响应面法设计与优化稀土尾矿基地聚物

稀土提取过程中会产生大量的稀土尾矿，长期堆存会带来严重的环境问题。地聚物是一种新型的硅铝 酸盐无机聚合物，因其优异的性能而受到广泛关注。以稀土尾矿为原料，采用响应面法中的中心复合设计对 n（Si）︰n （Al）、碱激发剂 NaOH 溶液浓度和稀土尾矿掺入量 3 个因素进行了建模，设计和优化了稀土尾矿基地聚物原料配 比。通过方差分析对试验数据进行了统计分析，并利用曲面图研究了参数之间的相互作用及对抗压强度的影响规 律。结果表明，优化后的因素值为 n（Si）︰n（Al）=2.5、NaOH 溶液浓度为 25 mol/L、稀土尾矿掺入量为 38.22%，地聚物 试样 3 d 的抗压强度可达到 58.84 MPa。采用 XRD、XRF、FTIR、SEM 和 XPS 等分析对原料和地聚物试样进行了表 征，发现偏高岭土和硅灰作为铝硅酸盐前驱体，稀土尾矿作为骨料，通过溶解、缩聚重组和固化等地聚合反应过程 成功生成稀土尾矿基地聚物。在此过程中，稀土尾矿以凝胶包裹的形式存在，作为骨料起到骨架和填充作用增强 了地聚物的抗压强度。     

铁尾矿-偏高岭土基地聚物配方优化及机理

以铁尾矿为主要原料,并添加偏高岭土作为校正材料,以NaOH溶液和水玻璃作为碱激发剂制备地聚物,通过正交试验研究原料配比对地聚物性能的影响。研究结果表明,在原料n(SiO₂):n(Al₂O₃)为3.0、液固比0.35、碱激发剂模数1.2的条件下,所制得试样28 d的抗压强度最大,为59.0 MPa。采用X射线衍射分析（XRD）、傅里叶红外光谱仪分析（FTIR）和扫描电子显微镜分析（SEM）对最佳条件制备的试样微观结构进行表征表明,试样具有地聚物的微观结构特征,主要物相组成为无定形的硅铝酸盐、半结晶的CSH（I）和α-C₂SH,随着龄期的增长,生成了更多凝胶状物质将细颗粒物胶结在一起,导致试样结构密实,抗压强度提高。     

离子型稀土尾矿制备地聚合物的研究

为实现二次资源的高效利用,在研究稀土尾矿特性的基础上,对稀土尾矿进行球磨-煅烧活化预处理,以活化后稀土尾矿为主要硅铝原料,以水玻璃为碱激发剂,通过浇注成型得到地聚合物试样,并对试样进行表征。结果表明,Na、Al摩尔比对地聚合物的抗压强度影响最大,当n(Na)/n(Al)为0.8,水玻璃模数为1.5,水固比为0.5时,地聚合物的7 d抗压强度最大为18.89 MPa。XRD和SEM分析表明,试样内部形成了无定型的铝硅酸盐凝胶,形成凝胶的反应物主要来源于稀土尾矿中的高岭石。     

活化钼尾矿制备地聚物胶凝材料的研究

以活化钼尾矿为主要原料,在碱激发作用下制备地聚物胶凝材料。考察了激发剂模数、硅铝摩尔比、液固比等因素对钼尾矿地聚物胶凝材料力学性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)等检测手段对样品进行表征。结果表明,钼尾矿地聚物胶凝材料的最佳制备条件为:激发剂模数1.6,硅铝摩尔比2.8,液固比0.30。此条件下制备的地聚物3 d抗压强度为42.4 MPa、7 d抗压强度为47.6 MPa、28 d抗压强度为51.3 MPa。微观分析表明,在碱性条件下,硅铝原料中的活性Si、Al溶出,参与脱水缩聚反应,随着龄期增加,水化程度加深,地聚物内部变得更加致密,力学性能更好。     

正交实验优化钨尾矿地聚物的蒸压养护制度

以钨尾矿为主要硅铝原料、偏高岭土为铝校正料制备地聚物,以恒压压力、恒压时间和卸压时间作为影响因素,以地聚物试块的7d龄期抗压强度作为考察指标,通过正交实验获取最佳蒸压养护条件,并借助XRD和SEM对试块的微结构进行表征。结果表明:恒压压力对钨尾矿地聚物抗压强度影响最大;在恒压压力为0.8 MPa、恒压时间为60 min、卸压时间为40 min时,地聚物可达到最高抗压强度31.13 MPa;微观结构分析说明适宜的蒸压养护制度可使原料中低活性硅铝成分的溶出得到强化,进而提高地聚物的胶凝性并改善其微观结构。     

养护对钨尾矿地聚物抗压强度及泛霜的影响

以钨尾矿为主要硅铝原料,添加适量偏高岭土作为铝校正料合成地聚物。研究恒温恒湿标准养护和高温高压条件下蒸压养护这两种方式对地聚物试样抗压强度及泛霜行为的影响,并通过FTIR和SEM对试样的分子构造和微观形貌进行表征。结果表明,总体上在蒸压釜中养护较在标准养护箱中养护更能在短时间内有效提升试样的抗压强度和抑制试样的泛霜行为;试样的泛霜程度与其抗压强度具有一定的相关性,即试样抗压强度越高,则其网络结构越稳定,泛霜程度越低;在标准养护箱和蒸压釜中的适宜养护时间分别是36 h和2 h,所得试样的7 d抗压强度分别可达到75 MPa和86 MPa,在此基础上延长养护时间则会破坏地聚物网络结构的稳定性,使其抗压强度降低,泛霜程度增加。     

利用矿渣和粉煤灰制备地聚物胶凝材料的正交试验研究

为研究矿渣和粉煤灰在地聚物制备中的应用,将不同配比的矿渣和粉煤灰混合后作为硅铝原料,经机械粉磨和激发剂激活后制备地聚物胶凝材料。正交试验研究了矿渣和粉煤灰的配比、水灰比和水玻璃模数3个因素对地聚物抗压强度的影响,并采用XRD、SEM对地聚物的微观结构进行分析。结果表明：当矿渣和粉煤灰配比为1:1、水灰比为0.4、水玻璃模数为1.2时,所制得地聚物28d龄期的抗压强度最高,达到68.45MPa。XRD和SEM分析表明：随着试样养护龄期的增长,生成更多的硅铝酸盐凝胶体,并且原料中部分晶相逐渐转化为非晶相,非晶相凝胶将未反应完的原料颗粒紧紧黏结在一起,使试样结构更致密,从而有利于抗压强度的提高。     

粉煤灰基地聚物混凝土抗压强度及吸水率研究

采用L_(16)(4~3)田口方法设计试验,研究了水泥掺量、NaOH溶液浓度、养护温度3个因素对高钙粉煤灰基地聚物混凝土抗压强度及吸水率的影响,并对试验中各因素水平的信噪比及均值进行了分析。结果表明,当水泥掺量为20%,NaOH溶液浓度为14 mol/L,养护温度为70℃时,地聚物混凝土的抗压强度为64.21 MPa,吸水率为3.03%,此时综合性能较优;方差分析结果表明,水泥掺量对地聚物混凝土抗压强度和吸水率的影响最大,其贡献率分别为45.48%和46.42%。     

激发剂的性质对页岩提钒尾渣基地聚物性能的影响

为研究地聚物的弱碱性激发技术,以湖北某地的页岩提钒尾渣为原料,进行了地聚物碱激发研究。主要研究了不同偏高岭土掺量、激发剂模数和激发剂用量对地聚物抗压强度的影响。最终确定在m（提钒尾渣）:m（偏高岭土）=9:1,弱碱性激发剂Na₂SiO₃的模数为3.0,Na₂SiO₃的掺量为14%的激发制度下,地聚物试样3 d的抗压强度即可达到27.55 MPa,极大地提高了地聚物的抗压性能。对不同模数的硅酸钠下制备的地聚物进行物相转变、化学键变化和微观形貌分析,发现在液体硅酸钠的作用下,页岩提钒尾渣中的石英被进一步溶解;溶解的无定形硅铝物质与液体硅酸钠中的硅酸根反应逐渐生成硅铝凝胶相;液体硅酸钠中的硅酸根起一个诱导作用,液体硅酸钠的模数越高,其硅酸根含量越高,与页岩提钒尾渣中的无定形硅铝物质反应也越迅速,从而生成更多的硅铝凝胶相,促进了地聚物抗压强度的提高,实现了地聚物的安全制备。      

膏体—地聚物协同效应的铀尾矿井下充填处置体系构建

铀尾矿井下充填处置是铀矿“协同开采”理念的重要技术支撑，但铀尾矿复杂的物理化学性质影响了胶结充填体的固结固化特性，进而制约了铀尾矿骨料胶结充填技术的应用。基于膏体和地聚物特性的协 同效应，针对铀尾矿地表堆置和常规井下充填处置存在的问题，提出了基于地聚物分割包裹—膏体稳固协同固化的铀尾矿井下充填设想。铀尾矿井下胶结充填体的技术指标包括机械强度、化学稳定、抗浸出性、氡析 出率和增容特性，物料组成包括铀尾矿骨料、地聚物基材、矿黏合剂、外加剂、功能矿物和水等，制备与充填过程的关键工艺为铀尾矿颗粒级配重构、充填材料多元复配以及充填质量的原位监测与动态调整技术。以 某铀尾矿库尾砂、复配冶炼矿渣等材料为研究对象进行了验证试验，当水固比为0.25、灰砂比为1:4时，充填体试件在（20±1）℃、湿度≥95%条件下养护28 d后，试件的最大单轴抗压强度为17.65 MPa，表明基于地 聚物的铀尾矿膏体充填体制备具备可行性。该充填体系的构建对于促进膏体充填技术在低或极低放射性固体废弃物处置领域的应用具有一定的意义。     

机械活化提高石煤提钒尾渣活性

为提高石煤提钒尾渣活性以制备地聚物,以某石煤提钒尾渣为对象进行了机械活化试验。以行星磨作为机械活化设备,考察机械活化对尾渣特性的影响。结果表明:石煤提钒尾渣经机械活化后,粒度减小,比表面积增大,石英、长石等矿物晶体结构被破坏,并趋向于无定形化,活性Si、Al含量显著提高。将活化后尾渣在与偏高岭土质量比为4∶1,NaOH与Na_2SiO_3复合激发剂掺量均为8%、液固比为0.14条件下制成地聚物,对地聚物试样进行性能测试,结果表明:随着活化时间的延长,活化后尾渣所制备的地聚物的抗压强度与聚合反应程度逐渐提高,试样结构更为致密,尾渣研磨5 h后所制备的地聚物抗压强度最大,达到21.5 MPa。石煤提钒尾渣经机械活化后,反应活性显著提高,为低活性石煤提钒尾渣高效利用提供了技术支持。     

铁尾矿制备地质聚合物工艺条件

以铁尾矿为主要原料,氢氧化钠和水玻璃混合液为碱激发剂,制备地质聚合物凝胶材料。利用单因素试验和正交试验研究了固体原料的组分、物料液固比、激发剂的模数和浓度对地质聚合物抗压强度的影响,并分析了各因素对地质聚合反应的作用机理。结果显示:各因素影响铁尾矿基地质聚合物抗压强度的主次顺序为:物料液固比>激发剂浓度>激发剂模数>固体原料硅铝比;当物料液固比n(Na_2O)/n(Al_2O_3)=0.8、激发剂浓度n(H_2O)/n(Na_2O)=7、激发剂模数n(SiO_2)/n(Na_2O)=1.6、固体原料硅铝比n(SiO_2)/n(Al_2O_3)=3.2时,试验制备的地质聚合物养护抗压强度最高,养护28 d时达到55.97 MPa。     

利用低硅铁尾矿制备地质聚合物的研究

以低硅铁尾矿为主要原料,添加偏高岭土为硅铝校正料,在NaOH和水玻璃复合碱激发的作用下制备地质聚合物。探讨不同硅铝摩尔比[n(SiO2)/n(Al2O3)]、液固比、碱激发剂模数及养护方式对地质聚合物强度性能的影响,并采用X-射线衍射分析、傅里叶红外光谱仪分析和扫描电子显微镜分析对最佳参数制备出的地质聚合物3d、7d和28d试样进行表征。结果表明,当硅铝摩尔比[n(SiO2)/n(Al2O3)]为2.75、液固比为0.30、碱激发剂模数为1.4及养护方式为室温封袋养护时,制备出的地质聚合物28d强度达到72.3MPa。微观分析表明,试样内部存在大量无定形的N—A—S—H和C—S—H凝胶相,将多种矿物晶体紧密胶结在一起,并填充在颗粒的孔隙之间,形成结构致密的整体,增强试样的力学性能。     

室温条件制备矿渣——粉煤灰基地聚合物的试验和反应机理研究

地聚合物是一种新型的无机聚合物胶凝材料。为了便于现场浇筑以及固体废物资源化利用,对室温条件下用矿渣和粉煤灰来制备地聚合物胶凝材料进行了研究。矿渣和粉煤灰以2∶1混合后作为硅铝质原料,通过复合碱激发剂来激活,采用不同制备工艺、室温养护来制备地聚合物胶凝材料。探索了不同制备工艺、复合碱激发剂掺量对地聚合物抗压强度的影响,并对地聚合物物相组成、微观形貌和红外吸收性质进行了分析。结果表明:在地聚合物制备过程中,将硅铝质原料与氢氧化钠进行混磨,有利于硅铝质原料的激活;复合碱激发剂的最佳掺量为16%时,3 d龄期试样的抗压强度可达到16.1 MPa,28 d龄期达到33.6 MPa。最终试样结构类似于混凝土,由地聚合物凝胶和未反应硅铝质原料为骨料组成,生成的地聚合物凝胶将未反应的硅铝质原料颗粒黏结为一整体,其结构越致密抗压强度越高。     

稀土尾矿蒸压砖的制备及强度性能研究

以堆浸稀土尾矿为主要原料,掺入适量河砂、石灰及石膏,制备稀土尾矿蒸压砖。以水固比、石灰掺量和石膏掺量为考察因素,制品抗压强度为考察指标,通过正交试验确定最佳原料配比;再在骨料河砂总掺量不变的情况下,通过调整细、中、粗骨料的配合比,对骨料的级配进行优化;并借助XRD和SEM对优选制品进行微观表征,研究制品强度的形成机理。结果表明,在水固比为0.16、石灰掺量为20%、石膏掺量为2%、细骨料掺量为15%、中骨料掺量为12%、粗骨料掺量为3%、成型压力为20 MPa、蒸汽压力为0.8 MPa、恒压时间为2 h的条件下,蒸压砖制品可获得最高抗压强度21.5 MPa,强度性能达到GB 11945-1999 (《蒸压灰砂砖》)规定的MU20等级;微观结构分析表明,蒸压砖内部形成了水化硅酸钙和托贝莫来石等水化产物,并在骨料颗粒间的物理咬合与紧密接触的协同作用下,产生了优良的强度性能。     

机械活化对石煤提钒尾渣制备地聚物性能的影响

以石煤提钒尾渣为主要原料制备地聚物,不仅能减轻尾渣堆积造成的环境污染,还可以实现尾渣的二次利用,且与传统地聚物制备工艺相比,能耗大幅降低。对湖北某石煤提钒尾渣进行机械活化后制备地聚物试验,结果表明:随着尾渣粒度的减小,尾渣比表面积增大,尾渣中活性硅+铝浸出浓度提高;随着尾渣活化时间的延长,所制备的地聚物抗压强度逐渐提高;降低尾渣的粒径,有利于提高地聚物的物理性能和改善地聚物的微观结构;当尾渣与偏高岭土的质量比为7∶3,NaOH和Na_2SiO_3的掺量均为13%、胶砂比为1∶1、液固比为0.15时,尾渣活化420 s所制备的地聚物28 d抗压强度达到25 MPa。试验结果为以石煤提钒尾渣为原料绿色高效制备地聚物提供了依据。     

煅烧制度对高岭土活性及地聚物性能的影响

采用比表面积测试、活性铝含量测定、TG/DSC、XRD和分析测试手段表征煅烧制度对高岭土理化性质和微观结构的影响,揭示煅烧活化高岭土的相关活化机理。采用煅烧后的高岭土为原料制备地聚物样品,以抗压强度评价煅烧制度对地聚物性能的影响。结果表明：高岭土在600~900℃煅烧2 h后,大量羟基被脱除,晶体结构崩塌,煅烧产物为非晶态偏高岭土;在800℃煅烧4 h后,高岭土比表面积和活性硅、铝溶出率均达到最大值,具有较高的反应活性,由其制备的地聚物试样3 d抗压强度达到最大30.22 MPa,高岭土的煅烧制度对地聚物性能具有较大影响;地聚物抗压强度与高岭土中活性铝含量呈正相关。     

低活性钼尾矿的活化工艺研究

以钼尾矿为原料,分别采用碱熔、机械球磨、机械-碱熔复合等方法对其进行活化研究。考察不同活化方法对钼尾矿中Si和Al总浸出质量浓度的影响。结果表明,3种活化方式均对钼尾矿中Si和Al的溶出有促进作用,其中机械-碱熔复合法为最佳活化方式,其最优工艺条件为:球料质量比为10∶1,球磨时间为90 min,m(NaOH)∶m(钼尾矿)为1∶5,煅烧温度为450℃,煅烧时间为60 min。在此条件下,钼尾矿碱熔浸出Si和Al总质量浓度为1 532 mg/L。     

金尾矿固化氯离子的机理研究

以火山灰质金尾矿为原材料,通过机械力活化和复合活化工艺（将机械力活化后的金尾矿进行热活化）激发尾矿硅铝活性,采用XRD、SEM、FT-IR测试手段测试水化产物,分析了胶凝材料水化机理及其对氯离子的固化机理。试验结果表明:由粉磨60 min再经750℃热活化1 h的金尾矿粉组成的胶凝材料固氯效果良好,胶砂块力学性能更加优异,活性尾矿粉的掺入促进了铝酸三钙（C₃A）、铁铝酸四钙（C₄AF）等矿物与氯离子化学结合生成Friedel盐的能力,同时掺入复合活化金尾矿粉的试样中有更多能吸附氯离子的硅酸钙凝胶（C-S-H）和钙矾石（AFt）产物,试样密实度提高的同时其固化氯离子的能力也提升。      

利用钾长石尾矿制备硅钾肥试验研究

以钾长石尾矿为原料,采用焙烧工艺处理钾长石尾矿-Ca SO_4-Ca CO_3三元体系制备硅钾肥,以柠檬酸对硅钾肥中Si和K的浸出率作为硅钾肥肥力评价指标,确定最佳制备条件。结果表明,当n(钾长石尾矿)∶n(Ca SO_4)∶n(Ca CO_3)为1∶1∶16时,最佳焙烧温度为1 000℃,焙烧时间为4 h。利用2%柠檬酸对硅钾肥浸出7 d,Si和K浸出率分别为98.4%和94.4%。本研究为钾长石尾矿制备硅钾肥的生产提供理论依据和技术指导。