熟料的消费仅为20%,因此具有重要的环境和经济意义。

4。 讨论

CMHTA之间的主要差异和TMTA技术包括:曹的添加和水热过程。 众所周知,使用煅烧煤矸石的激活钙有很好的效果,和一些歌曲和同事所进行的研究和。 因为曹含量低的原始煤矸石,我们添加一些曹在激活过程。 主要的反应是SiO2和曹生成C2在1150°C,使煤矸石的活性。 然而,曹操在该系统中的作用是不同的。

一般来说,CMHTA技术包括三个步骤:机械活化、水热活化和煅烧。 湿磨机的过程中,添加曹是没有满足的水,形成了Ca(哦)2和释放热量,有利于水热激活。 为了研究曹为每个步骤的作用,XRD和XPS分析使用。 在x射线衍射模式(),样品是混合煤矸石和曹,B是水热活化煤矸石、煅烧煤矸石和C。 由于存在的Ca(哦)2,水热激活的pH值的解决方案是提高到12日,这种化学物质环境有助于削弱石英和长石。 从可以看出,石英和长石的峰值强度下降示例B,暗示晶格变形石英和长石在碱性环境中分解。 凯西等。研究了长石的分解机理与曹在水热解决方案,他们解释说,哦对K和钠包含长石表面,导致Al-O乐队的断裂和形成富含硅元素(SiO2·nH2O)的前体。 煅烧后,绿泥石和高岭石分解,同时,石英的结晶度,莫斯科,在示例C长石逐渐下降。

∙ 图11。XRD煤矸石添加了曹的激活模式为每个步骤。

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Si 2 p的结合能和Al 2 p的激活煤矸石中存在和。 如上所述,我们得到了相同的结果。 Si 2 p结合能降低了从示例C,这意味着硅氧聚合度降低和。 巴尔et al。报道说,铝结合能是依赖于配位数。 四面体地协调铝通常比八面体的协调结合能较低铝,即73.4 - -74.55和74.1 - -75.0 eV,分别。 这些发现与MAS NMR分析的数据一致。

∙ 图12。Si 2 p激活煤矸石的结合能。

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∙ 图13。Al 2 p激活煤矸石的结合能。

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从这些分析可以推断出来,说曹提供了合适的化学环境促进长石分解和莫斯科在水热过程中。 此外,在煅烧过程中,曹活动有助于石英结晶度的降低。 因此,激活煤矸石C CMHTA技术有更好的胶结的活动。

5。 结论

从上面的分析,我们可以得出的结论如下:

∙ (1)

∙ 根据机械性能的比较煤矸石混合水泥,TMTA和CMHTA技术可以大大提高原始煤矸石胶结的活动。

∙ (2)

∙ 激活效果比TMTA CMHTA技术。 我们使用这些激活煤矸石准备一种新的混合水泥渣和少量的熟料,活化煤矸石的消费的上升到52%。 这种混合水泥不仅消耗大量的煤矸石,具有良好的机械性能,而且还可以节省大量自然资源为水泥熟料。

∙ (3)

∙ 与TMTA相比,长石等矿物阶段和俄国人的部分分解,以及石英结晶度下降了CMHTA技术。 这就是为什么激活煤矸石C有更好的有粘结性的活动。

∙ (4)

∙ 曹CMHTA技术的过程中,增加提供了合适的化学环境促进长石分解和莫斯科在水热过程中。 此外,在煅烧过程中,曹活动有助于石英结晶度的降低。

承认

作者感谢分析测试中心的材料科学与工程系,清华大学,提供我们的设施来满足测量。

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