大宗工业固废高值建材化利用研究现状与展望

当前我国已经迈入了工业大国的行列,带动了我国社会经济的快速发展。新时期,在制定工业发展计划的同时,更需要将生态环境保护放在首要位置。在工业化发展的历史进程中,遗留了很多生态污染问题,其中工业固体废弃物的长期堆积对生态环境造成了严重地破坏。主要论述了典型大宗工业固废(铁尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、炉渣及脱硫石膏)高值建材化用的研究现状,对6种典型工业固废未来发展趋势进行了分析,并提出了高值建材化利用的可行性措施。大宗工业固废的高值建材化利用是确保我国工业可持续发展的一项长远战略方针,要想提高大宗工业固废综合利用水平,人们需要因地制宜地选择适当的工业固废处置和利用方式。在现有的政策基础上,科研单位和相关企业要进一步加强技术创新和模式创新,探索工业固废跨行业的协同处置和利用方法,为进一步提高我国大宗工业固废综合利用水平提供合理参考。

钢渣基多固废掺合料制备水泥砂浆及其力学性能研究

为解决钢渣粉作为单一掺合料的活性指数低的问题,将钢渣与粉煤灰、锂渣、磷渣复掺制备钢渣基多固废水泥砂浆。通过力学性能测试,讨论掺合料配合比对二元、三元钢渣基多固废掺合料活性的影响。利用XRD、SEM手段对典型掺合料水化产物及微观形貌进行分析。结果表明:钢渣早期和后期均表现出较低的活性,锂渣具有良好的早期活性,而磷渣早期强度较差;二元掺合料中钢渣-锂渣活性最高且大于两者单掺,钢渣、锂渣在碱性环境下发生水化并提供不同的活性组分,有利于砂浆强度的提升;三元掺合料中钢渣-磷渣粉-锂渣复掺比例为5∶1∶4时,砂浆抗压强度最高,28 d砂浆抗压强度37.21 MPa。钢渣、锂渣发生水化反应的同时,磷渣中硅酸盐玻璃体在碱性环境激发下解离出活性SiO2,生成了更多的C—S—H等水化产物,三者具有一定耦合作用。

高硅型铁尾矿砂蒸压加气轻质混凝土的制备及其性能研究

为寻找高成本硅质骨料的替代品并提高高硅型铁尾矿砂利用率,以高硅型铁尾矿砂与粉煤灰复掺替代硅砂制备蒸压加气轻质混凝土(ALC)试件,分析了铁尾矿砂/粉煤灰混合比例及水胶比对蒸压加气轻质混凝土性能的影响规律,并采用XRD及SEM等手段对水化产物和微观结构进行分析。结果表明:随着铁尾矿砂占比的增大,试件的干体积密度逐渐增大,抗压强度先增大后降低;随着水胶比的增大,试件的干体积密度和抗压强度逐渐降低。当铁尾矿砂、粉煤灰、水泥、石灰及脱硫石膏质量比为62.8∶9.0∶16.9∶8.9∶2.4时,控制水胶比为1.40,所制备的试件抗压强度为4.15 MPa、干体积密度为576 kg/m^(3),满足《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T 11968—2020)规定的强度等级A3.5、干体积密度等级B06的要求。XRD结果显示主要水化产物为石英、托贝莫来石、硅钙水合物及沸石,SEM分析进一步说明水化形成大量板状的托贝莫来石及少量C—S—H凝胶,良好的网状结构使得承压时不易引起应力集中。

回收轮胎钢纤维混凝土基本力学性能试验研究

为了研究并对比回收轮胎钢纤维(RTSF)和工业钢纤维(ISF)对混凝土拌合物及力学性能的影响,对素混凝土(F0)、不同掺量的RTSF和ISF混凝土进行拌合物性能与基本力学性能试验。结果表明:含气量随RTSF体积掺量的增大而增大,在相同掺量(1.0%)下ISF的引气能力大于RTSF;混凝土坍落度随RTSF掺量增大而降低,在相同体积掺量(1.0%)下ISF比RTSF混凝土坍落度低;混凝土抗压强度随RTSF掺量增大出现先升高后降低的趋势,RTSF体积掺量0.75%为最优掺量,其立方体抗压强度和轴心抗压强度较F0分别提高15.0%与20.5%;RTSF混凝土劈裂抗拉强度与抗折强度均随RTSF体积掺量的增大而增大,RTSF体积掺量1.25%时,其劈裂抗拉强度与抗折强度分别较F0提高26.1%和44.4%,试件破坏时RTSF从基体中拔出具有较好的桥接作用;弯曲韧度指数(I_(5)、I_(10)、I_(20))随RTSF体积掺量的增大而增大,在相同掺量(1.0%)下ISF的增韧效果略优于RTSF。研究表明RTSF可明显改善混凝土基本力学性能,并在一定掺量范围内可替代ISF。

岩石-钢纤维混凝土复合层抗压强度预测模型

为了研究岩石-钢纤维混凝土复合层单轴抗压强度的计算方法,对岩石、钢纤维混凝土和岩石-钢纤维混凝土(R-SFRC)复合层试件进行单轴压缩试验,分析混凝土强度等级(C30、C40和C50)和纤维掺量(0、40、60和80 kg/m^(3))对钢纤维混凝土和复合层单轴抗压强度的影响规律,应用RFPA2D模拟复合层单轴压缩损伤过程和应力-应变曲线,基于Mohr-Coulomb屈服准则建立R-SFRC复合层抗压强度预测模型。结果表明,复合层试件单轴抗压强度介于岩石和混凝土抗压强度之间,复合层中岩石和混凝土界面的相互约束改变了各层的受力状态,复合层中岩石强度降低而混凝土强度增大,复合层极限抗压强度为复合层中的混凝土强度。复合层试件的抗压强度随混凝土基体强度和钢纤维掺量的增大而增大,混凝土基体强度对复合层试件的抗压强度影响更显著;不同材料的复合层单轴抗压强度数值模拟值和理论计算值相对于试验值的误差范围分别为-5.41%~-0.69%和-8.67%~-1.21%,数值模拟和理论计算模型可用于复合层单轴抗压强度预测。

混杂纤维混凝土疲劳寿命预测研究

为研究混杂纤维对混凝土疲劳性能的影响,在不同应力水平S(0.85、0.8、0.75)下对素混凝土(C)、聚丙烯纤维混凝土(PFRC)、钢纤维混凝土(SFRC)和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土(HFRC)进行四点弯曲疲劳试验。基于两参数威布尔分布理论,应用图解法、矩估计法、最大似然估计法,求出威布尔形状参数a和特征寿命参数Na,对不同失效概率下混凝土的疲劳寿命进行预测,建立双对数疲劳方程。试验结果表明不同应力水平下混凝土弯曲疲劳试验数据符合两参数威布尔分布,纤维对混凝土疲劳性能有提升作用,混杂纤维对混凝土疲劳性能的提升优于单掺纤维。混杂纤维混凝土疲劳寿命的预测方法和试验结果可以为工程应用提供基础理论。

极细高硅型铁尾矿制备超高性能混凝土研究

基于骨料堆积理论和颗粒最紧密堆积理论,利用辽宁地区的高硅型铁尾矿砂替代天然河砂制备绿色新型超高性能混凝土(UHPC),并针对其浆体性能和力学性能开展了研究。结果表明,随着铁尾矿砂替代量的增大,UHPC浆体的流动性逐渐降低,含气量逐渐增大;UHPC试件的抗折强度随着掺量的增大有所上升,但7 d抗压强度随着铁尾矿砂掺量的增大而减小,而28 d龄期的抗压强度随着铁尾矿掺量的增大而增大,并在40%时达到最大值。

大麦虫取食塑料影响因素及肠道功能菌群探究

大麦虫取食降解泡沫塑料易受环境因子的影响而导致存活率降低.为了减少环境因子对塑料降解研究的干扰,通过条件实验探究了环境因素对大麦虫幼虫生长和取食泡沫塑料的影响,借助MiSeq测序解析了其消化道内潜在的塑料降解核心功能菌群.实验结果表明,光照、塑料密度与接触面积均对大麦虫生长和取食聚苯乙烯(Polystyrene,PS)泡沫塑料有明显的影响.黑暗条件有利于大麦虫的生长和取食塑料;密度低且接触面积小的PS泡沫塑料更容易被大麦虫取食,但是破碎程度高的泡沫塑料不利于大麦虫的取食,而仅以PS泡沫塑料作为大麦虫的唯一食物无法满足其幼虫正常生长的需求.取食PS泡沫塑料对其消化道的菌群结构影响显著,unclassified Enterobacteriaceae,Dysgonomonas,Sphingobacterium和Enterococcus 4个菌属与PS泡沫塑料降解密切相关.

铁尾矿砂水泥砂浆抗压强度及微观结构分析

为研究铁尾矿砂掺入量对水泥砂浆抗压强度及微观结构的影响,采用高硅型铁尾矿废石破碎而来的铁尾矿砂,以不同质量铁尾矿砂等比例代替天然河砂配制水泥砂浆进行抗压试验。对比铁尾矿砂与天然河砂在组成成分、粒形、粒径、级配分布上的差异,分析铁尾矿砂与天然河砂比例不同时水泥砂浆立方体试件的破坏形态以及抗压强度。并使用扫描电子显微镜(SEM)着重分析完全替代下铁尾矿水泥砂浆与天然河砂水泥砂浆的细骨料与水泥胶体的交界面形态及水化产物微观形貌。结果表明:所用铁尾矿砂SiO2含量较高,属于高硅型铁尾矿,由于机制原因造成其多棱角且表面粗糙。替代率对铁尾矿水泥砂浆立方体试件破坏形态没有显著影响,不同替代率下铁尾矿水泥砂浆力学性能均优于天然河砂水泥砂浆。铁尾矿砂的加入会导致水泥砂浆内部结构劣化,但由于铁尾矿砂多棱角、表面粗糙与水泥胶体的机械咬合力较大,而且高硅型铁尾矿砂自身强度较高,弥补了由于结构劣化造成的力学性能损失,使铁尾矿水泥砂浆的基本力学性能仍能满足要求。

冻融-酸雨耦合作用对铁尾矿砂混凝土耐久性的影响

针对铁尾矿砂混凝土在寒冷地区的应用,通过冻融-酸雨侵蚀试验,研究该类在冻融-酸雨耦合条件下的耐久性。分析不同取代率下铁尾矿砂混凝土的质量损失率、动弹性模量、立方体抗压强度以及碳化深度的变化规律。试验结果表明,铁尾矿砂混凝土质量损失、动弹性模量、抗压强度算是及中性化深度随取代率的增大而增大。影响程度表现为rtwk=100%>rtwk=75%>rtwk=50%>rtwk=25%>rtwk=0。

铁尾矿-磷渣-脱硫灰三元固废混凝土抗压性能研究

为实现铁尾矿固废材料的再生利用,提高工业固废利用率,以铁尾矿、磷渣、脱硫灰作为掺合料部分代替水泥制备混凝土,研究三元体系下钙相固废与铁尾矿协同作用对混凝土抗压强度的影响,测试不同水胶比、铁尾矿研磨时间、掺合料掺量及掺合料比例对混凝土抗压强度的影响。结果表明,混凝土抗压强度与水胶比呈正相关关系,机械研磨提高了铁尾矿的比表面积,有利于铁尾矿表面与自由水发生水化反应,30%掺量混凝土后期抗压强度较20%掺量下降不大,在铁尾矿比表面积为1589.3 m^(2)/kg,铁尾矿、磷渣、脱硫灰分别占胶凝材料的6%、16%、8%时制备的混凝土抗压强度最高,28 d抗压强度达到40.9 MPa。通过采用压汞法(MIP)和背散射电子成像技术(BSE)研究了混凝土的微观结构,结果表明,掺合料的掺入优化了混凝土的孔隙结构,促进了界面过渡区的发展。铁尾矿、磷渣、脱硫灰三元体系在30%掺量下对混凝土强度影响较小,可代替水泥制备混凝土。

基于Worldview-3与Sentinel-1 SAR数据的草原矿区复垦植被生物量反演方法研究

利用多源遥感数据定量反演矿区复垦植被生物量是高效、动态、大面积监测土地复垦和生态恢复效果的必要手段之一。本文以内蒙古草原露天煤矿为研究区,联合遥感光学与雷达数据各自的优势,探索基于Worldview-3(WV-3)与Sentinel-1 SAR数据的矿区复垦植被生物量反演方法,选择主成分小波变换(W-PCA)算法对WV-3与Sentinel-1 SAR数据进行融合,揭示波段反射率、植被指数、后向散射系数及纹理特征等参数与生物量之间的相关关系,建立多变量的生物量反演模型,并分析不同生物量模型的空间不确定性。结果表明:(1)通过W-PCA算法得到融合后的图像,信息熵的提高反映了融合图像与光学WV-3图像相比具有更多的细节信息,平均梯度的提高反映了融合图像与Sentinel-1 SAR图像相比具有更高的清晰度和更丰富的纹理信息。融合后的第8波段相关系数最高、光谱扭曲度最低、光谱保真度最高。(2)通过相关性分析,发现增强型植被指数(EVI)、归一化植被指数(NDVI)、VH极化、VH均值纹理以及融合后第8波段与生物量显著正相关。WV-3的NDVI与Sentinel-1的VH ME建模精度(R 2=0.8340,RMSE=16.4646 g/m^(2),Ac=81.52%)最高,融合后的第8波段验证精度(R 2=0.7983,RMSE=22.8283 g/m^(2),Ac=74.64%)最高。(3)基于不同模型的残差不确定性分析,Sentinel-1 SAR数据变量建立的模型估测结果更容易出现高估及饱和现象,两者联合变量建立的模型可实现优势互补,利用融合数据建立的模型明显改善生物量小于40 g/m^(2)时的高估计现象以及生物量大于100 g/m^(2)时的两者饱和现象,其不确定性降低2.42~9.68 g/m^(2)。因此,利用光学和雷达遥感融合能够有效提高复垦植被生物量的估算精度,为草原矿区复垦植被精细监测提供有效的数据支持。

以铁尾矿为主的多元固废混凝土抗压性能与微观结构研究

为实现铁尾矿、煤矸石等固废再利用,降低混凝土水泥用量,并缓解铁尾矿单独作为混凝土掺合料对抗压性能的不利影响,以铁尾矿-煤矸石-粉煤灰为复合掺合料,考察了复合掺合料掺量和配比对混凝土抗压强度及微观结构的影响。结果表明:①复合掺合料的掺入降低了混凝土的抗压强度,掺量为20%时对后期抗压强度影响较小,28 d抗压强度可达42.1 MPa,达到C40混凝土标准;掺量为30%时28 d抗压强度最高可达38.4 MPa。②铁尾矿材料活性较低,单独作为掺合料劣化了混凝土抗压性能,但其具有填充效应以及分散作用;粉煤灰和煤矸石都具有一定的火山灰活性,粉煤灰活性较高且具有滚珠效应,对混凝土抗压强度的贡献高于煤矸石;铁尾矿与粉煤灰、煤矸石协同作用缓解了铁尾矿单独作为掺合料对混凝土抗压性能的劣化,最优掺入比例为1∶2∶2。③掺量为20%的复合掺合料促进了界面过渡区附近的水泥水化,但劣化了整体孔结构,掺量为30%的复合掺合料优化了混凝土孔结构,明显降低了界面过渡区的孔隙率,但对水泥水化产生了消极影响。研究结果表明,复合掺合料改变了界面过渡区的孔隙率和水化进程,平衡界面过渡区的孔结构和水化进程是提高混凝土宏观强度的关键。

生物浸出电子垃圾中关键金属的研究进展

电子产品更新速度的加快,也带来了电子垃圾不断增加的问题。由于其成分复杂,且含有大量可回收的关键金属,其资源化处置备受关注。生物浸出技术因具有工艺简单、能耗低、环境友好等优点而在电子垃圾的关键金属回收中使用。通过对近年来国内外电子垃圾生物浸出领域的研究进行总结,归纳了电子垃圾资源化功能微生物的种类和作用机理,特别对利用嗜酸菌、真菌和产氰微生物浸出关键金属的最新进展进行综述。同时,重点介绍了电子垃圾预处理、微生物培养和生物浸出方法改良对金属浸出效率的提升。最后,对未来生物浸出研究和浸出液中关键金属的回收存在的技术突破提出展望。

基于不同机械活化方式的二元固废混凝土抗压性能研究

为了改善二元固废混凝土的抗压性能,基于不同机械活化方式研究了铁尾矿-粉煤灰复合掺合料对二元固废混凝土抗压性能的影响,并采用X射线衍射、扫描电镜和热重分析等检测手段探究了铁尾矿-粉煤灰复合掺合料混凝土抗压强度增强的水化机理。当采用先掺后磨的机械活化方式时,铁尾矿-粉煤灰复合掺合料的混凝土抗压强度增强效果最明显,28 d龄期可达70.6 MPa。不同机械活化方式导致水化产物结构不同,同时改变了掺合料参与二次水化反应的程度;采用先掺后磨的机械活化方式,能促进水泥熟料的进一步水化,消耗更多Ca(OH)2参与二次水化反应,生成更多更致密的网状C—S—H凝胶。从混凝土抗压强度及混凝土胶凝材料的水化硬化机理来看,采用先掺后磨的机械活化方式活化效果更优,利于二元固废混凝土的强度发展。

高温干燥养护时间对铁尾矿基水泥胶砂力学性能的影响

为探究高温干燥养护时间对铁尾矿基水泥胶砂强度的影响,研究了不同铁尾矿粉磨时间下干燥养护时间对试件力学性能的影响,并结合XRD、SEM及EDS等微观手段分析水化产物种类、数量及结构特征。结果表明:①60℃干养可激发铁尾矿的火山灰活性,试件的力学性能与养护时间成正比。掺加粉磨时间1 h的铁尾矿,在60℃的温度下干养16 h可得到抗折、抗压强度达9.29 MPa、40.46 MPa的铁尾矿基水泥胶砂。②高温干养时长不影响铁尾矿基水泥净浆的水化产物种类,但是对水化产物的结构与数量以及水化产物覆盖程度有影响。随着高温干养时间的延长,净浆内部C—S—H纤维长度增加、数量增多,钙硅摩尔比减小,Ca(OH)_(2)消耗更剧烈,水化产物明显变密实,表面几乎不含有害孔。

丁酸型产氢细菌WN9利用谷糠发酵的产氢特征

该研究从牡丹江江滨公园的河道底泥样中筛选获得1株丁酸型发酵产氢细菌的新菌株Clostridium butyricum WN9,并分别以葡萄糖和小米内、外壳谷糠为底物进行发酵产氢实验。实验结果表明:以葡萄糖为底物时,最大比产氢率为1.89 mol/mol;以小米内、外壳谷糠为底物时,内壳谷糠更易被利用,最适宜的内、外壳谷糠浓度分别为50,30 g/L,最大比产氢率分别为20.1,12.7 mL/g;低初始pH值条件(pH<6.0)有利于提高谷糠转化效率,当内、外壳谷糠浓度均为50 g/L,初始pH值为6.0时,最大比产氢率分别提高至21.5,15.5 mL/g。

改性磷石膏抹灰砂浆性能研究

为了解决磷石膏抹灰砂浆耐水性差的问题,促进磷石膏抹灰砂浆在建筑行业的应用,采用预处理的改性磷石膏,研究了水胶比和减水剂掺量对改性磷石基抹灰砂浆物理性能、力学性能和耐水性能的影响,并通过在体系中引入有机硅防水剂来进一步改善磷石膏抹灰砂浆耐水性能。研究结果表明:减水剂掺量和水胶比是影响磷石膏抹灰砂浆性能的主要因素,低水胶比和低减水剂掺量有利于其力学性能和耐水性能的提升,且减水剂掺量不宜高于0.9%;有机硅防水剂虽然能有效改善磷石膏抹灰砂浆耐水性能,但会对其强度造成不利影响,实际应用时其掺量不宜高于0.6%;水化产物中的凝胶和钙矾石可以填充二水硫酸钙晶体间空隙,有利于试件密实度、强度和软化系数的提高,且有机硅防水剂会在水化产物表面和间隙中形成防水膜,可以进一步改善试件耐水性能。

添加氧化铁高效热解脱除氰化钠

提出采用氧化铁催化热解高效除氰。采用XRD、DSC-TG、化学分析等手段对不同条件下添加和无添加氧化铁高效脱除氰化钠的机理进行研究。未添加氧化铁时,空气条件下,氰化钠在587.4℃开始发生分解;氩气条件下,氰化钠在879.2℃开始发生分解。添加氧化铁时,氩气条件下,大约60%的氰化钠在350℃热解30 min时发生分解;在空气或氧气条件下,当氧化铁与氰化钠质量比为1:1时,几乎所有的氰化钠在350℃热解30 min内完成脱除。研究表明,催化剂Fe2O3添加量的增加、除氰温度的升高及除氰时间的延长均有助于氰化钠的脱除。随着氧化铁的添加,氩气条件下,NaCN与Fe2O3反应生成Na4Fe(CN)6、Na2CO3、NaNO2和Fe3O4;空气或氧气条件下,NaCN分解生成NaCNO、Na4Fe(CN)6和微量的NaNO2,且形成的NaCNO和Na4Fe(CN)6随后发生分解,生成Na2CO3、CO2、N2、FeOx和微量的NOx。

铁尾矿基多固废混凝土耐酸侵蚀性能研究

为提高混凝土材料的耐酸侵蚀性能,同时实现大宗固废的综合利用,以铁尾矿、钢渣及脱硫灰为掺合料,铁尾矿砂及铁尾矿废石为骨料制备混凝土试块,研究了水泥替代率及水胶比对混凝土试块28 d抗压强度及酸侵蚀60 d后抗压强度、质量损失、表观劣化及中性化深度的影响。结果表明:①当水胶比一定、水泥替代率为10%时,混凝土试块28 d的抗压强度最高,且高于纯水泥混凝土试块的抗压强度;当水泥替代率一定、水胶比为0.42时,混凝土试块28 d的抗压强度最高。②当水胶比一定、水泥替代率大于15%时,酸侵蚀60 d后的混凝土试块表现出较强的耐酸侵蚀性能;当水泥替代率一定、水胶比小于0.45时,酸侵蚀60 d后的混凝土试块表现出较强的耐酸侵蚀性能。③当水胶比一定、水泥替代率为30%时,达到最小的质量损失;当水泥替代率一定、水胶比为0.42时,达到最小的质量损失;且均小于纯水泥混凝土试块的质量损失。④复合掺合料体系使得混凝土的内部结构致密、孔隙细化,有效地阻碍了醋酸溶液对混凝土的侵蚀,降低了混凝土试块的中性化深度。总体上看,铁尾矿、钢渣、脱硫灰进行复掺制备混凝土,具有优于纯水泥混凝土的耐酸侵蚀性能。