烧结烟气中NO_(x)和二英的减排现状及发展趋势

烧结工序是钢铁工业生产链的重要环节,同时也是大气中二氧化硫(SO_(2))、氮氧化物(NO_(x))和二英的主要排放源。随着烧结烟气脱硫技术日趋成熟,氮氧化物和二英的减排成为烟气污染物减排的重中之重。本文介绍了钢铁工业烧结烟气超低排放的新法规和相关标准,并从源头控制、过程减排和末端治理三个方面综述了国内外关于烧结烟气中NO_(x)和二英减排的最新研究进展及相关技术工业应用现状,提出了采用全流程多技术耦合方式是实现烧结烟气多污染物低成本减排的发展方向。结合钢铁工业“碳减排”新发展要求,指出烧结烟气低温脱硝/二英催化剂的研究挑战,并对其抗水、抗硫性能提升研究进行了展望。

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)。

钢渣基盾粉/橡胶复合材料的性能及机理

基于利用超细立磨与钢渣制备钢渣基盾粉(简称盾粉)的研究成果,以橡胶工业配方制备盾粉/橡胶复合材料。测试矿物成分、化学成分、粒度分布、结构组成、微观结构和热稳定性,从微观层面阐述盾粉用于橡胶工业配方的相关机理。结果表明:当盾粉替代炭黑比例为5%~10%(质量分数,下同)时,盾粉与橡胶基体的相容性较好,盾粉/橡胶复合材料拉伸强度为16.16~17.06 MPa,高于15 MPa,拉伸伸长率为619.8%~668.21%,高于350%,磨耗量为130~196 mm^(3),小于200 mm^(3),均满足国标要求;当盾粉替代炭黑比例为5%时,盾粉/橡胶复合材料的硫化时间缩短、硫化速率指数提高。盾粉/橡胶复合材料燃烧时,一方面盾粉中SiO2与硫自由基、Fe、Zn、Al发生反应形成Si-Mg阻燃体系、Si-Al阻燃体系与Si-Fe消烟体系;另一方面盾粉与橡胶体系产生关联作用组成致密的炭层,阻止部分热量的传递与火焰的蔓延。

基于光谱学分析的硬质聚氨酯泡沫/钢渣/次磷酸铝复合材料阻燃机理研究

硬质聚氨酯泡沫(RPUF)的优异性能使其在各领域被广泛应用,但本身的易燃性为其在应用过程中埋下了巨大的安全隐患。钢渣(SS)作为提炼铁精矿后排放的固体废弃物,因其综合利用效率低下而造成一系列环境污染问题。为提高RPUF火灾安全性和钢渣的附加值,将SS和次磷酸铝(AHP)引入到RPUF中,采用一步全水发泡法,制备一系列阻燃RPUF(FR-RPUF)复合材料。利用射线荧光光谱分析(XRF)探究了SS的化学成分,并系统研究了SS/AHP对FR-RPUF复合材料的微观形貌、热稳定性、阻燃性能以及气相产物的影响。XRF测试表明:钢渣的化学成分主要是CaO、SiO_(2)、Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)、SO_(3)、MgO,以上金属氧化物能够作为协效剂促进聚合物成炭,并覆盖在材料表面阻隔燃烧热,在凝聚相达到阻燃目的。扫描电镜(SEM)测试表明:SS/AHP与RPUF基体的相容性较差导致FR-RPUF的泡孔出现不同程度的破损。阻燃测试表明:RPUF-1、RPUF-4、RPUF-5的极限氧指数分别为24.2 vol%、23.4 vol%、19.7 vol%,说明SS和AHP存在一定的协效阻燃作用,且RPUF/SS/AHP复合材料全部通过UL-94 V-0级别,满足外墙保温材料使用要求。热重-红外分析(TG-FTIR)测试表明:SS/AHP并未改变RPUF的降解过程,气相产物主要为碳氢化合物、羰基化合物、氨基甲酸酯、CO_(2)、异氰酸酯化合物、芳香族化合物、氰化氢、羰基化合物和酯类。对典型挥发性产物进一步分析发现,AHP和SS的加入促进RPUF基体早期降解。拉曼测试表明:当SS/AHP加入到RPUF后,RPUF-4的D峰与G峰的峰面积比(I_(D)/I_(G))值最小,表明SS/AHP的加入提高了FR-RPUF复合材料炭渣的致密性、石墨化程度。结合上述分析提出阻燃机理:首先AHP吸热分解,降低了火焰周围的温度,其分解的PO·自由基捕获游离的HO·抑制连锁反应,分解产生的焦磷酸铝与炭渣覆盖在基体表面,抑制了火焰和可燃气体的扩散。AHP分解产生的PH3遇氧气生成酸性物质(磷酸和聚磷酸),促进了RPUF脱水成炭,并且钢渣中的矿物成分会与磷酸或聚磷酸反应,形成致密炭层,与AHP共同发挥协效阻燃作用。研究为SS和AHP复配阻燃硬质聚氨酯泡沫材料提供理论依据和实验基础。

盾粉/橡胶增容复合材料性能与机理的光谱学分析

碳酸钙是橡胶生产中重要的无机填充剂,具有增容、补强等功能。随着中国橡胶需求量的不断增长,碳酸钙用量不断扩大,其生产成本与能源消耗等问题日益突出。钢渣是炼钢过程中产生的副产品,存在着利用率低、堆积量大等问题。钢渣的主要成分为CaO、SiO_(2)、Fe_(x)O_(y)、Al_(2)O_(3)等物质,物化性能与传统填料相近,且钢渣的耐磨性与多孔性优异,因此利用钢渣替代部分碳酸钙作为橡胶填充材料不仅具有重要研究意义而且可以缓解能源消耗、环境污染等问题。基于此,利用自制功能复合剂和超细立磨的方法对钢渣进行联合处理得到粒径800目的样品盾粉,制备活性碳酸钙与盾粉用量比不同的盾粉/橡胶增容复合材料。利用智能型硫化仪、电子拉力机、橡胶硬度计、微型量热仪(MCC)对制备的盾粉/橡胶增容复合材料进行性能测试,热重分析-傅里叶变换红外光谱仪(TG-FTIR)、拉曼光谱仪(Ram)对盾粉/橡胶增容复合材料进行表征分析。结果表明:盾粉替代部分活性碳酸钙对橡胶体系硫化性能有一定的促进作用,可以提高盾粉/橡胶增容复合材料的硫化速度;盾粉的加入可以提高复合橡胶体系的力学性能与阻燃性能;通过微型量热仪(MCC)和拉曼光谱仪(Ram)对盾粉/橡胶增容复合材料分析发现,盾粉替代部分活性碳酸钙后的橡胶体系热释放能力和总热释放量降低、炭渣石墨化程度提升,进一步说明了盾粉替代部分活性碳酸钙在保证盾粉/橡胶增容复合材料物理学性能的前提下也具有一定的阻燃性能。热重-红外分析表明盾粉/橡胶增容复合材料在裂解过程中产生的气体主要为碳氢化合物;自制功能复合剂的加入可以缓解钢渣界面与橡胶界面不相容的问题,优化橡胶复合材料。以上研究为制备性能更优的盾粉/橡胶增容复合材料提供数据理论支持。

不同条件下焦炭的高温反应行为及热态性能评价

针对某钢铁企业四种捣固焦,研究了不同条件下焦炭高温气化反应行为,从不同角度评价焦炭热态性能。结果表明,在国标条件下,四种焦炭的CRI和CSR分别在21%~31%和54%~68%范围内。随着焦炭反应性的升高,气化溶损反应开始温度和激烈温度均降低,且两者分别在887~948℃和1315~1423℃范围内。随着溶损率的增加,焦炭C和D的固定溶损率反应后强度均降低,且前者大于后者,但两者差值明显低于国标条件下的差值。高炉实际运行结果显示,在其他条件不变的情况下,使用焦炭C和D时高炉技术经济指标相差不大。采用高温下固定溶损率反应后强度和平均反应速率评价焦炭的热态性能更符合炉内情况,推荐的检测条件为温度1200~1400℃、固定溶损率为20%~30%。

XRD与SEM的钢渣尾渣物理激发机理研究

钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物,其产量约为每年粗钢产量的15%～20%。由于技术的局限,导致我国钢渣利用率较低,仅为年钢渣产量的10%;同时加之管理制度的不健全,导致钢渣大量露天堆放,对土地资源、地下水源,以及空气质量造成严重影响。固体废弃物再利用是资源可持续发展的重要途径之一,由于钢渣的主要化学成分(CaO, SiO_2, A1_2O_3, MgO, Fe_2O_3, MnO, f-CaO等)、主要矿物组成(硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙等)与水泥熟料的主要化学成分、主要矿物组成极为相似,是一种具有潜在胶凝活性的胶凝材料。以钢渣尾渣作为研究对象,采用机械研磨的方式对钢渣尾渣处理,即物理激发,获得不同粒径钢渣尾渣微粉。依据《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》(GB/T 20491—2006)与《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)制备一系列钢渣尾渣胶砂试块(分别标记为A_(40), A_(60), A_(80), A_(100)和A_(120))。研究对钢渣尾渣胶凝活性的影响,以及不同水化时间对钢渣尾渣胶凝活性的影响,即3 d钢渣尾渣胶砂强度、 7 d钢渣尾渣胶砂强度与28 d钢渣尾渣胶砂强度。利用激光粒度分析仪(LPSA)对钢渣尾渣微粉的粒径分布进行测试与分析, X射线衍射仪(XRD)对钢渣尾渣微粉与钢渣尾渣胶砂的矿物组成进行测试与分析,扫描电子显微镜(SEM)进行微观形貌测试与分析,从而获得钢渣尾渣的物理激发机理。结果表明,随着钢渣尾渣微粉粒径的减小,其胶凝活性呈现先增加后降低的趋势,当研磨时间为80 min时, A_(80)钢渣尾渣微粉的胶凝活性最高,即3 d活性指数为67.55%、 7 d活性指数为71.96%和28 d活性指数为73.61%。随着钢渣尾渣微粉粒径的减小,钢渣尾渣微粉中RO相的XRD特征峰强度稳定, Ca_2SiO_4与Ca_3SiO_5的XRD特征峰强度呈现先增加后降低的趋势, Ca_3SiO_5与Ca_2SiO_4参与水化反应,生成一定量的Ca(OH)_2与C-S-H凝胶,具有良好的胶凝活性。A_(80)钢渣尾渣微粉中Ca_2SiO_4含量较少,而Ca_3SiO_5含量较多,均可以生成一定量的Ca(OH)_2与C-S-H凝胶,小幅提高A_(80)钢渣尾渣胶砂的早期(3～7 d)力学性能,大幅提高A_(80)钢渣尾渣胶砂的中、后期(7 d～28 d)力学性能。当水化时间3 d时, A_(80)钢渣尾渣胶砂中存在少量水化产物且大量分散小颗粒;当水化时间7 d时, A_(80)钢渣尾渣胶砂中水化产物大幅增加且形成较大颗粒;当水化时间28 d时, A_(80)钢渣尾渣胶砂中形成大量水化产物且几乎不存在分散小颗粒。从而进一步实现固体废弃物的资源化再利用,达到钢铁企业增加效益,环境缓解压力的目的。

铁基催化剂用于氨选择性催化还原氮氧化物研究进展

氨选择性催化还原NO_x技术可以有效控制氮氧化物的排放。V_2O_5-WO_3(MoO_3)/TiO_2脱硝催化剂虽然已经工业化应用,但其工作温度偏高,不能满足低温宽工作温度窗口等工况的需要。因此,开发具有宽工作温度窗口的低温脱硝催化剂成为研究热点。其中,铁基催化剂因其具有良好的氧化还原性,以及储量丰富、价格低廉、无毒无害等特点,使其在低温氨选择性催化还原(NH_3-SCR)反应中得到了广泛研究。基于Fe_2O_3在NH_3-SCR催化体系中所起的作用不同,从Fe_2O_3作为载体、助剂、活性组分以及新型结构的铁基催化剂等方面系统地介绍了近年来铁基催化剂在NH_3-SCR反应中的最新研究进展。此外,还总结了铁基催化剂的NH_3-SCR反应机理以及抗水抗硫性,并对该领域未来可能的发展方向进行了展望。

电炉渣超微粉改性生物质废弃物制备生态活性炭的光谱学分析

利用木材、竹子、等其他生物资源制备具有发达多孔结构与丰富比表面积的活性炭,存在生产成本较高、不利于生态环境的可持续发展、使用寿命短和失效后容易造成室内环境二次污染的问题。冶金固体废弃物与生物质废弃物是工业生产与农业生产主要的副产品,因利用难度大、附加值低且成本高,导致大量堆放和填埋,不仅造成生态环境的污染,而且极大的浪费潜在资源。面对上述问题,利用冶金固体废弃物与生物质废弃物开发一种价格低廉且性能优越的生态活性炭,既是冶金固体废弃物与生物质废弃物的高附加值利用与资源可持续发展的重要途径之一,也是大幅降低改性活性炭生产成本与提高经济效益的重要途径之一。以核桃壳与电炉渣为研究对象,利用电炉渣中含有的金属氧化物对生物质废弃物进行改性处理制备用于甲醛降解的生态活性炭,依据《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》(GB18580-2017)对生态活性炭性能进行测试。利用X-射线光电子能谱(XPS)对元素含量进行测试与分析,X-射线荧光光谱仪(XRF)对化学成分进行测试与分析,傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对结构组成进行测试与分析,X-射线衍射仪(XRD)对矿物组成进行测试与分析,扫描电子显微镜(SEM)对微观结构进行测试与分析,激光粒度仪(LPSA)对粒度分布进行测试与分析和比表面积及孔径测定仪(BET)对孔结构进行测试与分析,以揭示核桃壳与电炉渣制备生态活性炭的机理,以及生态活性炭对甲醛的降解机理。结果表明:核桃壳超微粉与电炉渣超微粉进行复合制备具有良好降解甲醛性能的生态活性炭,不仅实现了冶金固体废弃物与生物质废弃物的高附加值的利用,而且提出了"以废治危"的新室内空气甲醛治理理念。电炉渣超微粉较好的被包裹于生态活性炭层状结构中,提高生态活性炭的粉化率,形成粒径较小的颗粒,有利于提高生态活性炭与甲醛的降解作用面积。电炉渣超微粉中含有Fe元素、Mn元素与Ti元素,Fe元素具有磁性促使大量甲醛在生物质活性炭孔结构表面形成富集,Mn元素与Ti元素对已经富集的甲醛进行催化降解,实现吸附降解与催化降解的协同作用。

改性钢渣-矿粉复合橡胶填料补强-阻燃机理的光谱学分析

钢渣作为炼钢过程中产生的固体废弃物,矿渣作为高炉炼铁过程中的副产品,其存在难以利用与附加值的问题。面对上述问题,利用钢渣与矿渣开发一种价格低廉的复合橡胶填料用于橡胶领域。采用磁选热闷渣、未磁选热闷渣、矿粉和助磨-改性复合剂制备改性钢渣-矿粉复合橡胶填料,并且用于复合橡胶体系。研究磁选热闷渣用量、未磁选热闷渣用量、矿粉用量和助磨-改性复合剂用量对改性钢渣-矿粉基橡胶复合材料性能的影响,并且分析其影响机理。结果表明,以磁选热闷渣用量150 g、未磁选热闷渣用量150 g、矿粉用量150 g和助磨-改性复合剂用量9 g制备的改性钢渣-矿粉复合橡胶填料补强-阻燃性能最优。按改性钢渣-矿粉复合橡胶填料∶炭黑质量比20∶30制备的改性钢渣-矿粉基橡胶复合材料,其拉伸强度为21.83 MPa、撕裂强度为46.23 kN·m^(-1)、邵尔A硬度为62、磨耗量为159 mm^(3)、极限氧指数为19.8%与燃尽时间为187 s。助磨-改性复合剂不仅降低粒径尺寸、提高粒径均匀性,而且改善钢渣-矿粉复合橡胶填料的表面结构与性质,有利于改性钢渣-矿粉复合橡胶填料在复合橡胶体系中均匀分散,提高相容性。钢渣与矿粉在助磨-改性复合剂的作用下发生化学反应,改变了钢渣与矿粉的物相组成,提高补强性能与阻燃性能。

基于XRF和XRD的热闷渣改性活性炭降解甲醛机理分析

活性炭具有发达多孔结构与丰富比表面积是一种高效的去除室内空气中甲醛的吸附性物质,但是其存在生产成本较高、不利于生态环境的可持续发展、使用寿命短和失效后容易造成室内环境二次污染的问题。钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物,其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。由于技术的局限,导致我国钢渣利用率较低,仅为年钢渣产量的10%,同时加之管理制度的不健全,导致钢渣大量露天堆放,对土地资源、地下水源,以及空气质量的严重影响。针对上述问题,利用钢渣改性活性炭开发一种价格低廉且性能优异的改性活性炭,既是冶金固体废弃物的高附加值利用与资源可持续发展的重要途径之一,同时也大幅降低改性活性炭生产成本并提高经济效益。以热闷渣超细粉作为研究对象,利用X射线荧光光谱仪(XRF)与X射线衍射仪(XRD)对热闷渣的化学成分和热闷渣的矿物组成进行测试与分析,针对热闷渣中主要的化学成分与主要的矿物组成,制备热闷渣化学成分改性活性炭与热闷渣矿物组成改性活性炭,依据《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》(GB 18580-2017)对热闷渣化学成分改性活性炭与热闷渣矿物组成改性活性炭的性能进行测试,以研究热闷渣中主要的化学成分与主要的矿物组成对改性活性炭降解甲醛性能的影响,以揭示热闷渣改性活性炭降解甲醛的作用机理。结果表明:热闷渣中主要化学成分为CaO,Fe2O3,SiO2,P2O5,MgO,MnO和Al2O3,其中Fe2O3与MnO对活性炭进行改性可以提高降解甲醛性能。热闷渣中主要矿物组成为Fe3O4,3CaO·SiO2,2CaO·SiO2和RO相,其中Fe3O4与MnO对活性炭进行改性可以提高降解甲醛性能。热闷渣中Fe元素为Fe2O3与Fe3O4,是RO相的矿物组成形式,热闷渣中Mn元素以MnO的化学成分与RO相的矿物组成形式存在,Fe元素与Mn元素协同作用提高热闷渣改性活性炭的降解甲醛性能。热闷渣改性活性炭不仅实现了冶金固体废弃物的高附加值的利用,而且创新出"以废治危"的新室内空气甲醛治理技术。

基于XRD与FTIR的碱钢渣胶凝材料复合激发机理研究

以Na_2SiO_3、NaOH和Ca(OH)_2制备碱溶液,然后利用碱溶液对钢渣进行活化处理。分别研究Na_2SiO_3用量、NaOH用量和Ca(OH)_2用量对碱钢渣胶凝材料的力学性能影响,获得最优力学性能的碱钢渣胶凝材料。采用XRD,FTIR和SEM对最优力学性能的碱钢渣胶凝材料进行表征。结果表明,当NaOH用量为4.50g、Na2SiO_3用量为11.25g和Ca(OH)_2用量为6.75g时,碱钢渣胶凝材料的力学性能最优。Na_2SiO_3对碱钢渣胶凝材料的7d抗压强度影响显著,NaOH对碱钢渣胶凝材料的3d抗压强度影响显著,Ca(OH)2对碱钢渣胶凝材料的28d抗压强度影响显著。Na_2SiO_3,NaOH和Ca(OH)_2碱性物质的加入促使钢渣形成稳定的C-S-H凝胶与沸石类相。

钢渣超微粉取代部分炭黑高强耐磨型丁苯橡胶复合材料的制备及其性能研究

采用乙二醇与三乙醇胺为改性剂、无水乙醇为溶剂配制钢渣助磨剂,将钢渣助磨剂与钢渣混合后粉磨获得钢渣超微粉。利用钢渣超微粉取代部分炭黑制备一系列钢渣超微粉/丁苯橡胶复合材料。考察钢渣助磨剂配方与钢渣超微粉用量对钢渣超微粉/丁苯橡胶复合材料力学性能的影响,并且分析其作用机理。结果表明,当乙二醇用量为0.10 m L、三乙醇胺用量为0.10 m L、无水乙醇用量为0.10 m L、电炉渣质量为20 g、炭黑质量为30 g时,钢渣超微粉/丁苯橡胶复合材料的力学性能较好,即拉伸强度为22.01 MPa、拉断伸长率为605.27%、撕裂强度为40.74 k N/m、邵尔A硬度为62。以乙二醇、三乙醇胺与无水乙醇为钢渣助磨剂可改善钢渣超微粉的粒度分布,有利于钢渣超微粉的物理吸附效果与分散效果,提高钢渣超微粉/丁苯橡胶结构的牢固度与丁苯橡胶包裹钢渣超微粉的效果。

基于响应曲面法制备钢渣–花生壳基生态活性炭及其吸附性能研究

以钢渣超微粉和花生壳为原料制备钢渣–花生壳基生态活性炭,基于响应曲面法研究微波功率、浸渍比、钢渣掺量和钢渣细度对钢渣–花生壳基生态活性炭对甲醛气体吸附率的影响,并对其进行优化处理.利用X-射线红外光谱仪、场发射扫描电镜、比表面积及孔径测定仪等对钢渣–花生壳基生态活性炭进行表征分析.结果表明:钢渣–花生壳基生态活性炭最优制备参数为微波功率530 W,钢渣细度1160目,钢渣掺量(质量分数)10.8%,浸渍比1.25,其对甲醛气体的吸附率为94.14%.影响钢渣–花生壳基生态活性炭性能的因素次序依次为:微波功率、钢渣掺量、浸渍比、钢渣细度,其中微波功率与浸渍比、微波功率与钢渣掺量、钢渣掺量与钢渣细度均存在显著交互作用.适量钢渣改性活性炭有利于形成规则的孔结构、提高表面酸性官能团含量以及增强表面极性.

基于X射线衍射法研究改性脱硫灰基生态橡胶的制备过程及机理

脱硫灰作为半干法脱硫技术主要副产品,其利用难度大且成本高,导致大量脱硫灰以直接堆放和填埋的方式处理,不但造成环境污染,而且浪费潜在资源。橡胶作为广泛应用的聚合物材料,在橡胶制备加工过程中需大量使用填料改善其力学性能、加工性能和填充增容。炭黑与白炭黑作为常用的橡胶填料,其不仅生产工艺繁杂,而且对能源和资源消耗量大,导致成本较高。面对上述问题,如何利用脱硫灰开发一种价格低廉的无机橡胶填料,既是固体废弃物高附加值利用又是资源可持续发展的重要途径之一,也是橡胶企业大幅降低填料成本提高经济效益的重要途径之一。由于脱硫灰属于无机材料,橡胶属于有机材料,为了更好的降低脱硫灰界面与橡胶界面(无机界面/有机界面)的不相容性,需要对脱硫灰进行化学改性处理。以该课题组前期取得的研究成果为基础,创新性以改性脱硫灰取代部分炭黑制备改性脱硫灰基生态橡胶。利用XRD对改性脱硫灰基生态橡胶制备过程各阶段的生产物质进行测试,即丁苯橡胶密炼胶制备阶段、改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶制备阶段和改性脱硫灰基生态橡胶制备阶段,从微观层面揭示丁苯橡胶密炼胶制备过程、改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶制备过程和改性脱硫灰基生态橡胶制备过程,阐明硫化过程中丁苯橡胶密炼胶与改性脱硫灰的结合机理。同时采用SEM对丁苯橡胶密炼胶与改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶的微观形貌进行测试,以进一步佐证所获得的相关机理。结果表明:改性脱硫灰加入丁苯橡胶密炼胶后,改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶的最大转矩F max大幅下降、最小转矩F L保持稳定、ΔF=F max-F L显著下降,同时焦烧时间t 10与正硫化时间t 90均缩短。硫化诱导期为0~387 s、硫化反应期为387~1586 s和硫化平坦期为1586~1800 s。在硫化诱导期形成非交联网络结构、硫化反应期前期形成基本交联网络结构、硫化反应期后期完善交联网络结构和硫化平坦期保持交联网络结构。以期为高附加值的脱硫灰资源化利用提供一定理论依据和技术支持。

特殊钢钢渣用作橡胶功能填料及其安全性分析

以特殊钢钢渣、炭黑、促进剂、硫磺、氧化锌、硬脂酸与复合橡胶制备特殊钢钢渣基复合橡胶.测试了内辐射指数、外辐射指数、安定性、拉伸强度、撕裂强度、拉断伸长率、邵尔A硬度、极限氧指数、燃尽时间、浸出液中重金属浓度、矿物组成、粒径分布、导热系数、孔结构、化学成分、微观形貌和热稳定性.研究了特殊钢钢渣作为橡胶功能填料的可行性与环境风险.结果表明:特殊钢钢渣的矿物组成为Ca2SiO4、Ca3Al6Si2O16、(Fe,Mn)2SiO4、Ca3Al2(SiO4)3、Na2TiSiO5、CuMn6SiO12、Na2SiO5、Pb3Ta2O8、Pb3SiO7等金属固熔体,特殊钢钢渣具有良好的粒径分布,其安全性与安定性满足相关国标的要求.特殊钢钢渣基复合橡胶中特殊钢钢渣掺量为20%~40%时,特殊钢钢渣基复合橡胶的拉伸强度为20.0~21.5 MPa、撕裂强度为45.2~48.6 kN·m-1、拉断伸长率为475%~501%、邵尔A硬度为63.5~65.3、极限氧指数为18.5~18.6、燃尽时间为264~292 s、导热系数为0.15~0.17 W·m-1·K-1.特殊钢钢渣的主要重金属氧化物为Cr2O3、PbO和CuO,且以稳定的金属固熔体存在,特殊钢钢渣基复合橡胶中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ba、Ni、As等重金属浸出浓度远低于危险废物鉴别标准限值,因此将特殊钢钢渣作为橡胶功能填料安全、可行.

基于SEM与FTIR研究改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理

钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物,其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。由于技术的局限,导致我国钢渣利用率较低,仅为年钢渣产量的10%,同时加之管理制度的不健全,导致钢渣大量露天堆放,对土地资源、地下水源,以及空气质量形成严重影响。面对上述问题,以热闷渣、电炉渣和风淬渣研发改性钢渣微粉,并且将改性钢渣微粉与复合橡胶进行复合制备改性钢渣/橡胶复合材料。依据《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》(GB/T3512—2014)对改性钢渣/橡胶复合材料进行热氧老化处理,采用平衡溶胀法测定改性钢渣/橡胶复合材料的交联密度,扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TGA)和傅里叶转换红外光谱仪(FTIR)分别测试其微观形貌、失重率和结构组成,从微观层面阐述改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理。结果表明在热氧老化前期老化作用在改性钢渣/橡胶复合材料表面,其内部以交联键形成反应为主;在热氧老化中期老化作用已经作用改性钢渣/橡胶复合材料内部,造成交联键断裂反应速度高于交联键形成反应速度,形成大量断裂交联键;在热氧老化后期由于改性钢渣/橡胶复合材料内部已经存在大量断裂交联键,导致主链及交联键断裂速度降低,交联键形成反应占优势。改性钢渣微粉以热闷渣(SiO_(2)含量高)为原材料,有利于形成聚合物大分子链贯穿炭黑网络的结构,提高综合性能,尤其是物理机械性与滞后性;以电炉渣、风淬渣(Fe_(2)O_(3)含量高)制备改性钢渣微粉,有利于热传导性能的改善,不仅提高改性钢渣/橡胶复合材料的耐热性,而且提高其硬度与脆性。热氧老化过程中改性钢渣/橡胶复合材料内部在橡胶分子链α-H上发生了不同程度的氧化反应,并在橡胶分子链周围生成了羟基、羧基和醇类化合物,双键烯氢含量降低。

烧结烟气脱硫脱硝用活性炭混合钢渣复合材料的光谱学分析

钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物,其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。由于技术的局限,导致我国钢渣利用率较低,仅为年钢渣产量的10%,同时加之管理制度的不健全,导致钢渣大量露天堆放,对土地资源、地下水源,以及空气质量形成严重影响。固体废弃物再利用是资源可持续发展的重要途径之一,钢渣的主要化学成分为CaO, SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3, MnO, f-CaO等。面对上述问题,利用冶金固体废弃物与活性炭开发一种价格低廉且性能优越的活性炭混合钢渣复合材料,既是冶金固体废弃物的高附加值利用与资源可持续发展的重要途径之一,也是大幅降低改性活性炭生产成本与提高经济效益的重要途径之一。该研究创新性以活性炭与钢渣为研究对象,利用钢渣中含有的金属氧化物对活性炭进行改性处理制备用于烧结烟气脱硫脱硝的活性炭混合钢渣复合材料,通过搭建实验反应装置对活性炭混合钢渣复合材料的脱硫脱硝性能进行测试。利用X射线荧光光谱仪(XRF)对钢渣的化学成分进行测试与分析,比表面积及孔径测定仪(BET)对活性炭混合钢渣复合材料的孔结构进行测试与分析,傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对钢渣的结构组成进行测试与分析,扫描电子显微镜(SEM)对活性炭混合钢渣复合材料的微观结构进行测试与分析,以揭示活性炭与钢渣制备活性炭混合钢渣复合材料的机理,以及活性炭混合钢渣复合材料对烧结烟气脱硫脱硝的机理。结果表明:当钢渣为电炉热泼渣、钢渣与活性炭质量比为2∶4、钢渣与活性炭细度为400目时,活性炭混合钢渣复合材料具有良好的脱硫脱硝性能与合理的经济性,即脱硫效率为100%、脱硝效率为58%。活性炭混合钢渣复合材料具有的多孔结构对SO2和NO进行有作用,钢渣中Fe2O3与MnO2促使活性炭官能团进行催化还原反应提高脱硫脱硝性能,其中吸附作用是主导与前提,催化还原反应是辅助与协同。以期为高附加值的钢渣利用提供新途径,实现钢铁企业以废治废、以废增效的目的。

基于FTIR与XRD的改性脱硫灰取代部分炭黑制备复合橡胶的补强机理研究

脱硫灰是半干法脱硫的主要副产品,其利用难度大且成本高,导致大量脱硫灰以直接堆放和填埋的方式处理,不但造成环境污染,而且浪费潜在资源。炭黑(8000元·t^-1)与白炭黑(6000元·t^-1)是常用的橡胶补强填料,生产工艺繁杂,消耗大量能源和资源,导致成本较高。面对上述问题,如何利用脱硫灰开发一种价格低廉的无机橡胶补强填料,既是固体废弃物高附加值利用的重要途径之一,也是橡胶企业大幅降低填料成本提高经济效益的重要途径之一。由于脱硫灰属于无机材料,橡胶属于有机材料,为了更好的降低脱硫灰界面与橡胶界面(无机界面/有机界面)的不相容性,需要对脱硫灰进行化学改性处理,以提高脱硫灰代替部分炭黑制备橡胶的力学性能。该研究创新性以硅烷偶联剂Si69、硅烷偶联剂KH550与脱硫灰制备改性脱硫灰,然后以改性脱硫灰取代部分炭黑制备复合橡胶。根据国家与行业标准测试复合橡胶的力学性能,如拉伸强度、撕裂强度和硬度。利用扫描电子显微镜(SEM)对复合橡胶的微观形貌进行测试与分析,傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对改性脱硫灰的组成结构进行测试与分析,X射线衍射仪(XRD)对改性脱硫灰的矿物组成进行测试与分析,以揭示硅烷偶联剂Si69与硅烷偶联剂KH550协同对脱硫灰的改性机理,以及改性脱硫灰对复合橡胶的补强机理。结果表明:采用硅烷偶联剂KH550与硅烷偶联剂Si69协同改性脱硫灰,其取代炭黑的增强效果最佳,即复合橡胶的拉伸强度为20.36MPa、撕裂强度为45.71kN·m^-1和邵尔A硬度为66;硅烷偶联剂KH550与硅烷偶联剂Si69协同改性脱硫灰,不仅保持脱硫灰依然良好的碱性,有利于对复合橡胶起到增强效果;而且可以改善脱硫灰的表面特性与结构,提高改性脱硫灰与丁苯橡胶的无机界面/有机界面相容性。

基于光谱学分析癸酸-棕榈酸/SiO_(2)@TiO_(2)光催化相变微胶囊的制备机理

建筑能耗占我国总能耗的30%以上,利用建筑自身的被动调节性能提高其热湿调节性能,是实现建筑节能的重要举措。以癸酸、棕榈酸制备相变温度在人体舒适度范围内的癸酸-棕榈酸复合相变材料,采用癸酸-棕榈酸复合相变材料,硅酸四乙酯,钛酸丁酯作为原材料制备具有热湿调节,空气净化功能的癸酸-棕榈酸/SiO_(2)@TiO_(2)光催化相变微胶囊(简称D-T微胶囊)有利于建筑节能,改善室内空气品质。研究分析了去离子水用量(去离子水与硅酸四乙酯物质的量比),pH值,癸酸-棕榈酸复合相变材料的用量(癸酸-棕榈酸复合相变材料与硅酸四乙酯的物质的量比),钛酸丁酯的用量(钛酸丁酯与硅酸四乙酯物质的量比)以及钛酸丁酯的滴加速度五个影响因素对D-T微胶囊的粒径、物质组成、形貌以及空气净化、热湿调节性能的影响。激光粒度分析结果表明去离子水用量和钛酸丁酯用量对D-T微胶囊的粒径分布有重要影响。过水体系能够有效分散T-D微胶囊,防止其团聚;适量的钛酸丁酯水解产生的TiO_(2)包裹在癸酸-棕榈酸@SiO_(2)表面,从而影响D-T微胶囊的粒径。扫描电镜结果显示,过多的癸酸-棕榈酸复合相变材料用量会造成相变材料的泄露;过快的钛酸丁酯滴加速度影响其水解反应速度,造成TiO_(2)的团聚。X-射线衍射(XRD)分析结果显示,pH值是生成具有光催化性能的锐钛矿相TiO_(2)的关键因素。因此,当控制去离子水与硅酸四乙酯的物质的量比为90∶1,pH值为2,癸酸-棕榈酸复合相变材料用量为0.5,钛酸丁酯用量为0.8,控制钛酸丁酯的滴加速度为20 min完成时可以获得形貌、粒径完整和物相稳定的D-T微胶囊。D-T微胶囊经过6 h对气态甲醛降解试验,其对甲醛的降解率能够达到67.87%;在18~23℃之间有明显的相变温度平台,平台的持续时间约为300 s;当相对湿度为84.34%时,平衡含湿量达到0.1819 g·g^(-1),同时相对湿度为32.78%~84.34%之间的湿容量为0.1613 g·g^(-1)。