基于ICP-MS研究转炉钢渣微粉吸附镍和铅的动力学机理

随着工业化的发展,水体和土壤中的重金属污染日益严重。其中,重金属镍是一种常见的致敏性金属,会引起人体过敏发炎,甚至会引发癌症;血液中铅浓度的超标会危害人的神经系统、心血管系统和生殖系统,造成终身性的危害。因此,治理镍和铅重金属污染具有十分重要的意义。钢渣是炼钢过程中产生的一种副产物,其存在难以利用与附加值低的问题。同时加之管理制度的不健全,导致大量钢渣露天堆放,对土地资源、地下水源,以及空气质量造成严重影响。钢渣微粉具有比表面积大、多孔、化学活性高等特性,被广泛利用,可以成为吸附材料。本文以转炉钢渣微粉为研究对象,利用激光粒度仪、电感耦合等离子体质谱仪、比表面积与孔隙度吸附仪、X射线荧光光谱仪等测试转炉钢渣微粉的基本性质,重点研究转炉钢渣微粉添加量、重金属初始浓度、溶液pH和吸附时间对转炉钢渣微粉吸附Ni^(2+)、Pb^(2+)的效果,结合吸附动力学与吸附等温线理论揭示转炉钢渣微粉对Ni^(2+)、Pb^(2+)的吸附作用机理,为处理镍、铅重金属污染和工业废水处理提供技术支持与理论依据。结果表明:当转炉钢渣微粉添加量大于12.5 g·L^(-1)、重金属初始浓度小于100 mg·L^(-1)、溶液pH大于3和吸附时间大于120 min时,转炉钢渣微粉对Ni^(2+)、Pb^(2+)的吸附效果良好,即基本达到90%。转炉钢渣微粉对Ni^(2+)、Pb^(2+)的吸附符合准二级动力学模型,吸附速率由边界扩散和颗粒内扩散共同控制,吸附过程以化学吸附为主。转炉钢渣微粉的结构具有多孔性为物理吸附Ni^(2+)、Pb^(2+)提供吸附空间,转炉钢渣微粉的化学成分不仅具有碱性与Ni^(2+)、Pb^(2+)形成络合产物,而且水化过程中CaO与SiO_(2)生成C—S—H凝胶,对Ni^(2+)、Pb^(2+)形成络合吸附与硅酸盐体系包裹。转炉钢渣微粉对Ni^(2+)、Pb^(2+)吸附可能存在多层吸附。吸附Ni^(2+)、Pb^(2+)的过程为优惠吸附,吸附容易进行,其理论最大吸附量分别为18.785和17.002 mg·g^(-1)。

钢渣复合矿粉对不同养护条件下混凝土性能的影响

为了探讨利用钢渣和矿渣制备复合掺合料的可行性,按质量比3∶7将钢渣与矿渣进行共同粉磨,制备复合矿粉,研究了复合矿粉对不同养护制度下混凝土的工作性和力学性能的影响,并对水化产物进行了表征。结果表明,复合矿粉使混凝土1 h的坍落度损失下降了6.9%,表现出了较好的保坍效果;在20℃标准养护和60℃蒸汽养护下,掺复合矿粉混凝土的立方抗压和轴向抗压强度与对照组相比均有所提高,但掺复合矿粉混凝土的劈裂抗拉强度均略低于对照组。微观分析发现,复合矿粉的掺入,使得生成的水化硅酸钙氧硅比降低,聚合度增加;水泥石总孔隙率由26.34%下降到23.99%;促进生成更多的水化产物。研究表明,在矿粉中掺入适量的钢渣粉制备复合矿粉具有较高的可行性,是同时实现钢渣和矿渣资源化利用的有效途径。

水泥和钢渣粉协同固化高含水率疏浚泥的力学性能研究

研究了钢渣粉的掺入方式(内掺、外掺)和掺量(0、5%、10%、15%)对水泥固化高含水率疏浚泥力学性能的影响。结果表明:当水泥掺量一定时,随着钢渣粉外掺量的增加,固化疏浚泥的3、7、14、28、90 d无侧限抗压强度均先增大后减小,14 d峰值应力和峰值应变也呈先增大后减小的趋势,钢渣粉的最佳外掺量为10%;对于纯水泥固化疏浚泥,其变形系数随着水泥掺量的增加而增大,抵抗变形的能力降低;外掺适量钢渣粉降低了固化疏浚泥的变形系数,提高了固化疏浚泥抵抗变形的能力;钢渣粉内掺取代部分水泥降低了固化疏浚泥的无侧限抗压强度,建议钢渣粉采用外掺方式。

三元矿物掺和料胶砂试件性能研究

为解决煤矸石及钢渣作为单一掺和料强度不足的问题,以煤矸石、钢渣和矿粉为原材料制备复合掺和料水泥砂浆。研究不同配合比下掺和料对水泥砂浆抗压强度的影响,并利用X射线衍射(XRD)、热重-差热分析(TG-DTA)、扫描电镜(SEM)等手段分析不同体系试块的水化机理和微观结构。结果表明,单掺煤矸石、钢渣均表现出较低的活性,而矿粉具有良好的反应活性;三元掺和料中煤矸石-矿粉-钢渣复掺比例为1∶7∶2时,试块的抗压强度最高,28 d抗压强度可以达55.26 MPa。在三元掺和料体系中,煤矸石、矿粉和钢渣可以相互促进水化,增多水化产物,加深水化程度,三者具有一定的耦合作用,具有制备三元矿物掺和料的潜力。

钢-PVA混杂纤维高性能混凝土抗渗性能试验研究

为探究钢纤维掺量、聚乙烯醇(PVA)纤维掺量和矿粉掺量对钢-PVA混杂纤维高性能混凝土(HFHPC)抗渗性能的影响,本文开展了钢-PVA HFHPC抗渗性能试验,并对试验结果进行了极差分析、方差分析和回归分析。结果表明:对HFHPC抗渗性能的影响程度从高到低依次为钢纤维、矿粉和PVA纤维。在试验水平范围内,得出混凝土试件抗渗性能最佳水平组合:钢纤维体积掺量1.0%、PVA纤维体积掺量0.7%、矿粉质量取代率20%。当钢纤维掺量超1.0%时,HFHPC抗渗性能略有下降,但仍高于基准素混凝土。最后采用多元回归分析,建立了HFHPC渗透系数与钢纤维、PVA纤维和矿粉的预测模型。

矿渣微粉改良红层填料的力学特性及其机理分析

为研究矿渣微粉改良红层填料的力学特性及其作用机理,通过无侧限抗压强度、直剪等试验,对不同矿渣微粉掺量下的红层填料进行了强度特性分析,并采用X衍射、热重分析、红外光谱、激光粒度、核磁共振和扫描电镜等微观分析方法,围绕矿渣微粉改良土体的作用机理进行了研究。试验结果表明,矿渣微粉对红层填料的力学强度和水稳定性具有较好的改良作用,改良填料的无侧限抗压强度由0.76 MPa逐渐增大至3.10 MPa;黏聚力与内摩擦角也得到了显著提高。通过红外光谱、激光粒度和核磁共振分析发现,改良填料颗粒间Al^(3+)阳离子配位的振动峰增强,降低了黏土矿物的双电层厚度,土颗粒团聚性显著增强,孔隙分布得到优化;通过X射线衍射和热重分析证明了水化产物的生成过程;扫描电镜观测到改良填料的具体作用机理:主要为填充效应和胶凝效应,其胶凝效应包括水化作用和离子交换作用。对微观扫描图的定量化分析进一步表明土体结构复杂程度增大,颗粒粗糙程度及骨架性增强。

矿渣粉改良分散性土的工程特性研究

分散性土的抗冲蚀能力较低,易发生管涌、流土等破坏,作为建筑材料存在较大的工程隐患。通过对矿渣微粉改性分散性土进行分散性鉴定试验、单轴抗压试验以及压缩试验,来探讨其力学性质,以确保在工程中的使用效果。试验表明:随着矿渣微粉掺量的提高和养护龄期的增加,抑制了土体的分散性,提升了土体的力学性质,降低了其压缩性,矿渣微粉掺量达到7%,养护7 d以上,其改性效果较佳;从微观角度来看,矿渣微粉加入到分散性土样中,发生水化反应以及离子置换反应,通过降低双电层厚度,提供胶结物质使土颗粒变得紧密,填充土体孔隙降低土体的分散性,改善了土体的力学特性。

多固废协同制备再生可控性低强度材料及其性能研究

可控性低强度材料(CLSM)是一种替代传统级配砂石回填的新型回填材料,具有良好的工作性和力学性能。为了提高CLSM中固废利用率,减少水泥用量,降低工程成本和施工难度,利用再生微粉、矿渣粉等固废材料配合盾构渣土制备CLSM,并通过SEM分析不同配比CLSM水化产物的微观形貌。结果显示,多固废协同制备的CLSM流动度可控制在135~215 mm,抗压强度可控制在3.40~5.93 MPa。再生微粉最佳掺量为20%,矿渣粉最佳掺量为30%,抗压强度最高可达5.93 MPa。再生微粉与矿渣粉复掺可以相互促进,将更多的水泥产物CH转化为C-S-H凝胶物质填补孔隙结构,提高材料结构强度。

早强型钢渣基胶凝材料的制备及其水化机理研究

钢渣是炼钢过程中产生的主要废弃物,具有用途单一、产生量大、污染环境等特点。本文使用钢渣微粉、42.5普通硅酸盐水泥分别与增强剂Ⅰ、增强剂Ⅱ混合制备早强型钢渣基胶凝材料,通过测定原料化学成分、矿物组成,测试胶凝材料的力学性能,分析其热稳定性、微观形貌来揭示胶凝材料的水化机理。研究结果表明:胶凝材料的早期抗压强度大幅提高,后期抗压强度良好;这是因为增强剂能促进Ca(OH)2消耗并提高水化反应速率,Ca(OH)2水解出的OH-能促进钢渣微粉中玻璃体溶出硅酸盐,与Ca^(2+)生成C-S-H凝胶;增强剂含有的硫酸盐能与胶凝材料生成钙矾石AFt,并填充于凝胶孔隙中,增强了材料的密实度。早强型钢渣基胶凝材料的最优配比为钢渣微粉125 g、增强剂Ⅱ用量10 g。研究成果为早强型钢渣基胶凝材料的制备提供了新思路,也可为钢渣综合利用研究提供借鉴。

减水剂改性固废基蒸压加气混凝土的制备与性能研究

以花岗岩石粉、黄河特细砂为硅质材料,以电石渣为钙质材料,以聚羧酸减水剂为改性剂,制备固废基蒸压加气混凝土(AAC)。研究了聚羧酸减水剂掺量对AAC料浆流动性、发气过程、抗压强度、干密度、孔隙率和孔径分布的影响。结果表明,减水剂掺量由0.15%增大到0.30%,料浆初始流动度、发气速率、发气量和孔隙率逐渐增大,制品抗压强度和干密度逐渐降低。减水剂掺量为0.25时,料浆初始流动性270 mm,发气量208 mL,孔隙率82.54%,抗压强度2.9 MPa,干密度509 kg/m^(3),AAC综合性能最优。减水剂掺量大于0.2%时,2 mm以上的大孔基本消失,孔隙率和孔壁无害孔含量对AAC抗压强度影响更明显。

未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影响

高炉喷吹煤粉技术是降低炼铁生产成本、优化高炉操作的主要技术手段,在高喷煤比条件下未能在风口回旋区燃尽的残炭颗粒以未燃煤粉形式进入料柱,过多的未燃煤粉会对炉渣性能产生不利影响。为了研究未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影响,通过X射线衍射分析、扫描电子显微镜和能谱分析仪等分析手段研究了未燃煤粉在炉渣中的存在状态及对炉渣性能的影响。结果表明,未燃煤粉颗粒呈均匀状分布于炉渣中,添加未燃煤粉前后炉渣黏度与温度的关系均满足阿伦尼乌斯方程,并且黏度值随着温度降低均呈现出增大趋势。随着未燃煤粉固体颗粒质量分数增加,炉渣黏度呈线性增大趋势,并且炉渣中未燃煤粉含量越多,转速对非均相熔体黏度的影响越明显。

多元固废地聚合物的制备与性能研究

为实现尾矿等固废材料的再生利用,提高工业固废利用率,以铝土矿尾矿、矿渣和陶瓷粉为原料,NaOH-Na_(2)SiO_(3)复合溶液为碱激发剂合成多元固废地聚合物,研究复合激发剂在不同碱当量时对地聚物抗压强度的影响,并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)探究影响机理。结果表明,随着复合激发剂碱当量的增加,地聚物各龄期抗压强度呈先增大后减小的趋势,当复合激发剂碱当量为5%时,制品28 d抗压强度达到最佳值,为63.3 MPa。适当增加碱当量对抗压强度有利,但碱当量过大会导致抗压强度降低。微观分析表明,不同碱当量合成的地聚物均发生了一定程度的聚合反应,并生成了以水化硅铝酸钙(C-A-S-H)为主的无定形水化产物,聚合反应程度随着碱当量的增加而增大,微观结构则表现为基体更均匀致密。

三元固废掺和料耦合机理分析和活化

为实现铁尾矿固废材料的再生利用,提高工业固废利用率,利用陶瓷粉和钢渣组成三元固废掺和料(铁尾矿-陶瓷粉-钢渣)并耦合活化。通过对铁尾矿进行不同时间的机械研磨,加入不同活化剂进行化学活化来提高铁尾矿的活性。采用差热-热重(DTA-TG)分析、扫描电镜(SEM)等方法研究三元掺和料的耦合活化和机械-化学活化机理。结果表明,适当增加铁尾矿研磨时间可以提升掺和料体系的活性指数,Na2SiO3活化剂对掺和料体系活性提升最显著。在三元掺和料体系中,铁尾矿、陶瓷粉主要起填充作用,而钢渣中活性CaO、硅酸二钙(C2S)和硅酸三钙(C3S)成分可以参与水化反应生成较多水化产物,从而提升后期强度,复掺时活性指数均满足普通型Ⅱ级掺和料使用标准,最高活性指数可达88.29%,具备制备三元复合掺和料的潜力。

铝粉还原污酸中砷新工艺研究

由于硫化精矿中砷含量越来越高,致使烟气处理过程产生的污酸中砷含量也越来越高,同时污酸中含有铜、铁等有价金属。目前污酸除砷方法多以除砷为目的,形成的含砷渣属于危废,还需要二次处理。本研究研发了还原除砷新工艺,首先向污酸中加入硫化砷渣进行脱铜预处理并回收铜,然后用铝粉还原脱铜后液中的砷回收砷,最后向脱砷液中加入硫酸钾回收铝,还原后液回收还原剂后采用两段中和法处理。试验研究结果表明,在加入铜离子摩尔量1.1倍的硫化砷渣、反应温度85℃、反应时间3 h的条件下,污酸中的铜含量由2000 mg/L降至196 mg/L,硫化铜渣返熔炼配料系统;在还原温度70℃、还原时间2 h,还原剂用量1.8倍的条件下,砷的还原率大于96%,还原后液中的砷含量低于300 mg/L,得到的砷渣品位大于95%,可用于后续制备高品位单质砷;在硫酸钾用量1.1倍、反应温度常温、反应时间2 h的条件下,溶液含铝3.6 g/L,得到的明矾可达到《工业硫酸铝钾》(HG/T2565—2007)一等品标准。该方法除砷效果好,且能将污酸中的砷转变为具有经济价值的砷产品,还不会产生硫化氢气体,具有应用推广价值。

角闪岩弃碴机制砂和石粉掺量对混凝土性能的影响机理

为探明角闪岩弃碴制砂过程中石粉对混凝土性能的影响,以冀环京津6个地区的角闪岩弃碴为对象,通过开展力学测试、坍落度试验和Zeta电位分析,并结合SEM、FTIR等测试探讨了角闪岩弃碴机制砂和石粉掺量对混凝土工作性能、力学性能及微观结构的影响机理。研究表明:除鑫鑫地区外,其他地区的角闪岩弃碴机制砂均可提升混凝土的抗压强度,其中承德和小石匣地区的角闪岩弃碴机制砂对混凝土增强效果较优,与天然砂制备的混凝土相比,这两种弃碴机制砂制备的C30混凝土7 d抗压强度分别提升了20.51%和11.11%,28 d抗压强度分别提升了10.79%和6.58%;C50混凝土7 d抗压强度分别提升了15.14%和12.57%,28 d抗压强度分别提升了14.55%和16.55%。承德、鑫鑫、冀恒和小石匣地区石粉最佳掺量一般可达胶凝材料质量的8%~15%,而平山地区最佳掺量仅为5%。其中承德和小石匣地区石粉取代胶凝材料用量最高,原因在于这两个地区石粉的颗粒粒度较小,SEM表明在碱性条件下石粉呈明显侵蚀破坏形貌,在骨料界面处形成较多胶凝产物,提升了骨料颗粒之间的胶结程度。此外,适量石粉的加入对丰宁地区较粗机制砂混凝土有一定填充作用,能提升混凝土力学性能。FTIR和Zeta电位测试结果表明,角闪岩弃碴石粉能吸附聚羧酸减水剂并发生反应生成离子化合物,聚羧酸减水剂提升了石粉、水泥和聚羧酸溶液体系稳定性。本研究可为角闪岩弃碴机制砂在普通混凝土中应用及石粉在混凝土中取代不同胶凝材料用量配比设计提供参考。

碳化养护制备钢渣粉3D打印材料及其性能研究

本工作提出了一种碳化养护钢渣粉3D打印材料的制备方法。以钢渣粉为主要胶凝材料,利用少量普通硅酸盐水泥的高水化活性保证材料打印成型后的初始强度,增强打印材料的可建造性,材料体系中硅灰颗粒的“滚珠效应”改善了打印材料的可挤出性,使用聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素钠(CMC)作为流变调节组分进一步调控打印材料的流变性能,满足材料打印性能需求。研究了拌合水固比与流变调节组分掺量对钢渣粉3D打印材料流变性能、打印性能与力学强度的影响规律,探究了碳化养护过程中钢渣粉3D打印材料成分变化与微观结构演变。结果表明,当浆料拌合水固比为0.16,PVA与CMC掺量分别为0.2%(质量分数,下同)、0.1%时,钢渣粉3D打印材料具有最佳的打印性能与力学强度,打印样品经12 h碳化养护后抗压强度为64 MPa,碳化养护过程中,大量镁方解石碳化反应产物填充基体孔隙,迅速提高打印材料基体的致密程度,是打印材料力学性能快速发展的主要机理。

不同侵蚀环境下水下不分散混凝土抗Cl-和SO_(4)^(2-)渗透性能研究

在不同侵蚀环境中的水下不分散混凝土会受到侵蚀离子的渗透,严重影响水下不分散混凝土的耐久性能。研究了不同强度等级的水下不分散混凝土在氯盐溶液、硫酸盐溶液和复合盐溶液3种侵蚀环境下抵抗侵蚀离子渗透的能力。通过分析不同矿渣掺量下抗侵蚀离子渗透性能的影响,探究Cl^(-)和SO_(4)^(2-)在渗透过程中的耦合作用,并利用AutoPoreIV9500压汞仪测试不同侵蚀龄期各试样的孔隙特征。结果表明:在距离侵蚀表面5 mm和30 mm处,C35混凝土比C25混凝土的离子浓度降低7%~60%;在相同侵蚀环境下,掺入矿渣粉可以显著减小水下不分散混凝土中侵蚀离子浓度;水下不分散混凝土中的孔隙组成以直径小于50 nm的介孔和微孔为主,矿渣的掺入细化了孔隙结构。即水下不分散混凝土的抗渗性能随着其抗压强度等级的提高而显著提高,并且矿渣粉的掺入使结构更加致密,从而有效提高混凝土抗Cl^(-)和SO_(4)^(2-)渗透性能。

改性材料及其掺量对超高性能混凝土力学性能的影响

【目的】优选不同掺量的改性材料,并分析改性后的UHPC抗压强度和破坏形态,制备更加经济型的超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)。【方法】选取钢渣微粉、河砂、粗骨料、钢纤维作为4种改性材料,设计四因素三水平正交试验,根据正交试验结果制备9种试件;通过力学性能实验,对比分析各试件的抗压强度,优选出改性材料最佳配方并分析UHPC的破坏形态。【结果】钢渣微粉、河砂、粗骨料和钢纤维的加入量(掺量)对试件抗压强度平均值影响的极差分别为7.60、7.57、7.77、0.84,粗骨料、钢渣微粉、河砂对UHPC的抗压强度的影响较大,钢纤维对UHPC抗压强度影响较小。由正交试验结果可知,当钢渣微粉、河砂、粗骨料的加入量分别为210、855、640 kg/m^(3),钢纤维的体积分数(掺量)为1.5%,养护龄期为28 d时,经改性的UHPC抗压强度最大,为134.4 MPa。改性后的UHPC受压破坏时不会瞬间炸裂,整体形态完整。【结论】钢渣微粉和粗骨料的添加能降低改性后的UHPC制造成本,经优化4种改性材料的掺量后UHPC的抗压强度降幅较小,但韧性增强,力学性能得到保障。

钢渣粉与硅灰复掺水泥基材料的流变、早期水化热与强度

为缓解大量存在且利用率很低的钢渣处理难题,将其研磨成微粉置换水泥,并掺入硅灰形成一种兼顾力学性能、绿色低碳水泥基材料。基于不同配比的复掺水泥基材料体系的流变行为、早期水化热、强度与吸水率试验研究,主要结果如下:钢渣粉颗粒微形貌棱角与片状较少,替代15%水泥时可有效改善基体稠度,略微降低强度,并显著降低早期水化放热(降幅8.8%),有利于控制早期温度裂缝。复掺硅灰可有效降低材料塑性黏度与泵送压力,对需要长距离泵送的大体积混凝土或高性能混凝土,硅灰掺量可控制在5%以内。且硅灰空间填充效应与火山灰反应会增强材料密实性,显著提高强度。综上,复掺15%钢渣粉和5%硅灰的水泥基材料,不仅可以改善泵送性能,提升强度和耐久性,还能降低早期水化放热量,具有良好的工程应用前景。

钢渣基固废掺和料抗压强度与活性分析

为促进固废的资源化利用、解决钢渣活性指数不高等问题,以钢渣、矿渣、陶瓷粉(以下统称为SGC)为掺和料替代部分水泥制备复合胶凝材料。通过力学性能测试、扫描电镜、差热-热重(DTA-TG)和X射线衍射(XRD)分析,探索SGC掺和料体系在不同配比及掺量下对胶砂强度及水化产物的影响,并分析复合胶凝材料的水化机理,确定最佳活化方案。结果表明,单掺钢渣表现出较低的活性;钢渣-矿渣双掺组表现优于钢渣-陶瓷粉。在三掺体系中,水化早期钢渣和矿渣水化生成Ca(OH)_(2)和少量的水化硅酸钙(C-S-H)、水化铝酸钙(C-A-H)胶凝,提供早期强度,活性SiO_(2)和Al_(2)O_(3)与Ca(OH)_(2)发生二次水化反应生成大量C-S-H、C-A-H凝胶等水化产物。且三掺体系部分未发生反应的颗粒相互填充,因此SGC三元掺和料体系中存在耦合协同作用,共同促进体系强度增加,具备制备掺和料潜能。其中,钢渣、矿渣、陶瓷粉质量比为2∶1∶1,并以30%等质量替代水泥时,胶砂抗压强度最高,28 d抗压强度为45.6 MPa,活性指数达到93.08%。